CN108592813A - 一种深基坑开挖变形实时监测装置 - Google Patents

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岳夏冰
马豪豪
袁帅
牛亚鹏
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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object

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Abstract

本发明涉及一种深基坑开挖变形实时监测装置，包括光纤光栅解调仪、光纤Bragg光栅传感器、铠装光纤、测斜管和移动电脑，光纤光栅解调仪包括激光器、光探测器和耦合器，激光器、光探测器分别与耦合器电连接；测斜管通过预打的安装孔埋设在监测点位；光纤Bragg光栅传感器沿深度方向布设在测斜管表面凹槽内，光纤Bragg光栅传感器端部与铠装光纤相熔接，铠装光纤通过FC跳线与耦合器电连接，光探测器与外设的移动电脑电连接。本发明监测精度高，可达到微米级，远远超过常规测斜仪；其光纤Bragg传感器属于波长调制型，监测便捷、极大的提高了监测效率，降低了劳动成本，操作简单，经济成本低，可实现自动化实时监测，实用性好，值得推广。

Description

一种深基坑开挖变形实时监测装置
技术领域
本发明属于深基坑开挖过程中的变形监测技术领域，具体涉及一种深基坑开挖变形实时监测装置。
背景技术
由于岩土体及施工环境复杂多变、土压力计算理论、基坑设计和变形计算理论等的局限性，通过理论分析和数学方法计算基坑支护结构和周围土体、建筑物、管线等在基坑开挖过程中的变形仍存在很大的困难。深基坑工程在开挖过程中如果出现过大变形没有及时发现后果将极其严重。为确保工程安全顺利进行，在深基坑开挖过程中进行实时监测已经成为一项必不可少的重要环节。深基坑开挖过程中的监测项目主要有基坑周围土体及建筑物的变形、支护结构内力、地下水动态变化等内容，其中围护桩和基坑周围土体的深层水平位移是深基坑围护结构变形和受力的直观反应，是基坑安全的最重要的监测项目，通常采用埋设测斜管进行观测。这种监测方式目前应用仍然比较普遍，但是经过多年实际应用之后已落后于时代，存在如下几方面问题：
1、监测精度较低，测斜管的埋设状况、数据的采集过程和电磁波等都对监测数据有较大影响，数据波动大；
2、数据采集过程繁琐，测斜管的数据采集过程需要在同一个断面采集四次数据，并且无法实现自动采集，人工劳动量较大；
3、监测过程无法实现自动化。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种监测精度高、结构简单、可实现自动监测，且不受电磁干扰，数据稳定可靠，在降低监测成本的同时极大的提升了监测质量的深基坑开挖变形实时监测装置。
本发明的技术方案是：
一种深基坑开挖变形实时监测装置，包括光纤光栅解调仪、光纤Bragg光栅传感器、铠装光纤、测斜管和移动电脑，所述光纤光栅解调仪包括激光器、光探测器和耦合器，所述激光器、光探测器分别与耦合器电连接；所述测斜管通过预打的安装孔埋设在监测点位；所述光纤Bragg光栅传感器沿深度方向布设在测斜管表面凹槽内，所述光纤Bragg光栅传感器端部与铠装光纤相熔接，所述铠装光纤通过FC跳线与耦合器电连接，所述光探测器与外设的移动电脑电连接。
优选的，所述光纤光栅解调仪是MOI公司生产的SM130型光纤解调仪。
优选的，所述光纤Bragg光栅传感器的长度为10mm，间距50mm，封装后直径为1mm。
与现有技术相比，本发明的一种深基坑开挖变形实时监测装置，监测时，光纤光栅解调仪内的激光器发射光信号通过耦合器传递到铠装光纤后继续传递到光纤Bragg光栅传感器，光纤Bragg光栅传感器监测测斜管变形后反射光信号，反射光信号通过铠装光纤传递到解调仪内的光探测器，光探测器将信号传递给移动电脑进行记录分析，本发明的优点如下所示：
1、本发明的监测精度高，可达到微米级，远远超过常规测斜仪；
2、本发明的光纤Bragg传感器属于波长调制型，与传统测斜技术相比数据更加稳定。
3、本发明监测便捷、可实现自动化实时监测，极大的提高了监测效率，降低了劳动成本。
4、本发明操作简单，经济成本低，实用性好，值得推广。
附图说明
图1是本发明的连接结构框图；
图2是光纤Bragg光栅传感器布设的纵断面示意图；
图3是光纤Bragg光栅传感器布设的横断面示意图；
图4是光纤Bragg光栅传感器的温度传感特性曲线。
附图标记说明：
1、光纤光栅解调仪；2、激光器；3、光探测器；4、耦合器；5、光纤Bragg光栅传感器；6、铠装光纤；7、测斜管；8、移动电脑；9、FC跳线；10、安装孔；11、灌浆。
具体实施方式
本发明提供了一种深基坑开挖变形实时监测装置，下面结合图1到图4的结构示意图，对本发明进行说明。
如图1所示，本发明提供的一种深基坑开挖变形实时监测装置，包括光纤光栅解调仪1、光纤Bragg光栅传感器5、铠装光纤6、测斜管7和移动电脑8，所述光纤光栅解调仪1包括激光器2、光探测器3和耦合器4，所述激光器2、光探测器3分别与耦合器4电连接；所述测斜管7通过预打的安装孔10埋设在监测点位；所述光纤Bragg光栅传感器5沿深度方向布设在测斜管7表面凹槽内，所述光纤Bragg光栅传感器5端部与铠装光纤6相熔接，所述铠装光纤6通过FC跳线9与耦合器4电连接，所述光探测器3与外设的移动电脑8电连接。
进一步的，所述光纤光栅解调仪1是MOI公司生产的SM130型光纤解调仪。
进一步的，所述光纤Bragg光栅传感器5的长度为10mm，间距50mm，封装后直径为1mm。
如图1所示，本发明为一种深基坑开挖变形实时监测装置，包括光纤光栅解调仪1、光纤Bragg光栅传感器5、铠装光纤6、FC跳线9、测斜管7和移动电脑8。其中，所述光纤光栅解调仪1内置部件包括激光器2、光探测器3、耦合器4，所述激光器2、光探测器3分别连接耦合器4；测斜管7通过钻孔埋设到围护桩或者基坑周围土体中需要监测部位，光纤Bragg光栅传感器5封装在测斜管7表面的凹槽内并利用光纤焊接仪与铠装光纤6熔接，铠装光纤6通过FC跳线9连接到光纤光栅解调仪1，光纤光栅解调仪1与移动电脑8连接。
参见图2和图3，监测前，首先将光纤Bragg光栅传感器5封装在测斜管7表面的凹槽中，封装后的光纤Bragg光栅传感器5应与测斜管7轴向平行，确保传感器与测斜管同步变形，测斜管7埋设在安装孔10内，并用灌浆11紧固，测斜管7的埋设方法与常规测斜管埋设方法相同，埋设后应确保光纤跳线安全不被损坏。
监测时利用光纤跳线9连接光纤Bragg光栅传感器5与光纤光栅解调仪1，利用网线连接移动电脑8与光纤光栅解调仪1，传感器阵列当中的多个光纤Bragg光栅传感器5具有不同的中心波长λ1，λ2，λ3...λn，与测斜管上的各个监测部位一一对应，用以分别测试应变。
监测时由光纤光栅解调仪1内的激光器2发射光信号，经过耦合器4、FC跳线9和铠装光纤6传递到测斜管7表面的光纤Bragg光栅传感器5，基坑开挖后导致围护桩或者基坑周围土体变形引起测斜管7变形后导致光纤Bragg光栅传感器5反射的光信号中心波长变化，反射信号经铠装光纤6、FC跳线9传输到光纤光栅解调仪1内的耦合器4，最后由光探测器3读取后由移动电脑8记录分析，并通过反射波长变化可计算测斜管7变形。
其中，光纤光栅解调仪1采用美国MOI公司出产的SM130型光纤解调仪，其对光纤Bragg光栅反射波长的监测达到了微米量级的高分辨率。在监测过程中，光纤光栅解调仪1当中的光探测器3只需要探测到光纤Bragg光栅传感器反射波长的波峰的位置即可进行数据监测，对光强的波动不敏感，因此本监测技术比传统传感器具有更高的抗干扰能力。
其中，光纤Bragg光栅传感器5受传感器布设需求所限，本实施例不采用成品光纤传感器，采用裸光纤并将其封装在测斜管内部。
在具体的实施中，光纤Bragg光栅传感器5的光栅长度优选为20mm，纤芯直径9μm，包层外径为125μm，涂覆层外径250μm。
其中每个光纤Bragg光栅传感器5长50mm，直径5mm，与铠装光纤6通过光纤焊接机连接，顶端连接光纤FC跳线。
其中，在光纤Bragg光栅封装时需注意，光纤Bragg光栅传感器需要准确平直的放置在测斜管凹槽正中间，采用的胶粘剂凝固后的弹性模量应用测斜管接近以提高应变传递率，且要有较高的抗剪强度和耐久性。胶粘剂内不能存在气泡，否则胶粘剂凝固后会使光纤Bragg光栅产生不均匀变形，影响反射波峰。
其中，本发明中使用的铠装光纤6即传导光纤。
其中，本发明采用的铠装光纤是常规单芯室内铠装光纤，其结构从内到外为：光纤+芳纶+不锈钢软管+不锈钢编织丝+外护套。
其中，光纤+芳纶起抗拉作用。
其中，不锈钢软管起抗压、抗弯曲、防鼠咬的作用。
其中，不锈钢编织丝起抗扭的作用。
其中，外护套采用PVC等材料制作。
在测量过程中，温度对光纤Bragg光栅传感器反射波长也有影响，因此在监测过程中需要进行温度补偿，具体的温度补偿办法如下所示：
监测前，首先通过温度特性试验得到温度变化时光纤Bragg光栅传感器5中心波长的变化规律，测得其温度变化系数KT，其测量方法如下：将光纤Bragg光栅传感器放置在具有控温功能的保温箱中，连续调节保温箱温度同时利用解调仪记录光纤Bragg光栅波长变化，温度与中心波长的关系如图4所示。从图中可以看出，光纤Bragg光栅的中心波长与温度具有良好的线性关系，具有良好的重复性。中心波长为1549.74nm的光栅，温度每变化1℃，光栅中心波长变化10.9pm，即为光纤Bragg光栅传感器5的KT。测斜管埋设时，在测斜管上布设光纤Bragg光栅传感器5之后，在每个传感器5的同一位置上布设微型电子测温计，确保两者处于同一温度场中。然后在每一次测量光纤Bragg光栅中心波长变化的同时，测量温度变化ΔTt。应变引起的中心波长变化量为：ΔλBε＝ΔλB-KTΔTt，其中，ΔλB为光纤Bragg光栅中心波长的总变化量。
与现有技术相比，本发明的一种深基坑开挖变形实时监测装置，监测时，光纤光栅解调仪内的激光器发射光信号通过耦合器传递到铠装光纤后继续传递到光纤Bragg光栅传感器，光纤Bragg光栅传感器监测测斜管变形后反射光信号，反射光信号通过铠装光纤传递到解调仪内的光探测器，光探测器将信号传递给移动电脑进行记录分析。
本发明的一种深基坑开挖变形实时监测装置，监测精度高，可达到微米级，远远超过常规测斜仪；其光纤Bragg传感器属于波长调制型，与传统测斜技术相比数据更加稳定，监测便捷，极大的提高了监测效率，降低了劳动成本，操作简单，经济成本低，可实现自动化实时监测，实用性好，值得推广。
以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种深基坑开挖变形实时监测装置，其特征在于，包括光纤光栅解调仪(1)、光纤Bragg光栅传感器(5)、铠装光纤(6)、测斜管(7)和移动电脑(8)，所述光纤光栅解调仪(1)包括激光器(2)、光探测器(3)和耦合器(4)，所述激光器(2)、光探测器(3)分别与耦合器(4)电连接；所述测斜管(7)通过预打的安装孔(10)埋设在监测点位；所述光纤Bragg光栅传感器(5)沿深度方向布设在测斜管(7)表面凹槽内，所述光纤Bragg光栅传感器(5)端部与铠装光纤(6)相熔接，所述铠装光纤(6)通过FC跳线(9)与耦合器(4)电连接，所述光探测器(3)与外设的移动电脑(8)电连接。
2.根据权利要求1的一种深基坑开挖变形实时监测装置，其特征在于，所述光纤光栅解调仪(1)是MOI公司生产的SM130型光纤解调仪。
3.根据权利要求1的一种深基坑开挖变形实时监测装置，其特征在于，所述光纤Bragg光栅传感器(5)的长度为10mm，间距50mm，封装后直径为1mm。
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