CN108489456A - 隧道监测系统及隧道监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种隧道监测系统及隧道监测方法。其中，隧道监测系统包括：隧道；混凝土层，混凝土层铺设在隧道的壁面上；多个光纤监测件，光纤监测件设置在混凝土层内；解调仪，光纤监测件与解调仪连接。本发明解决了现有技术中的隧道的安全状态监测不方便的问题。

Description

隧道监测系统及隧道监测方法
技术领域
本发明涉及隧道监测技术领域，具体而言，涉及一种隧道监测系统及隧道监测方法。
背景技术
目前隧道施工中，普遍存在隧道顶板局部下沉的问题，隧道中拱顶的局部下沉可能引发隧道及周边建筑设施的重大安全风险或事故，但目前隧道安全检测技术手段、标准建设等方面仍处于探索阶段，使用的监测方法操作复杂、效率不高，且往往不能进行实时有效的监测，将现场状况实时的反馈出来。
目前主要的监测方法还是采用全站仪人工监测，然而，全站仪的监测需要人工逐点监测，耗时耗力，且不能实时监测，同时，监测精度与工作人员的操作有关，导致其测量误差较大，这导致了由于隧道局部沉降引起的工程事故频繁发生。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种隧道监测系统及隧道监测方法，以解决现有技术中的隧道的安全状态监测不方便的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种隧道监测系统，包括：隧道；混凝土层，混凝土层铺设在隧道的壁面上；多个光纤监测件，光纤监测件设置在混凝土层内；解调仪，光纤监测件与解调仪连接。
进一步地，隧道监测系统还包括防水层，防水层设置在隧道的壁面与混凝土层之间。
进一步地，隧道监测系统还包括挡板，挡板设置在混凝土层远离隧道的壁面的一侧以对混凝土层进行固定。
进一步地，光纤监测件包括：光纤传感器，至少两个支撑格栅，各支撑格栅叠置以在二者之间形成容纳光纤传感器的空间。
进一步地，光纤传感器的一部分位于空间内以感应应变和温度变化，光纤传感器的另一部分位于空间外仅感应温度变化。
进一步地，所有光纤监测件中的光纤传感器包括至少一根光纤，一部分光纤沿支撑格栅的梁结构盘绕在空间内，另一部分光纤的由空间内绕出并沿支撑格栅的梁结构盘绕在空间外，且盘绕在空间外的光纤的一端连接至解调仪。
进一步地，光纤监测件包括固定框，固定框设置在支撑格栅的周围，且固定框固定设置在挡板上。
进一步地，沿隧道的延伸方向依次间隔设置有多个光纤监测件。
进一步地，沿隧道的横截面的弯折方向依次间隔设置有多个光纤监测件。
根据本发明的另一方面，提供了一种隧道监测方法，采用上述隧道监测系统对隧道的受力情况进行监测，隧道监测方法包括：当隧道受力时，与隧道的受力段相对应的光纤监测件的光纤传感器的布里渊频率vB(ε)与光纤应变量ε之间的关系为：
其中，vB(0)为光纤传感器无应变时的布里渊频率，单位为赫兹，vB(ε)为光纤传感器产生应变时的布里渊频率，单位为赫兹，C11为应变系数
进一步地，当隧道受力时，光纤传感器受力的位置与光纤传感器的入射端之间的距离Z通过下式计算：
其中，c为真空中的光速，单位为米每秒，n为光纤的折射率，t为解调仪发出脉冲光与接收到散射光之间的时间间隔，单位为秒。
进一步地，当光纤监测件采集到的隧道的应变数据的变化量大于预设标准值时，隧道存在风险；当光纤监测件采集到的隧道的应变数据的变化量小于或等于预设标准值时，隧道安全。
进一步地，隧道监测方法还包括在开始监测前的施工步骤，施工步骤包括：待隧道开凿完成后，在隧道的壁面上铺设防水层；沿隧道的壁面设置挡板，且挡板与防水层之间预留有间隙；在间隙内安装光纤监测件后，向间隙内注入混凝土，并使混凝土充满间隙。
应用本发明的技术方案，将光纤监测件设置在混凝土层内，当隧道受力时，与隧道贴合的混凝土层也会发生相应的形变，设置在其中的光纤监测件也就要能够感受到相应的形变，并且相应的参数数值发生变化，解调仪接收并处理相应的参数变化，通过光纤监测件的监测数据的变化量来反映隧道的受力、温度等情况，上述结构能够实现对隧道的水压、沉降等受力情况以及隧道的温度变化进行实时监测，保证了隧道的安全。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的隧道监测系统的结构示意图；以及
图2示出了图1中的光纤监测件的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、隧道；20、混凝土层；30、光纤监测件；31、光纤传感器；32、支撑格栅；40、防水层；50、挡板。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中的隧道的安全状态监测不方便的问题，本发明提供了一种隧道监测系统及隧道监测方法。
如图1所示的一种隧道监测系统，包括隧道10、混凝土层20、多个光纤监测件30和解调仪，混凝土层20铺设在隧道10的壁面上；光纤监测件30设置在混凝土层20内；光纤监测件30与解调仪连接。
具体地，将光纤监测件30设置在混凝土层20内，当隧道10受力时，与隧道10贴合的混凝土层20也会发生相应的形变，设置在其中的光纤监测件30也就要能够感受到相应的形变，并且相应的参数数值发生变化，解调仪接收并处理相应的参数变化，通过光纤监测件30的监测数据的变化量来反映隧道10的受力、温度等情况，上述结构能够实现对隧道10的水压、沉降等受力情况以及隧道10的温度变化进行实时监测，保证了隧道10的安全。
如图1所示，隧道监测系统还包括防水层40，防水层40设置在隧道10的壁面与混凝土层20之间，防水层40能够防止隧道10侧壁内的水分渗透到混凝土层20中，延长混凝土层20的寿命。
本实施例的隧道监测系统还包括挡板50，挡板50设置在混凝土层20远离隧道10的壁面的一侧以对混凝土层20进行固定。挡板50作为分隔件，将隧道10壁面上的各附着层与隧道10内的空腔分隔开来，以保证隧道10的正常使用，同时便于混凝土层20的浇筑。
如图2所示，光纤监测件30包括光纤传感器31和支撑格栅32，光纤传感器31与解调仪连接；支撑格栅32为至少两个，各支撑格栅32叠置以在二者之间形成容纳光纤传感器31的空间。
具体地，支撑格栅32为两个，两个支撑格栅32具有网格结构，并且相互叠置使得二者形成一个整体，光纤传感器31不仅能够绕设在支撑格栅32外，还能够设置在两个支撑格栅32之间，从而对多个变量进行监测，保证监测的准确性。
在本实施例中，所有光纤监测件30中的光纤传感器31包括至少一根光纤，一部分光纤沿支撑格栅32的梁结构盘绕在空间内，另一部分光纤由空间内绕出并沿支撑格栅32的梁结构盘绕在空间外，且盘绕在空间外的光纤的一端连接至解调仪。
具体地，光纤传感器31为两根光纤，其中一根绕经在支撑格栅32的整体的外部，并且支撑格栅32的每一根梁结构上均绕设有该光纤，该部分光纤仅能够监测隧道10的温度的变化，实现对温度的实时监测。另一根光纤设置在两个支撑格栅32之间，当支撑格栅32发生形变时，设置在两个支撑格栅32之间的光纤也发生弯折，进而光纤中的光的散射也发生变化，对应的布里渊频移随之改变，根据布里渊频移的改变量即可计算出相应的光纤应变量，即可得到光纤监测件30的应变量。此处需要说明的是，由于设置在支撑格栅32内的光纤也会受到温度的影响，因此该部分光纤的布里渊频移的一部分改变是由于到温度的影响产生的，在实际计算时，通过绕设在支撑格栅32外部的光纤对设置在支撑格栅32内的光纤进行温度补偿，从而对光纤应变量进行温度补偿校正，以保证监测的准确性。
例如，一个格栅中设置有总长100m的两根光纤，0-50m段的光纤是设置在支撑格栅32内的，作为应变感测光纤，另外50-100m段的光纤绕设在支撑格栅32的外部，作为温度补偿光纤。在计算时，首先将0-50段的监测数据减去51-100m段的监测数据，将应变感测光纤中因温度变化而引起的应变变化剔除，即进行温度补偿校正。然后将剔除后的应变数据记录，并将51-100m段的温度数据记录，作为时间A的应变/温度数据。然后过一段时间继续测试，用同样的方式得到时间B的应变/温度数据，并将其与时间A的应变/温度数据对比，得到应变/温度的变化量。根据该变化量来判断隧道10该处是否有危险。
光纤绕设完成后，两根光纤通过熔接的方式连接成一个整体，整体的一端与解调仪的发出脉冲光的出光端连接，另一端与解调仪接收散射光的接收端连接，使用时解调仪会向光纤中射入脉冲光，脉冲光在光纤中不断反射和散射，最后被解调仪的接收端接收，并进行相应的数据分析和处理，计算得到隧道10应变发生的位置和应变量。
本实施例中的光纤监测件30还可以采用其他种类的传感器，比如选择布里渊光时域反射传感器、布里渊光频域分析传感器或布里渊光时域分析传感器。
可选地，光纤监测件30包括固定框，固定框设置在支撑格栅32的周围，且固定框固定设置在挡板50上。由于支撑格栅32的四周是固定的，因而发生形变的主要部分为支撑格栅32的中间部分。当然光纤监测件30并不一定要固定在挡板50上，并且固定方式也不局限于上述的方式。
如图1所示，沿隧道10的延伸方向依次间隔设置有多个光纤监测件30，并且沿隧道10的横截面的弯折方向依次间隔设置有多个光纤监测件30。也就是说，在混凝土层20内均布设置有光纤监测件30，使得隧道10的顶部和侧壁均能够在监测范围内，从而使得隧道监测系统不仅能够监测隧道10顶板的沉降，还能够监测隧道10侧壁的形变和水压，大大提高了监测范围，保证了隧道10的安全运营。
本发明还提供了一种隧道监测方法，采用了上述隧道监测系统对隧道10的受力情况进行监测，隧道监测方法包括在开始监测前的施工步骤，施工步骤包括：待隧道10开凿完成后，在隧道10的壁面上铺设防水层40；沿隧道10的壁面设置挡板50，且挡板50与防水层40之间预留有间隙；在间隙内安装光纤监测件30后，向间隙内注入混凝土，并使混凝土充满间隙。
本实施例的光纤监测件30的监测原理如下：
当光纤某一部分受力使得其应变发生变化时，对应的布里渊频移随之变化，调谐使两抽运光的频差等于新的布里渊频移，解调仪便能接收到该点的布里渊散射信号，检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频差，进而确定应变信息，实现分布式传感监测。
当隧道10受力时，与隧道10的受力段相对应的光纤监测件30的光纤传感器31的布里渊频率vB(ε)与光纤应变量ε之间的关系为：
其中，vB(0)为光纤传感器31无应变时的布里渊频率，单位为赫兹，vB(ε)为光纤传感器31产生应变时的布里渊频率，单位为赫兹，C11为应变系数其值与光纤有关且为常数，ε的单位为帕斯卡。
通过上述计算公式就能够计算出光纤应变量ε的值，也就能够确定隧道10发生形变处的应变量。
当隧道10受力时，光纤传感器31受力的位置与光纤传感器31的入射端之间的距离Z通过下式计算：
其中，c为真空中的光速，单位为米每秒，n为光纤的折射率，即光在真空中的传播速度与光在该光纤中的传播速度之比，t为解调仪发出脉冲光与接收到散射光之间的时间间隔，单位为秒，Z的单位为米。
通过上述公式就能够计算出光纤弯折处的位置与光纤的脉冲光射入的一端之间的距离，也就能够确定隧道10发生形变处的位置。
根据上述两个公式计算出受力位置和应变量后，判断隧道10是否存在风险，当光纤监测件30采集到的隧道10的应变数据的变化量大于预设标准值时，隧道10存在风险；当光纤监测件30采集到的隧道10的应变数据的变化量小于或等于预设标准值时，隧道10安全。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、解决了现有技术中的隧道的安全状态监测不方便的问题；
2、采用分布式光纤传感器监测技术，可以实现对隧道局部沉降进行实时监测；
3、光纤隧道监测系统结构简单、测量数据精确，抗干扰能力强。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种隧道监测系统，其特征在于，包括：
隧道(10)；
混凝土层(20)，所述混凝土层(20)铺设在所述隧道(10)的壁面上；
多个光纤监测件(30)，所述光纤监测件(30)设置在所述混凝土层(20)内；
解调仪，所述光纤监测件(30)与所述解调仪连接。
2.根据权利要求1所述的隧道监测系统，其特征在于，所述隧道监测系统还包括防水层(40)，所述防水层(40)设置在所述隧道(10)的壁面与所述混凝土层(20)之间。
3.根据权利要求2所述的隧道监测系统，其特征在于，所述隧道监测系统还包括挡板(50)，所述挡板(50)设置在所述混凝土层(20)远离所述隧道(10)的壁面的一侧以对所述混凝土层(20)进行固定。
4.根据权利要求3所述的隧道监测系统，其特征在于，所述光纤监测件(30)包括：
光纤传感器(31)，所述光纤传感器(31)与所述解调仪连接；
至少两个支撑格栅(32)，各所述支撑格栅(32)叠置以在二者之间形成容纳所述光纤传感器(31)的空间。
5.根据权利要求4所述的隧道监测系统，其特征在于，所述光纤传感器(31)的一部分位于所述空间内以感应应变和温度变化，所述光纤传感器(31)的另一部分位于所述空间外仅感应温度变化。
6.根据权利要求5所述的隧道监测系统，其特征在于，所有所述光纤监测件(30)中的所述光纤传感器(31)包括至少一根光纤，一部分所述光纤沿所述支撑格栅(32)的梁结构盘绕在所述空间内，另一部分所述光纤由所述空间内绕出并沿所述支撑格栅(32)的梁结构盘绕在所述空间外，且盘绕在所述空间外的所述光纤的一端连接至所述解调仪。
7.根据权利要求5所述的隧道监测系统，其特征在于，所述光纤监测件(30)包括固定框，所述固定框设置在所述支撑格栅(32)的周围，且所述固定框固定设置在所述挡板(50)上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的隧道监测系统，其特征在于，沿所述隧道(10)的延伸方向依次间隔设置有多个所述光纤监测件(30)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的隧道监测系统，其特征在于，沿所述隧道(10)的横截面的弯折方向依次间隔设置有多个所述光纤监测件(30)。
10.一种隧道监测方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项的所述隧道监测系统对隧道(10)的受力情况进行监测，所述隧道监测方法包括：
当所述隧道(10)受力时，与所述隧道(10)的受力段相对应的光纤监测件(30)的光纤传感器(31)的布里渊频率vB(ε)与光纤应变量ε之间的关系为：
其中，vB(0)为所述光纤传感器(31)无应变时的布里渊频率，单位为赫兹，vB(ε)为所述光纤传感器(31)产生应变时的布里渊频率，单位为赫兹，C11为应变系数
11.根据权利要求10所述的隧道监测方法，其特征在于，当所述隧道(10)受力时，所述光纤传感器(31)受力的位置与所述光纤传感器(31)的入射端之间的距离Z通过下式计算：
其中，c为真空中的光速，单位为米每秒，n为光纤的折射率，t为解调仪发出脉冲光与接收到散射光之间的时间间隔，单位为秒。
12.根据权利要求10所述的隧道监测方法，其特征在于，
当所述光纤监测件(30)采集到的所述隧道(10)的应变数据的变化量大于预设标准值时，所述隧道(10)存在风险；
当所述光纤监测件(30)采集到的所述隧道(10)的应变数据的变化量小于或等于所述预设标准值时，所述隧道(10)安全。
13.根据权利要求10所述的隧道监测方法，其特征在于，所述隧道监测方法还包括在开始监测前的施工步骤，所述施工步骤包括：
待所述隧道(10)开凿完成后，在所述隧道(10)的壁面上铺设防水层(40)；
沿所述隧道(10)的壁面设置挡板(50)，且所述挡板(50)与所述防水层(40)之间预留有间隙；
在所述间隙内安装所述光纤监测件(30)后，向所述间隙内注入混凝土，并使所述混凝土充满所述间隙。
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