CN108709536A - 隧道断面沉降监测装置及隧道断面沉降监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隧道断面沉降监测装置及隧道断面沉降监测方法。其中，隧道断面沉降监测装置包括：光纤光栅液位计，光纤光栅液位计与解调仪连接；管体，光纤光栅液位计设置在管体内，管体盘设在隧道的断面上；多个固定件，管体通过固定件与隧道的内壁连接；泵体，泵体与管体的一端连接以向管体中通入液体。本发明解决了现有技术中的隧道断面沉降监测不方便的问题。

Description

隧道断面沉降监测装置及隧道断面沉降监测方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体而言，涉及一种隧道断面沉降监测装置及隧道断面沉降监测方法。

背景技术

在隧道施工中，普遍存在施工期隧道断面沉降难以监测的问题。隧道施工期沉降可能引发隧道塌方，施工人员自身的生命安全，及后续隧道通车后难以处理的安全事故。目前针对隧道掌子面到二衬之间施工期隧道断面的沉降没有很好的监测沉降方法，目前主要的方式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，而且施工期这段隧道安全问题难以等到全面的控制，导致了由于施工期隧道沉降监测困难，安全问题频发的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种隧道断面沉降监测装置及隧道断面沉降监测方法，以解决现有技术中的隧道断面沉降监测不方便的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种隧道断面沉降监测装置，包括：光纤光栅液位计，光纤光栅液位计与解调仪连接；管体，光纤光栅液位计设置在管体内，管体盘设在隧道的断面处的内壁上；多个固定件，管体通过固定件与隧道的内壁连接；泵体，泵体与管体的一端连接以向管体中通入液体。

进一步地，管体沿内壁呈倒U形结构。

进一步地，管体的至少一端朝向上设置。

进一步地，管体的第一端朝上并向下延伸至内壁的底部后折弯，而后沿内壁的表面从底部向上延伸至内壁的顶部后，沿着内壁的表面从内壁的顶部延伸至底部后再折弯继而向上延伸，使管体的第二端朝上设置。

进一步地，管体为多个，每个断面处均设置有至少一个管体，各管体均与泵体连接。

进一步地，光纤光栅液位计为多个，各管体内均设置有至少一个光纤光栅液位计，当管体内设置有多个光纤光栅液位计时，光纤光栅液位计沿管体的延伸方向间隔设置。

进一步地，多个光纤光栅液位计之间通过光缆连接后与一个解调仪连接。

进一步地，管体为波纹管。

根据本发明的另一方面，提供了一种隧道断面沉降监测方法，采用上述的隧道断面沉降监测装置，隧道断面沉降监测方法包括：隧道断面沉降监测装置安装在隧道的断面处的内壁上；隧道断面沉降监测装置的光纤光栅液位计用于监测隧道的断面的沉降值；将断面的沉降值h与预设标准沉降值进行比较，以确定隧道是否安全。

进一步地，将隧道断面沉降监测装置固定到隧道的内壁上后，隧道断面沉降监测装置的泵体将恒稳压力的液体注入隧道断面沉降监测装置的管体内，以使管体内充满液体且无气泡。

进一步地，当隧道的断面沉降时，发生沉降的断面处的沉降值h与对应的光纤光栅液位计检测到的波长λ的关系为：

其中，K_p为光纤光栅液位计的液位与波长的比值，K_t为波长偏移量与温度的比值，λ₀为光纤光栅液位计的初始波长，T₀为λ₀检测时的温度值，T为λ检测时的温度值，ρ为管体内的液体的密度，g为重力加速度。

进一步地，当断面处的沉降值h大于预设标准沉降值时，隧道存在风险；或当断面处的沉降值h小于或等于预设标准沉降值时，隧道安全。

应用本发明的技术方案，管体内通有液体并设置有光纤光栅液位计，若管体发生形变，管体内的液体压力也就发生变化，光纤光栅液位计能够感受到液体压力的变化，并将该变化转化为波长值由解调仪进行解调。由于管体是盘设在隧道的断面的监测位置上，在隧道的施工期间，当隧道的断面的监测位置发生沉降时，管体也会发生形变，从而使得管体内的光纤光栅液位计感受到液体压力的变化，进而得到隧道断面的监测位置的沉降值。

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断面沉降监测装置的部分结构示意图；以及

图2示出了图1中的隧道断面沉降监测装置的光缆布设示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光纤光栅液位计；20、管体；30、固定件；40、光缆。

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断面沉降监测不方便的问题，本发明提供了一种隧道断面沉降监测装置及隧道断面沉降监测方法。

如图1所示的一种隧道断面沉降监测装置，包括光纤光栅液位计10、管体20、多个固定件30和泵体，光纤光栅液位计10与解调仪连接；光纤光栅液位计10设置在管体20内，管体20盘设在隧道的断面处的内壁上；管体20通过固定件30与隧道的内壁连接；泵体与管体20的一端连接以向管体20中通入液体。

本实施例的管体20内通有液体并设置有光纤光栅液位计10，若管体20发生形变，管体20内的液体压力也就发生变化，光纤光栅液位计10能够感受到液体压力的变化，并将该变化转化为波长值由解调仪进行解调。由于管体20是盘设在隧道的内壁的监测位置上，在隧道的施工期间，当隧道的内壁的监测位置发生沉降时，管体20也会发生形变，从而使得管体20内的光纤光栅液位计10感受到液体压力的变化，进而得到隧道断面处的监测位置的沉降值。

需要说明的是，本实施例中的断面指的是隧道的纵剖面，在隧道的建设过程中，隧道分为多个节段，在各节段的连接处的纵剖面即为需要进行沉降监测的断面。

如图1所示，本实施例的管体20沿内壁呈倒U形结构。具体而言，管体20在隧道的延伸方向的横截面上的投影呈倒U形结构，以使隧道的内壁的顶部和底部均能够受到隧道断面沉降监测装置的监测。

同时，为了防止管体20内的液体溢出的情况，管体20的两端全部朝向上设置。

具体地，管体20的第一端朝上固定在隧道的顶部上，并向下延伸至内壁的底部后折弯，而后沿内壁的表面从底部向上延伸至内壁的顶部后，沿着内壁的表面从内壁的顶部延伸至底部后再折弯继而向上延伸，使管体20的第二端也朝上并固定在隧道的顶部上。通过上述方式使得隧道内壁的顶部和底部均设置有管体20，从而使得能够对断面整体的沉降情况进行监测。在实际绕设时，可以根据实际情况增加管体20的长度，以增加监测的内壁的面积，管体20可以按照上述的盘绕方式进行连续盘绕即可。

在本实施例中，管体20为多个，每个断面处均设置有至少一个管体20，各管体20均与泵体连接。

具体地，隧道分为多个节段，在每个节段的连接处的内壁上均盘设有管体20，当节段的长度较长时，相邻的管体20之间可以是不连续的，只需要将每个管体20均与泵体连接，使得泵体能够为所有管体20供液即可。当然，当隧道的节段较短时，可以将所有管体20连通使之成为一个整体，此时，泵体只需要与位于隧道端部的管体20连通即可为所有管体20供液。

如图2所示，为了保证隧道断面沉降监测装置能够对隧道内壁的每个位置都能够进行监测，光纤光栅液位计10为多个，各管体20内均设置有至少一个光纤光栅液位计10，当管体20内设置有多个光纤光栅液位计10时，光纤光栅液位计10沿管体20的延伸方向间隔设置。在本实施例中，与隧道内壁的需要监测的位置相对应的管体20的位置上均设置有光纤光栅液位计10，从而保证隧道断面沉降监测装置能够对隧道断面进行准确监测。

本实施例中的解调仪仅有一个，各光纤光栅液位计10之间通过光缆40串联后与该解调仪连接。光缆40为一根并穿设了所有的管体20，使得所有的光纤光栅液位计10串联起来，而后与解调仪连接，解调仪分析解调光纤光栅液位计10的波长信号，从而计算出隧道相应断面的沉降值。光缆40的布设方式如图2所示。

优选的，管体20为波纹管，波纹管的抗压性能较好，能够承受一定的水压力，同时波纹管本身能够发生一定的形变，使得当隧道的断面处的一部分发生沉降时，管体20的相应管段能够跟随发生一定的形变，而管体20的其他部分及其他的光纤光栅液位计10不受到影响，避免了管体20的不同部位同时发生沉降而导致监测不准确的问题。

本实施例中的固定件30为卡扣结构，卡扣结构套设在管体20外部，以将管体20固定在隧道的内壁上。

本发明还提供了一种隧道断面沉降监测方法，采用上述的隧道断面沉降监测装置，隧道断面沉降监测方法包括：隧道断面沉降监测装置安装在隧道的断面处的内壁上；隧道断面沉降监测装置的光纤光栅液位计10用于监测隧道的断面的沉降值；将断面的沉降值h与预设标准沉降值进行比较，以确定隧道是否安全。

优选的，将隧道断面沉降监测装置固定到隧道的内壁上后，通过隧道断面沉降监测装置的泵体将恒稳压力的液体注入隧道断面沉降监测装置的管体20内，以使管体20内充满液体且无气泡，以满足测量的需要。

当隧道的断面沉降时，发生沉降的断面处的沉降值h与对应的光纤光栅液位计10检测到的波长λ的关系为：

其中，K_p为光纤光栅液位计10的液位与波长的比值，K_t为波长偏移量与温度的比值，λ₀为光纤光栅液位计10的初始波长，单位为米，T₀为λ₀检测时的温度值，单位为开尔文K，T为λ检测时的温度值，单位为开尔文K，ρ为管体20内的液体的密度，单位为kg/m²，g为重力加速度，单位为m/s²。

然后将计算得到的沉降值与预设标准沉降值进行对比，当断面处的沉降值h大于预设标准沉降值时，隧道存在风险；或当断面处的沉降值h小于或等于预设标准沉降值时，隧道安全。

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断面沉降监测不方便的问题；

2、采用光纤光栅液位计监测技术，可以实现对隧道断面沉降的在线实时监测，安全实时更具有时效性，更能科学合理的安排二衬施工；

3、隧道断面沉降监测装置抗干扰力强，耐腐蚀，感应灵敏，可以保证监测过程中的测量精度准确。

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 (12)

1.一种隧道断面沉降监测装置，其特征在于，包括：

光纤光栅液位计(10)，所述光纤光栅液位计(10)与解调仪连接；

管体(20)，所述光纤光栅液位计(10)设置在所述管体(20)内，所述管体(20)盘设在隧道的断面处的内壁上；

多个固定件(30)，所述管体(20)通过所述固定件(30)与所述隧道的内壁连接；

泵体，所述泵体与所述管体(20)的一端连接以向所述管体(20)中通入液体。

2.根据权利要求1所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，所述管体(20)沿所述内壁呈倒U形结构。

3.根据权利要求1所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，所述管体(20)的至少一端朝向上设置。

4.根据权利要求2所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，所述管体(20)的第一端朝上并向下延伸至所述内壁的底部后折弯，而后沿所述内壁的表面从底部向上延伸至所述内壁的顶部后，沿着所述内壁的表面从所述内壁的顶部延伸至底部后再折弯继而向上延伸，使所述管体(20)的第二端朝上设置。

5.根据权利要求1所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，所述管体(20)为多个，每个所述断面处均设置有至少一个所述管体(20)，各所述管体(20)均与所述泵体连接。

6.根据权利要求5所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，所述光纤光栅液位计(10)为多个，各所述管体(20)内均设置有至少一个所述光纤光栅液位计(10)，当所述管体(20)内设置有多个所述光纤光栅液位计(10)时，所述光纤光栅液位计(10)沿所述管体(20)的延伸方向间隔设置。

7.根据权利要求6所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，多个所述光纤光栅液位计(10)之间通过光缆(40)连接后与一个所述解调仪连接。

8.根据权利要求1所述的隧道断面沉降监测装置，其特征在于，所述管体(20)为波纹管。

9.一种隧道断面沉降监测方法，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的隧道断面沉降监测装置，所述隧道断面沉降监测方法包括：

所述隧道断面沉降监测装置安装在隧道的断面处的内壁上；

所述隧道断面沉降监测装置的光纤光栅液位计(10)用于监测所述隧道的断面的沉降值；

将所述断面的沉降值h与预设标准沉降值进行比较，以确定所述隧道是否安全。

10.根据权利要求9所述的隧道断面沉降监测方法，其特征在于，将所述隧道断面沉降监测装置固定到隧道的内壁上后，所述隧道断面沉降监测装置的泵体将恒稳压力的液体注入所述隧道断面沉降监测装置的管体(20)内，以使所述管体(20)内充满液体且无气泡。

11.根据权利要求9所述的隧道断面沉降监测方法，其特征在于，当所述隧道的断面沉降时，发生沉降的所述断面处的沉降值h与对应的所述光纤光栅液位计(10)检测到的波长λ的关系为：

其中，K_p为所述光纤光栅液位计(10)的液位与波长的比值，K_t为波长偏移量与温度的比值，λ₀为所述光纤光栅液位计(10)的初始波长，T₀为λ₀检测时的温度值，T为λ检测时的温度值，ρ为所述管体(20)内的液体的密度，g为重力加速度。

12.根据权利要求9所述的隧道断面沉降监测方法，其特征在于，

当所述断面处的沉降值h大于所述预设标准沉降值时，所述隧道存在风险；或

当所述断面处的沉降值h小于或等于所述预设标准沉降值时，所述隧道安全。