CN107543568B - 一种分布式传感光缆的随钻布设方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式传感光缆的随钻布设方法及装置，所述电动机、卷扬机、行走机构和机架固定于底座上；所述定滑轮组安装于机架顶端；所述振动装置顶端，通过拉索绕过定滑轮组，与卷扬机连接；所述振动装置底端，与套管顶端固定连接；所述套管底端安装管靴。该随钻布设方法主要包括以下步骤：1)清场：清整场地，标记测量点；2)就位：光缆布设机就位；3)沉管：振动沉管至规定深度；4)提管：提升套管，光缆固于孔内；5)换锤：剪断、松开光缆，换上新的光缆护锤；6)移位：移动光缆布设机至下一个标记点，重复操作进行下一轮布设；7)监测：光缆互联形成分布式的监测网络。具有微创、安装简单、无需回填材料等优点。

Description

一种分布式传感光缆的随钻布设方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤监测和光缆布设工艺领域，具体涉及一种分布式传感光缆的随钻布设方法和装置。

背景技术

作为一种新型的监测技术，光纤感测技术近年来在地质灾害和岩土工程监测领域得到了越来越广泛的应用，比如滑坡、堤防、地面沉降、地面塌陷、地裂缝以及煤矿开采区的岩土变形等。借助于光纤布拉格光栅(FBG)、布里渊光时域反射(BOTDR)、布里渊光时域分析(BOTDA)和布里渊光频域分析(BOFDA)等准分布和分布式光纤感测技术，可以获得整个光纤、光缆长度上沿几何路径分布的温度和应变等参量信息。与传统的监测方法相比，包括遥感遥测、地球物理探测等间接测量方法和基于振弦式、电阻式、电感式传感器等敏感元件的直接测量方法，光纤感测技术具有对周围介质扰动小、精度高、灵敏度好、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、易于实现长距离和长期组网监测等诸多优点。近年来分布式光纤感测技术已逐渐成为地质灾害和岩土工程监测的有力工具。

在工程监测时，现有的将光缆布设于岩土体中的方法分成两类，一类是采用夹件、开槽、黏贴和预埋等方式将传感光缆安装于土钉、锚杆、桩基等结构体表面或内部，通过对结构体的监测来掌握岩土体的变形和稳定性；另一类是采用钻机进行原位钻孔，然后下放分布式传感光缆，再用回填材料进行封孔，由光缆的应变分布换算得到周围岩土体的变形情况。第一类方法若采用开槽工艺，对结构体有损伤，而且所测数据反映结构体的变形，与岩土体变形有很大差异；如果采用黏贴的方法安装光缆，现场人工涂抹环氧树脂或AB胶既耗时耗力，质量又难以保证，同时还需要等待胶水固化，耗费工时。在长期监测时，胶水还存在容易老化、疲劳和脱落等问题；夹件和预埋则存在施工步骤多、操作复杂、安装困难等问题。

第二类方法一般采用全取芯钻进，传统机械开孔比较大，钻孔直径范围是125mm-200mm；回填材料一般采用膨润土、砂砾、水泥、化学浆液和发泡剂等，其成分配比复杂、回填质量可靠性差，难以保证传感光缆与周围岩土体之间耦合变形；先钻孔后布设光缆，还容易产生缩径、掉块甚至塌孔等现象，从而导致传感光缆下放过程中发生弯曲、缠绕以及不能真正触底。分布式传感光缆若需要监测岩土体沉降变形，还必须进行精确的预拉操作，采用钻孔回填法难以实现这一功能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种分布式传感光缆的随钻布设方法和装置，具有微创、安装简单、无需回填材料、可应用于分布式传感光缆快速连续布设的优点。

本发明采用了如下技术方案：一种分布式传感光缆的随钻布设方法，包括步骤如下：

1)清场：清整场地，选定测量点，并做好打设标记，编制安排布设顺序；

2)就位：光缆布设机就位，将分布式传感光缆装入光缆卷筒，并通过套管上端两侧的滑轮，呈“U”型回路穿入套管，套管下端安装专用管靴；“U”型光缆底端与光缆护锤连接，光缆右侧出露部分通过光缆夹具与拉索连接，拉索上设置一个测力计，拉索另一端与电动机连接；

3)沉管：拉紧光缆，对准标记点，采用振动法，将套管压入地基直至规定深度；

4)提管：达到规定深度后，提升套管直至完全拔出，光缆及光缆护锤通过岩土体挤压被固定于钻孔内；

5)换锤：剪断套管内光缆左侧出露部分，并松开光缆右侧出露部分的光缆夹具；给套管内光缆换上新的光缆护锤，绕过其上的定滑轮，通过光缆夹具与套管内的拉索连接；

6)移位：移动光缆布设机至下一个标记点，启动电动机，拉索拖拽光缆，使光缆呈“U”型布满套管，重复以上操作步骤三到步骤六，进行下一轮布设；

7)监测：待所有分布式传感光缆布设完毕后，将所有光缆采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光缆连接至光纤解调仪接口上，进行实时的数据采集，形成分布式的岩土体监测网络。

所述电动机拉索上设置一个测力计，用来精确控制分布式传感光缆的预拉应变。

所述套管和钻孔的直径小于50mm。

所述的分布式传感光缆与光缆护锤固定处进行热缩管保护。

步骤2)和步骤5)，所述光缆右侧出露部分与电动机拉索采用光缆夹具连接，只有换锤时松开光缆夹具，以更换新的光缆护锤，其余步骤保持夹紧。

用于所述的分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，包括光缆布设机、分布式传感光缆；所述光缆布设机包括光缆卷筒、定滑轮、光缆护锤、套管、套管定滑轮组、管靴、机架定滑轮组、光缆夹具、电动机拉索、测力计、电动机、振动装置、卷扬机拉索、卷扬机、底座、行走机构和机架；所述分布式传感光缆一端与光缆卷筒连接，另一端通过套管定滑轮组和设于光缆护锤顶端的定滑轮穿过套管，并通过光缆夹具与电动机拉索连接，电动机拉索上设置一个测力计，光缆护锤设置于套管下与分布式传感光缆连接，所述套管底端还设置管靴，套管顶部与振动装置固定连接，振动装置顶端通过卷扬机拉索绕过机架定滑轮组，与卷扬机连接，机架定滑轮组设置在机架顶部，底座上依次设置机架、电动机和卷扬机，底座下设置行走机构。

所述套管采用高强度钢管，所述拉索采用高强度钢绞线。

所述的分布式传感光缆是8字形光缆，包括一根紧套光缆和一根松套光缆；其中紧套光缆用于感测岩土体的应变，松套光缆用于温度补偿。

所述套管顶端侧壁有两个对称的开孔，用于通过待布设的光缆。

所述光缆护锤与套管采用卡扣方式连接，沉管过程中保持固定，提管时自动脱离。

有益效果：

1.采用电动机拖拽拉索，根据电动机拉索上的测力计读数对拉索轴力进行控制，可实现分布式传感光缆的精确预拉；

2.采用直埋法布设分布式传感光缆，不需要黏贴或焊接到杆件、板材、格栅等结构物上，安装简便，省工省时，可对岩土体的应变、温度等参数进行直接监测；

3.相对传统的钻孔布设法，本发明开孔形成的创面比较小，无需回填材料进行封孔耦合，光缆仅凭岩土体的围压即可牢固地固定于钻孔内；

4.分布式光缆随钻布设，一步到位，可以实现光缆的连续快速布设，确保光缆保持笔直、真正触底，不会发生弯曲、缠绕等现象；

5.采用本发明可依次随钻布设多根分布式光缆，所有光缆采用并联或串联的方式相互连接，形成分布式的监测网络，对深部岩土体进行多参量、远距离和长期的实时监测，本发明显著提高了分布式传感光缆在现场布设时的施工效率和施工质量，具有很好的市场推广和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的光缆随钻布设装置示意图。

图2为本发明的一个较佳实施例的光缆随钻布设方法流程示意图。

图3为本发明的一个较佳实施例的8字形光缆截面示意图。

图4为采用本发明的一个较佳实施例的使用方法在边坡深部岩土体中布设而成的分布式监测网络示意图。

其中：1.光缆布设机，2.分布式传感光缆，3.光缆卷筒，4.定滑轮，5.光缆护锤，6.光缆夹具，7.套管，8-1.套管定滑轮组，8-2.机架定滑轮组，9.管靴，10-1.电动机拉索，10-2卷扬机拉索，11.测力计，12.电动机，13.振动装置，14.卷扬机，15.底座，16.行走机构，17.机架；18.应变传感光纤，19.高分子保护套，20.温度传感光纤，21.金属管；22.传输光缆，23.光纤解调仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种分布式传感光缆的随钻布设方法，包括步骤如下：

步骤一为清场：清整场地，选定测量点，并做好打设标记，编制安排布设顺序；

步骤二为就位：光缆布设机就位，将分布式传感光缆装入光缆卷筒，并通过套管上端两侧的滑轮，呈“U”型回路穿入套管，套管下端安装专用管靴；“U”型光缆底端与光缆护锤连接，光缆右侧出露部分通过光缆夹具与拉索连接，拉索上设置一个测力计，拉索另一端与电动机连接；

步骤三为沉管：拉紧光缆，对准标记点，采用振动法，将套管压入地基直至规定深度；

步骤四为提管：达到规定深度后，提升套管直至完全拔出，光缆及光缆护锤通过岩土体挤压被固定于钻孔内；

步骤五为换锤：剪断套管内光缆左侧出露部分，并松开光缆右侧出露部分的光缆夹具；给套管内光缆换上新的光缆护锤，绕过其上的定滑轮，通过光缆夹具与套管内的拉索连接；

步骤六为移位：移动光缆布设机至下一个标记点，启动电动机，拉索拖拽光缆，使光缆呈“U”型布满套管，重复以上操作步骤三到步骤六，进行下一轮布设；

步骤七为监测：待所有分布式传感光缆布设完毕后，将所有光缆采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光缆连接至光纤解调仪接口上，进行实时的数据采集，形成分布式的岩土体监测网络。

作为优选，所述的分布式传感光缆是8字形光缆，包括一根紧套光缆和一根松套光缆；其中紧套光缆用于感测岩土体的应变，松套光缆用于温度补偿。

作为优选，所述套管和钻孔的直径小于50mm。

作为优选，所述的“U”型光缆与光缆护锤固定处设置热缩管保护。

作为优选，步骤二和步骤五，所述光缆右侧出露部分与拉索采用光缆夹具连接，只有换锤时松开光缆夹具，以更换新的光缆护锤，其余时间保持夹紧。

进一步地，用于所述的分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，其特征在于，包括光缆布设机、分布式传感光缆；所述光缆布设机包括光缆卷筒、定滑轮、光缆护锤、套管、套管定滑轮组、管靴、机架定滑轮组、光缆夹具、电动机拉索、测力计、电动机、振动装置、卷扬机拉索、卷扬机、底座、行走机构和机架；分布式传感光缆一端与光缆卷筒连接，另一端通过套管定滑轮组和设于光缆护锤顶端的定滑轮穿过套管，并通过光缆夹具与电动机拉索连接，电动机拉索上设置一个测力计，光缆护锤设置于套管下与分布式传感光缆连接，所述套管底端还设置管靴，套管顶部与振动装置固定连接，振动装置顶端通过卷扬机拉索绕过机架定滑轮组，与卷扬机连接，机架定滑轮组设置在机架顶部，底座上依次设置机架、电动机和卷扬机，底座下设置行走机构。

作为优选，所述套管采用高强度钢管，所述拉索采用高强度钢绞线。

作为优选，所述套管顶端侧壁有两个对称的开孔，且套管开孔处和光缆护锤顶端分别安装有定滑轮，便于光缆的自由拖拽。

作为优选，所述光缆护锤与套管采用卡扣方式连接，沉管过程中保持固定，提管时自动脱离。

作为优选，所述电动机拉索上设置一个测力计，用来精确控制分布式传感光缆的预拉应变。

作为优选，所述的光缆布设机安装有行走机构，可按照布设间距和布设顺序连续打孔，实现光缆的快速连续布设。所有光缆采用并联或串联的方式相互连接之后，可在深部岩土体中形成分布式的监测网络。

实施例

如附图1所示，一种分布式传感光缆的随钻布设装置，它包括光缆布设机1、分布式传感光缆2；所述光缆布设机1包括光缆卷筒3、定滑轮4、光缆护锤5、光缆夹具6、套管7、套管定滑轮组8-1、机架定滑轮组8-2、管靴9、电动机拉索10-1、卷扬机拉索10-2、测力计11、电动机12、振动装置13、卷扬机14、底座15、行走机构16和机架17；所述分布式传感光缆2一端与光缆卷筒3连接，另一端通过套管定滑轮组8-1和设于光缆护锤5顶端的定滑轮4穿过套管7，并通过光缆夹具6与电动机拉索10-1连接，电动机拉索上设置一个测力计11，电动机拉索与电动机12连接；所述光缆护锤5设置于套管7下与分布式传感光缆2连接；所述套管7底端还设置管靴9，套管顶部与振动装置13固定连接，振动装置顶端通过卷扬机拉索10-2绕过机架定滑轮组8-2，与卷扬机14连接；所述机架定滑轮组8-2设置在机架17顶部；所述底座15上依次设置机架17、电动机12和卷扬机14，底座下设置行走机构16。

本实施例中，所述套管7采用高强度钢管，所述拉索10采用高强度钢绞线。所述套管顶端侧壁有两个对称的开孔，且套管7开孔处和光缆护锤5顶端分别安装有定滑轮，便于光缆的自由拖拽。所述光缆护锤5与套管7采用卡扣方式连接，沉管过程中保持固定，提管时自动脱离。所述电动机拉索10-1上设置一个测力计11，用来精确控制分布式传感光缆2的预拉应变。所述的光缆布设机1安装有行走机构16，可按照布设间距和布设顺序连续打孔，实现光缆的快速连续布设。

如附图2所示，本实施例提供的上述一种分布式传感光缆的随钻布设装置的布设方法，包括步骤如下：

1)清场：清理并平整场地，划分施工区域和施工通道，标出分界线；选定测量点，布设间距视工况而定，可选择2～10m；做好打设标记，编制安排布设顺序，可按照从下到上，从左到右的顺序依次布设；

2)就位：光缆布设机1沿着施工通道进入现场；将分布式传感光缆2装入光缆卷筒3，并通过套管7上端两侧的定滑轮组8-1，呈“U”型回路穿入套管，套管下端安装专用管靴9；“U”型光缆底端通过定滑轮4与光缆护锤5连接；光缆右侧出露部分通过光缆夹具6与电动机拉索10-1连接，同时拉索尾端布置一个测力计11，拉索另一端与电动机12连接；

3)沉管：启动电动机，拉索拖拽光缆，根据电动机拉索10-1上的测力计11读数对拉索轴力进行控制，实现光缆的精确预拉，使其具有一定的初始应变；将光缆护锤5对准标记点，启动振动装置13，振击套管7使压入地基直至规定深度；控制套管下沉速度为0.1～0.5m/s；

4)提管：达到规定深度后，停止振击，启动卷扬机14，提升套管7直至完全拔出，控制套管底端距离地面高度＞20cm；光缆及光缆护锤通过岩土体挤压被固定于孔内；钻孔直径＜50mm；

5)换锤：剪断套管内光缆左侧出露部分，并松开光缆右侧出露部分的光缆夹具6，控制“U”型光缆的外露长度为20cm；给套管内光缆2换上新的光缆护锤5，绕过其上的定滑轮4，通过光缆夹具6与套管内的拉索10-1连接；

6)移位：移动光缆布设机1至下一个标记点，启动电动机12，拉索10-1拖拽光缆2，使光缆呈“U”型布满套管7，对光缆与光缆护锤固定处进行热缩保护；重复以上操作3)～6)，进行下一轮布设；

7)监测：待所有分布式传感光缆布设完毕后，将所有光缆采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光缆22连接至光纤解调仪23接口上，进行实时的数据采集，形成分布式的岩土体监测网络。

本实施例中，所述的分布式传感光缆是8字形光缆，包括一根紧套光缆和一根松套光缆；其中紧套光缆用于感测岩土体的应变，光缆内部采用0.9mm直径的应变传感光纤18，光纤外部紧包高分子保护套19，光缆直径为3mm；松套光缆用于温度补偿，光缆内部采用0.9mm直径的温度传感光纤20，光纤外部松套金属管21，金属管外部包裹高分子保护套19，光缆直径为5mm，如附图3所示。

本实施例中，所述的边坡深部岩土体中布设而成的分布式监测网络，借助于光纤解调仪23内置的数据分析模块，对光信号进行实时的传输、解调和分析后，可以获得岩土体深部的温度和应变等参量的分布信息；利用光纤解调仪内置的无线信号传输模块，感测分析结果和预警信号将通过互联网+的方式，上传到云端，并迅速传送到用户的手机、平板、电脑和公共服务平台，如附图4所示。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，除此之外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换、等效变换和润饰改进形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种分布式传感光缆的随钻布设方法，其特征在于，包括步骤如下：

1）清场：清整场地，选定测量点，并做好打设标记，编制安排布设顺序；

2）就位：光缆布设机就位，将分布式传感光缆装入光缆卷筒，并通过套管上端两侧的滑轮，呈“U”型回路穿入套管，套管下端安装专用管靴；“U”型光缆底端与光缆护锤连接，光缆右侧出露部分通过光缆夹具与电动机拉索连接，电动机拉索上设置测力计，电动机拉索另一端与电动机连接；

3）沉管：拉紧光缆，对准标记点，采用振动法，将套管压入地基直至规定深度；

4）提管：达到规定深度后，提升套管直至完全拔出，光缆及光缆护锤通过岩土体挤压被固定于钻孔内；

5）换锤：剪断套管内光缆左侧出露部分，并松开光缆右侧出露部分的光缆夹具；给套管内光缆换上新的光缆护锤，绕过其上的定滑轮，通过光缆夹具与套管内的拉索连接；

6）移位：移动光缆布设机至下一个标记点，启动电动机，拉索拖拽光缆，使光缆呈“U”型布满套管，重复以上操作步骤3）到步骤6），进行下一轮布设；

7）监测：待所有分布式传感光缆布设完毕后，将所有光缆采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光缆连接至光纤解调仪接口上，进行实时的数据采集，形成分布式的岩土体监测网络。

2.根据权利要求1所述的分布式传感光缆的随钻布设方法，其特征在于，所述套管和钻孔的直径小于50mm。

3.根据权利要求1所述的分布式传感光缆的随钻布设方法，其特征在于，所述的分布式传感光缆与光缆护锤固定处进行热缩管保护。

4.根据权利要求1所述的分布式传感光缆的随钻布设方法，其特征在于，步骤2）和步骤5），所述光缆右侧出露部分与电动机拉索采用光缆夹具连接，只有换锤时松开光缆夹具，以更换新的光缆护锤，其余步骤保持夹紧。

5.用于权利要求1~4任一所述的分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，其特征在于，包括光缆布设机、分布式传感光缆；所述光缆布设机包括光缆卷筒、定滑轮、光缆护锤、套管、套管定滑轮组、管靴、机架定滑轮组、光缆夹具、电动机拉索、测力计、电动机、振动装置、卷扬机拉索、卷扬机、底座、行走机构和机架；所述分布式传感光缆一端与光缆卷筒连接，另一端通过套管定滑轮组和设于光缆护锤顶端的定滑轮穿过套管，并通过光缆夹具与电动机拉索连接，电动机拉索上设置测力计，光缆护锤设置于套管下与分布式传感光缆连接，所述套管底端还设置管靴，套管顶部与振动装置固定连接，振动装置顶端通过卷扬机拉索绕过机架定滑轮组，与卷扬机连接，机架定滑轮组设置在机架顶部，底座上依次设置机架、电动机和卷扬机，底座下设置行走机构。

6.根据权利要求5所述的用于分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，其特征在于，所述套管采用高强度钢管，所述拉索均采用高强度钢绞线。

7.根据权利要求5所述的用于分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，其特征在于，所述的分布式传感光缆是8字形光缆，包括一根紧套光缆和一根松套光缆；其中紧套光缆用于感测岩土体的应变，松套光缆用于温度补偿。

8.根据权利要求5所述的用于分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，其特征在于，所述套管顶端侧壁有两个对称的开孔，用于通过待布设的光缆。

9.根据权利要求5所述的用于分布式传感光缆的随钻布设方法中的装置，其特征在于，所述光缆护锤与套管采用卡扣方式连接，沉管过程中保持固定，提管时自动脱离。