CN107843195A - 一种活动断裂带隧道结构变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活动断裂带隧道结构变形监测系统及方法，其中，系统包括现场端；在现场端围绕活动断裂带变形缝布置位移测点，每个位移测点都设置有光纤光栅位移传感器、加速度传感器；光纤光栅位移传感器通和加速度传感器通过多芯光纤连接至隧道口监测中心光纤数据采集仪；所述光纤数据采集仪通过GPRS/3G模块连接到互联网络，所述互联网络再连接到监测信息处理平台以及局域网络。本发明能长期监测活动断裂运动对隧道的影响，为运营期间地震尤其是活动断层滑动引发的安全问题进行评估和预警，以供运营部门维护决策时参考。

Description

一种活动断裂带隧道结构变形监测系统及方法

技术领域

本发明涉及长大隧道活动断裂带的监测领域，具体涉及一种活动断裂带隧道结构变形监测系统及方法。

背景技术

隧道尤其是长大隧道在穿越活动断裂带时，活动断裂的运动将对隧道结构稳定和运营安全造成严重危害。该运动表现为两种模式：一是地震时的岩层突发破裂，二是活动断层的相对滑动。前者主要引起隧道结构的振动破坏，后者引起剪切破坏。其中，活动断层滑动引起的剪切破坏是一种长期积累的效应，对所穿隧道的结构稳定性将构成严重威胁。由于活动断裂的运动具有时间的不确定性和长期性，它对隧道的长期影响，对穿越活动断裂带的隧道在运营期间带来的安全性问题至关重要。

活动断裂带运动表现为两种模式：一是地震时的岩层突发破裂，二是不伴随地震的断层缓慢错动。它对隧道结构的影响如图1所示，其中，地震引起的岩层突发破裂具有时间和位置的不确定性，它主要造成结构振动破坏。而活动断层滑动引起的剪切破坏则是一种长期积累的效应，这种断层上下盘相对滑动带来的剪切破坏力，人工结构措施很难抵御，当隧道穿越活动断层时给隧道结构稳定和运营安全带来危险的不安定因素。

针对活动断裂运动对隧道结构影响的监测研究，目前主要集中在第一种运动模式的地震监测方面，采取方法是观测地震发生时加速度响应和结构应变的情况(英国、日本)。但上述地震监测并不是针对隧道穿越具体活动断裂带来开展。对于第二种运动模式，国内开展了GPS和钻孔应变监测活动断裂蠕滑引起的地层变形，但对隧道穿越活动断裂带的影响，国内外则均未发现开展过相关监测项目，没有这方面数据，其影响特性和变化规律也不清楚。

针对活动断裂运动引起的隧道剪切破坏问题，目前研究主要基于数值模拟方法，缺乏测试数据尤其是原位长期监测数据的支撑。因此，针对目前铁路长大隧道穿越活动断裂尤其是5.12强震效应区的工程背景，十分有必要建立一套监测系统来长期监测活动断裂运动对隧道的影响，为运营期间地震尤其是活动断层滑动引发的安全问题进行评估和预警。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种活动断裂带隧道结构变形监测系统及方法，长期监测活动断裂运动对隧道的影响，为运营期间地震尤其是活动断层滑动引发的安全问题进行评估和预警，以供运营部门维护决策时参考。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种活动断裂带隧道结构变形监测系统，包括现场端；

在现场端围绕活动断裂带变形缝布置位移测点，每个位移测点都设置有光纤光栅位移传感器、加速度传感器；所述光纤光栅位移传感器用于测定变形缝的竖向剪切变形τ_z、横向剪切变形τ_x和纵向伸缩变形u_y；

光纤光栅位移传感器通过传感器安装装置布置在监测断面水沟盖板上，光纤光栅位移传感器通和加速度传感器通过多芯光纤连接至隧道口监测中心光纤数据采集仪，所述光纤数据采集仪完成隧道监测断面光纤光栅位移、加速度传感器参数设置及数据采集、转换和分析；

所述光纤数据采集仪通过GPRS/3G模块连接到互联网络，所述互联网络再连接到监测信息处理平台以及局域网络。

根据上述方案，所述光纤数据采集仪的光纤光栅信号处理器是基于扫描激光器SLD的步进光源扫描技术实现光纤光栅波长解调。

根据上述方案，所述监测信息处理平台包括数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元、报警单元以及保存单元。

根据上述方案，所述位移测点的具体布置是：利用变形缝环上各点剪切变形具有同步性，在边墙下部衬砌内表面上布点。

一种活动断裂带隧道结构变形监测方法，包括以下步骤：

围绕活动断裂带变形缝布置位移测点，监测活动断裂带变形缝及非断裂带变形缝参考测点的剪切位移、张开位移、闭合位移；

光纤光栅位移传感器通过传感器安装装置布置在监测断面水沟盖板上，光纤光栅位移传感器通和加速度传感器通过多芯光纤将数据传输至隧道口监测中心光纤数据采集仪；

光纤数据采集仪完成隧道监测断面光纤光栅位移、加速度传感器参数设置及数据采集、转换和分析，并按预设模式通过GPRS/3G模块将监测数据通过Internet上传至数据中心服务器；

用户使用计算机客户端或智能移动终端通过Internet访问活动断裂带隧道结构变形监测信息处理平台，实现监测数据实时查看、分析及预警。

进一步的，所述数据中心服务器完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制。

进一步的，所述预警具体是：以变形缝变形和衬砌加速度监测值作为监控对象，取其极限值为不超过控制限值，并设置不同级别安全系数，据此提出预警管理分级指标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)提出活动断裂带隧道监测的基本原则和监测方法，建立针对活动断裂带的隧道长期监测系统，在穿越活动断裂带的隧道运营监测中首次提出围绕活动断裂带中设置的衬砌变形缝的三向位移开展监测，可直接反映活动断裂带运动对隧道结构的影响程度。

2)提出活动断裂运动对隧道结构的影响特性，取得活动断裂带中地震强度与衬砌振动的关系、断层滑动引起的剪切破坏特性，建立预警模式对活动断裂带隧道安全影响进行评估和预警。

附图说明

图1为活动断裂带运动对隧道结构的影响。

图2为监测系统总体方案图。

图3为监测系统示意图。

图4为光纤光栅波长原理框图。

图5为样条插值法获得精细光谱原理示意图。

图6为光纤数据采集仪原理框图。

图7为数据处理结构图。

图8为探测器软件总体软件流程。

图9为数据采集线程流程。

图10为数据处理流程。

图11为活动断裂带监测沿变形缝环向布置测点图。

图12为沿断层滑动方向底板及其附近点位变形的同步性。

图13为在衬砌表面布置传感器测定变形缝三维变形图。

图14为本发明中计算相关关系之示意图一。

图15为本发明中计算相关关系之示意图二。

图4中：1—SLD扫描光源；2—光纤耦合器；3—被测光纤光栅；4—PLC分光器实现多路检测；5—光信号探测器；6—数据处理器件；7—显示；

图12中，需注意的是：1：A、B、C具同步性，但C无法安装位移传感器；2：铺底设置变形缝时，D可与A、B、C同步，但存在受列车运行干扰及有砟轨道下无法安装传感器的问题。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明监测系统针对隧道运营期间活动断裂带运动对隧道结构的影响，在穿越活动断裂带的隧道运营监测中首次提出围绕活动断裂带变形缝的剪切位移和张开、闭合位移的监测系统，该系统可直接反映活动断裂带运动对隧道结构的破坏程度。该系统既监测活动断裂带隧道变形缝长期缓慢蠕变，又监测地震时剧烈震动。传感器需同时监测三维方向变化，而光纤光栅类位移传感器仅能实现单维测试，针对此需求研制的一体式传感器安装装置，满足各种宽度变形缝安装要求，避免三个传感器单独安装造成测试分量流失，同时便于现场施工安装。

本发明监测系统针对隧道运营期间活动断裂带运动对隧道结构的影响，在隧道穿越活动断裂带的运营监测中首次提出围绕活动断裂带变形缝的剪切位移和张开、闭合位移的监测系统，该系统可直接反映活动断裂带运动对隧道结构的破坏程度。

(一)监测系统

(1)系统架构

活动断裂带隧道监测系统的总体方案，如图2所示，它由现场端和监控端两部分设备组成。图2中τ_z、τ_x、u_y传感器分别用于测定变形缝的竖向剪切变形τ_z、横向剪切变形τ_x和纵向伸缩变形u_y(参见图11)。

本发明监测系统通过围绕活动断裂带变形缝布置位移测点，监测活动断裂带变形缝及非断裂带变形缝参考测点的剪切位移和张开、闭合位移。光纤光栅位移传感器通过一体式传感器安装装置布置在监测断面水沟盖板上1米位置，多断面传感器通过多芯光纤连接至隧道口监测中心光纤数据采集仪(AFTMS-I活动断裂带隧道监测系统光纤光栅数据采集仪)；光纤数据采集仪完成隧道监测断面光纤光栅位移、加速度传感器参数设置及数据采集、转换和分析，并按预设模式通过GPRS/3G模块将监测数据通过Internet上传至数据中心服务器；用户使用计算机客户端或智能移动终端通过Internet访问活动断裂带隧道结构变形监测信息处理平台，实现监测数据实时查看、分析及预警。

(2)光纤数据采集仪

本发明监测系统光纤光栅信号处理器采用的是基于扫描激光器SLD的步进光源扫描技术来实现光纤光栅波长解调技术。图4为光纤光栅波长解调原理框图，扫描激光器SLD按照2pm间隔发出特定波长的光源，光源通过耦合器传导到外部被测光纤光栅上，光纤光栅反射谱再通过耦合器传导到PLC器件的输入端。光信号功率由光电探测器探测，由数据处理部分通过一定的算法实现光栅反射光谱峰值波长检测，达到光纤光栅波长检测目的。

光纤光栅反射谱信号，送入光信号功率探测器，在扫描光源的作用下将获得各波长点处的光功率，其中极大值光功率点的位置就是光纤光栅的中心波长。探测阵器各波长点的光功率还是相当“稀疏”(见图5中实心圆点)，通过这些点状包络还很难对应到光栅峰值位置。通过一定的算法(如三次样条插值)，我们会得到较精确的光栅峰值位置(图5中虚线)。

(3)采集系统软件框架与流程

各段面传感器串联后汇入主光缆，信号由主光缆进入采集站的光纤数据采集仪设备，数据处理与控制子系统完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制等工作。数据处理与控制子系统在整个系统中起到承前启后的重要作用，其具有以下几个功能：监测数据的校验；数据的初步分析；数据的结构化以及存储、查询、可视化；能够响应后续功能模块对数据的请求；能够控制传感器子系统的采样。

根据数据处理结构，系统软件主要模块功能包括：数据采集部分、数据处理部分以及数据显示、报警与保存五部分组成。

(二)监测系统测点布置

针对活动断裂带的监测，将围绕衬砌变形缝的三维变形τ_z、τ_x、u_y的测定来开展，详述如下。

(1)测点布置

如图11、图12所示，不论逆冲还是走滑断裂其滑移优势方向上的衬砌剪切变形均可测出(包括竖向τ_z和水平横向τ_x剪切变形以及纵向伸缩变形u_y)。要点是：利用变形缝环上各点剪切变形具有同步性在边墙下部衬砌内表面上布点，可避开底部不能布点的问题(如图11所示)。该方法满足可维护原则，不影响在已建和运营隧道安装传感器，同时左右边墙对称布点，可冗余观测以增强系统可靠性。

(2)传感器布置方式

传感器布置需准确测出衬砌变形缝上的竖向剪切变形τ_z、横向剪切变形τ_x和纵向伸缩变形u_y，这是获取活动断裂运动优势方向上衬砌剪切变形的关键。

从可维护原则和不破坏衬砌变形缝出发，解决方案是在衬砌表面布置表面安装型位移传感器来测定变形缝的三维变形，要求传感器围绕变形缝但不破坏变形缝安装于衬砌内表面上。据此提出传感器布置方式，如图13所示。它不用在施工衬砌中预埋，因此特别适用于已建和运营隧道。

(三)测试数据换算及数据对齐处理

(1)坐标系及参数

X-O-Z——建立在隧道横断面上的铅锤坐标系，X：水平轴，Z：铅锤轴，O：测点中心。

X’-O-Z’——建立在隧道横断面上的传感器坐标系，X’：X’向传感器轴，视为测点中心处衬砌内轮廓的切线方向，Z’：Z’向传感器轴，视为测点中心处衬砌内轮廓的法线方向。

C——滑移矢量在隧道横断面上的投影(大小及角度)，本计算不考虑具体指向。

α——滑移矢量投影C在铅锤坐标系X-O-Z中的倾角(X轴逆时针转向该投影，0°～180°)。

C_X、C_Z——滑移矢量投影C在铅锤坐标系X-O-Z上的投影分量。

C_X’、C_Z’——量测位移，为滑移矢量投影C在传感器坐标系X’-O-Z’上的投影分量。

β——传感器坐标系X’-O-Z’在铅锤坐标系X-O-Z中的倾角(X轴逆时针转向X’轴，0°～180°)。

上述参数中，C_X’、C_Z’、β为已知量，其中C_X’、C_Z’由量测值计算，β由测点中心高度按设计衬砌内轮廓线确定。C、α、C_X、C_Z为待求量。

(2)相关关系

图14中，衬砌左点和右点随断裂带运动引起的位移，根据一致性认知，应有：

C_左＝C_右＝C (1)

图15中，滑移投影矢量C在两坐标系中的投影分量有：

C_X/cosα＝C_Z/sinα＝C_X’/cos(α-β)＝C_Z’/sin(α-β)＝C (2)

C_X ²+C_Z ²＝C_X’ ²+C_Z’ ²＝C² (3)

左右测点埋设高度相同时，设计衬砌内轮廓的左点和右点的传感器坐标系倾角有：

β_左+β_右＝180° (4)

实际安装可用倾角计进行校核。当用模板台车施做衬砌时，可基本保证与设计内轮廓的一致性，满足式(4)关系。

(3)计算待求量

由式(3)得：

由式(2)、式(5)得：

α＝arctg(C_Z’/C_X’)+β(0°<α<180°) (6)

C_X＝C·cosα (7)

C_Z＝C·sinα (8)

式(6)中，α、β均为角度制单位，arctg(C_Z’/C_X’)应换算为角度制单位。

(4)校核

式(1)是由断裂带中的人工结构随断裂带运动具有一致性的认知所确定的关系。可按该式校核左右两点的测试结果。根据该关系，一般情况衬砌断面上布置一个测点即可(冗余布点除外)。

影响一致性测试成果的因素：①传感器支架工艺的一致性；②传感器的一致性；③传感器支架安装位置的一致性(安装高度的差异、与铅锤面的一致性)。

(5)量测位移

光纤光栅位移传感器输出数据为波长，按出厂标定参数计算得到量测值。量测值需根据传感器初值情况计算得到量测位移。

量测位移由布置在测点内轮廓切线(X’轴)、法线(Z’轴)和隧道纵轴(Y轴)方向上的三向传感器的量测值确定，反映滑移矢量在X’、Y’(＝Y)、Z’三轴上的投影，三向传感器测定的各向量测位移为：

C_X’＝X’_i-X’₀+C_X’0 (9)

C_Y’＝Y’_i-Y’₀+C_Y’0＝C_Y (10)

C_Z’＝Z’_i-Z’₀+C_Z’0 (11)

式中：

C_X’、C_Y’、C_Z’——分别为X’、Y’、Z’向传感器给出的量测位移，Y’与Y同轴，故C_Y’＝C_Y，单位mm；

X’_i、Y’_i、Z’_i——分别为X’、Y’、Z’向传感器的第i次量测值(即实际采集值)，单位mm，大小为0～50；

X’₀、Y’₀、Z’₀——分别为X’、Y’、Z’向传感器的初始量测值，首次量测时约为25mm(组装支架时将传感器的初始量测值设定在25mm处)；

C_X’0、C_Y’0、C_Z’0——分别为X’、Y’、Z’向的既有位移值，分两种情况考虑：当传感器位置未调整时(量测值位于5mm～45mm之间)，该项为零，式中初始量测值为首次量测值；传感器位置调整时(量测值≤5mm、≥45mm时即进行调整)，该项取调整前最后一次量测的位移值，式中初始量测值取调整后首次量测值。C_X’0、C_Y’0、C_Z’0由人工录入，由隧道管理员权限进行，确认炒作后同步至现场数据采集仪。

(6)换算位移

由量测位移换算到铅锤坐标系X-O-Z上的位移，反映滑移矢量X、Z轴上的投影，按式(5)～式(8)计算。

(7)滑移矢量在隧道横断面及隧道纵轴上的投影，前者按式(5)计算大小，方向按式(6)计算；后者按式(10)计算。

(四)数据分析及预警判断

(1)数据分析

本发明监测系统通过对监测数据进行分析来掌握活动断裂带运动对隧道衬砌影响的特性：增长速率、增长特性、分布特点等。

①按统计方法获取选定活动断裂带地震时的加速度—衬砌剪切变形关系，以及地震强度—衬砌振动程度关系。

②通过曲线拟合获取活动断层中衬砌剪切变形规律(包括时间曲线和纵向分布曲线)，拟合方法采用回归分析、时间序列和灰色理论进行。

③通过曲线拟合预测结构变形最大值。

(2)预警判断

预警模式：以变形缝变形和衬砌加速度监测值作为监控对象，取其极限值为不得超过的控制限值并设置不同级别安全系数，据此提出预警管理分级指标。

极限值判断：从结构和运营两方面安全因素考虑，当以下因素有一个不满足安全要求时，对应的变形缝变形和衬砌加速度监测值即考虑设为极限值：①衬砌破损程度，如开裂(裂纹宽度指标)、剥层等；②变形缝破损状态，如出现渗漏、橡胶带撕裂等；③线路平顺度影响(包括水平横向和垂直方向)，如变形缝错台(高度指标)。以上各情况需根据不同隧道及线路速度等因素单独确定。

Claims (7)

1.一种活动断裂带隧道结构变形监测系统，其特征在于，包括现场端；

在现场端围绕活动断裂带变形缝布置位移测点，每个位移测点都设置有光纤光栅位移传感器、加速度传感器；所述光纤光栅位移传感器用于测定变形缝的竖向剪切变形τ_z、横向剪切变形τ_x和纵向伸缩变形u_y；

光纤光栅位移传感器通过传感器安装装置布置在监测断面水沟盖板上，光纤光栅位移传感器通和加速度传感器通过多芯光纤连接至隧道口监测中心光纤数据采集仪，所述光纤数据采集仪完成隧道监测断面光纤光栅位移、加速度传感器参数设置及数据采集、转换和分析；

所述光纤数据采集仪通过GPRS/3G模块连接到互联网络，所述互联网络再连接到监测信息处理平台以及局域网络。

2.如权利要求1所述的一种活动断裂带隧道结构变形监测系统，其特征在于，所述光纤数据采集仪的光纤光栅信号处理器是基于扫描激光器SLD的步进光源扫描技术实现光纤光栅波长解调。

3.如权利要求1所述的一种活动断裂带隧道结构变形监测系统，其特征在于，所述监测信息处理平台包括数据采集单元、数据处理单元、数据显示单元、报警单元以及保存单元。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种活动断裂带隧道结构变形监测系统，其特征在于，所述位移测点的具体布置是：利用变形缝环上各点剪切变形具有同步性，在边墙下部衬砌内表面上布点。

5.一种活动断裂带隧道结构变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

围绕活动断裂带变形缝布置位移测点，监测活动断裂带变形缝及非断裂带变形缝参考测点的剪切位移、张开位移、闭合位移；

光纤光栅位移传感器通过传感器安装装置布置在监测断面水沟盖板上，光纤光栅位移传感器通和加速度传感器通过多芯光纤将数据传输至隧道口监测中心光纤数据采集仪；

光纤数据采集仪完成隧道监测断面光纤光栅位移、加速度传感器参数设置及数据采集、转换和分析，并按预设模式通过GPRS/3G模块将监测数据通过Internet上传至数据中心服务器；

用户使用计算机客户端或智能移动终端通过Internet访问活动断裂带隧道结构变形监测信息处理平台，实现监测数据实时查看、分析及预警。

6.如权利要求5所述的一种活动断裂带隧道结构变形监测方法，其特征在于，所述数据中心服务器完成监测数据的校验、结构化存储、管理、可视化以及对监测采样的控制。

7.如权利要求5或6所述的一种活动断裂带隧道结构变形监测方法，其特征在于，所述预警具体是：以变形缝变形和衬砌加速度监测值作为监控对象，取其极限值为不超过控制限值，并设置不同级别安全系数，据此提出预警管理分级指标。