CN110455210B - 一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，包括以下步骤：沿隧道拱顶纵向预埋温敏光缆、沿隧道拱顶外侧水泥砂浆保护层内预埋振动感测光缆、沿隧道环向预埋光纤光栅混凝土应变计、将光纤感测元件连接至解调仪并将感测数据传输至服务器、分析隧道的渗漏、火灾、异常侵入、环向内力情况并实施报警。本发明可以实时、准确地感测并识别隧道渗漏、火灾、异常侵入等事件的发生时间和位置，可以对隧道环向内力进行全生命周期的感测，解决了现有隧道病害监测方法依赖于人工并且具有滞后性的问题；解决了现有隧道内力监测系统可靠性差、数据精度低的问题。

Description

一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法
技术领域
本发明属于铁路隧道工程领域，具体涉及一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法。
背景技术
随着我国高速铁路的迅速发展，隧道工程数量也大大增多，与之而来的就是如何保证高铁隧道运营安全的问题。特别是近几年，为了推动城市群一体化发展，高速铁路、城际铁路作为交通一体化的重要组成部分，陆续得到批准建设。依据国家有关部门已经颁布的相关规范与标准，隧道结构物在建成之后，在合适的设计、施工和维修管理条件下，应具有良好的承载性、耐久性和满足耐久性要求的使用寿命，隧道结构物由于其自身的特殊性，在运营过程中将受到诸如地质、地形、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，致使其在长期的使用过程中有可能出现各种各样的病害，如不能及时的报警，会严重影响线路的正常运营。
高铁隧道结构的环向失稳，隧道渗漏水、火灾、异物侵入等都会对高铁安全运营构成重大威胁。目前通过加大运营期隧道结构安全及病害巡检工作力度的方式，一定程度上能够对隧道结构病害作出评估与发展预测，但这种方法管理与人力成本较高，并且无法24小时不间断监测隧道运营安全情况，对于突发性病害及事故的响应时间较慢，不利于病害与事故的及时处理。
现有的隧道结构安全及病害自动化感测主要采用电阻式或振弦式等点式传感技术，在长期的监测过程中会出现传感器老化失效、数据漂移失真等问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法。
本发明的技术方案是：一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，包括以下步骤：
ⅰ.沿隧道拱顶纵向预埋温敏光缆
沿隧道隧道拱顶内侧分布钢筋安装温敏光缆并浇筑于衬砌内；
ⅱ.沿隧道拱顶外侧水泥砂浆保护层内预埋振动感测光缆
在隧道拱顶外侧的细石混凝土保护层上纵向铺设振动感测光缆，先采用U型钉临时固定；
ⅲ.沿隧道环向预埋光纤光栅混凝土应变计
根据隧道边界条件，选取若干衬砌内力重点监测段落，在段落内，沿隧道环向内外侧主筋布设一定数量的光纤光栅混凝土应变计并浇筑于混凝土内。
ⅳ.将光纤感测元件连接至解调仪并将感测数据传输至服务器
将步骤ⅰ中的温敏光缆连接至分布式测温解调仪，将振动感测光缆连接至分布式振动解调仪，将光纤光栅混凝土应变计的通信光缆连接至光纤光栅解调仪，分布式测温解调仪、分布式振动解调仪、光纤光栅解调仪实时通过光信号解调出感测物理量，并将其传输至服务器。
ⅴ.分析隧道的渗漏、火灾、异常侵入、环向内力情况并实施报警
通过温敏光缆沿线温度变化情况识别隧道的渗漏、火灾事件发生的时间和位置并报警；通过振动感测光缆沿线的振动参数识别隧道内人员走动、列车运行、设备掉落、衬砌掉落、隧道上覆土异常扰动等事件发生的时间和位置并报警；通过光纤光栅混凝土应变计感测的隧道环向应变情况，计算隧道内力，并结合业内相关规范，评估结构的稳定性和强度安全性。
步骤ⅰ中的温敏光缆包括一根渗漏感测温敏光缆和一根火灾感测温敏光缆。
步骤ⅱ中的振动感测光缆先采用U型钉临时固定，然后在光缆周边施作水泥砂浆保护层，埋置于隧道衬砌与覆土之间。
步骤ⅰ、步骤ⅱ中的温敏光缆、振动感测光缆在跨施工缝、变形缝时采用可靠的变形冗余措施。
步骤ⅳ中的分布式测温解调仪、分布式振动解调仪、光纤光栅解调仪均设置在解调仪服务器设备洞室中。
本发明可以实时、准确地感测并识别隧道渗漏、火灾、异常侵入等事件的发生时间和位置，可以对隧道环向内力进行全生命周期的感测，解决了现有隧道病害监测方法依赖于人工并且具有滞后性的问题；解决了现有隧道内力监测系统可靠性差、数据精度低的问题。
本发明形成的高铁隧道形位智能感测系统可以在不影响高铁正常运营、不占用天窗人工检修时间的情况下对隧道进行智能形位感测，为高铁隧道的安全服役提供保证。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的布设示意图；
其中：
1渗漏感测温敏光缆 2火灾感测温敏光缆
3振动感测光缆 4光纤光栅混凝土应变计
5解调仪服务器设备洞室。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～2所示，一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，包括以下步骤：
ⅰ.沿隧道拱顶纵向预埋温敏光缆S1
沿隧道隧道拱顶内侧分布钢筋安装温敏光缆并浇筑于衬砌内。
ⅱ.沿隧道拱顶外侧水泥砂浆保护层内预埋振动感测光缆S2
在隧道拱顶外侧的细石混凝土保护层上纵向铺设振动感测光缆3，先采用U型钉临时固定；
ⅲ.沿隧道环向预埋光纤光栅混凝土应变计S3
根据隧道边界条件，选取若干衬砌内力重点监测段落，在段落内，沿隧道环向内外侧主筋布设一定数量的光纤光栅混凝土应变计4并浇筑于混凝土内。
ⅳ.将光纤感测元件连接至解调仪并将感测数据传输至服务器S4
将步骤ⅰ中的温敏光缆连接至分布式测温解调仪，将振动感测光缆3连接至分布式振动解调仪，将光纤光栅混凝土应变计4的通信光缆连接至光纤光栅解调仪，分布式测温解调仪、分布式振动解调仪、光纤光栅解调仪实时通过光信号解调出感测物理量，并将其传输至服务器。
ⅴ.分析隧道的渗漏、火灾、异常侵入、环向内力情况并实施报警S5
通过温敏光缆沿线温度变化情况识别隧道的渗漏、火灾事件发生的时间和位置并报警；通过振动感测光缆3沿线的振动参数识别隧道内人员走动、列车运行、设备掉落、衬砌掉落、隧道上覆土异常扰动等事件发生的时间和位置并报警；通过光纤光栅混凝土应变计4感测的隧道环向应变情况，计算隧道内力，并结合业内相关规范，评估结构的稳定性和强度安全性。
步骤ⅰ中的温敏光缆包括一根渗漏感测温敏光缆1和一根火灾感测温敏光缆2。
步骤ⅱ中的振动感测光缆3先采用U型钉临时固定，然后在光缆周边施作水泥砂浆保护层，埋置于隧道衬砌与覆土之间。
步骤ⅰ、步骤ⅱ中的温敏光缆、振动感测光缆3在跨施工缝、变形缝时采用可靠的变形冗余措施。
步骤ⅳ中的分布式测温解调仪、分布式振动解调仪、光纤光栅解调仪均设置在解调仪服务器设备洞室5中。
实施例一
某新建高速铁路隧道，起讫里程DK46+092～DK53+300，区间隧道总长为7208m。设计采用明挖法施工。隧道区分布在京津冀区域性沉降地区。
该标段隧道主要存在覆土荷载高，洪水冲刷深，区域不均匀沉降大，潜水位高，铁路保护区内违规土建活动多等问题。因此，采用本发明所述一种高速铁路隧道埋入式光纤智能感测方法进行隧道形位及异常情况感测。
一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位智能感测方法，包括以下步骤：
ⅰ.沿隧道拱顶纵向预埋温敏光缆
沿隧道隧道拱顶DK46+092～DK53+300内侧分布钢筋两侧各绑扎安装一根渗漏感测温敏光缆和一根火灾感测温敏光缆，光缆浇筑于衬砌内。光缆在跨施工缝、变形缝时采用套管保护的变形冗余措施。
ⅱ.沿隧道拱顶外侧水泥砂浆保护层内预埋振动感测光缆
在隧道主体结构浇筑完成后，沿隧道拱顶外侧的细石混凝土保护层上纵向铺设振动感测光缆，铺设范围为DK46+092～DK53+300，首先采用U型钉临时固定，然后在光缆周边施作水泥砂浆保护层，之后进行隧道覆土回填，感测光缆埋置与隧道衬砌与覆土之间。光缆在跨越变形缝时采用套管保护的变形冗余措施。
ⅲ.沿隧道环向预埋光纤光栅混凝土应变计
根据隧道边界条件，选取隧道埋深较深处、隧道上地表起伏剧烈处共五处，分别位于DK49+193～DK49+202，DK50+408～DK50+417，DK50+997+DK51+006，DK51+898～DK52+907和DK52+765～DK52+774共5处9m长模板台车浇筑段落，在上述段落内，沿隧道环向内外侧主筋共绑扎布设26个光纤光栅混凝土应变计，浇筑于衬砌混凝土内。
ⅳ.将光纤感测元件连接至解调仪并将感测数据传输至服务器
将温敏光缆连接至分布式测温解调仪，将振动感测光缆连接至分布式振动解调仪，将光纤光栅混凝土应变计的通信光缆连接至光纤光栅解调仪，解调仪实时通过光信号解调出对应光纤感测元件的感测物理量，并将其传输至服务器进行分析，解调仪和服务器设置在隧道中间里程DK50+430处的专用设备洞室内。
ⅴ.分析隧道的渗漏、火灾、异常侵入、环向内力情况并实施报警
服务器中内置隧道形位分析软件，软件具备识别算法和学习能力，可以通过温敏光缆沿线温度变化情况识别隧道的渗漏、火灾事件发生的时间和位置并报警；可以通过振动感测光缆沿线的振动参数识别隧道内人员走动、列车运行、设备掉落、衬砌掉落、隧道上覆土异常扰动等事件发生的时间和位置并报警；可以通过光纤光栅混凝土应变计感测的隧道环向应变情况，计算隧道内力，并结合业内相关规范，评估结构的稳定性和强度安全性，分析软件可以对长期积累的数据进行分析，调整渗漏、振动感测的模式识别算法参数，提高感测报警的可靠性。
通过以上步骤，便可解决了高速铁路隧道运营期形位感测的问题，为隧道全寿命周期内运营安全提供保证。
数据采集与数据分析。
数据分析系统集成与隧道内部，对感测数据进行分析、识别后将分析结果无线传输至控制中心。
通过以上步骤，便可解决了高速铁路隧道运营期结构变形感测的问题，为隧道全寿命周期内运营安全提供保证。
本发明可以实时、准确地感测并识别隧道渗漏、火灾、异常侵入等事件的发生时间和位置，可以对隧道环向内力进行全生命周期的感测，解决了现有隧道病害监测方法依赖于人工并且具有滞后性的问题；解决了现有隧道内力监测系统可靠性差、数据精度低的问题。
本发明形成的高铁隧道形位智能感测系统可以在不影响高铁正常运营、不占用天窗人工检修时间的情况下对隧道进行智能形位感测，为高铁隧道的安全服役提供保证。

Claims (5)

1.一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(ⅰ)沿隧道拱顶纵向预埋温敏光缆
沿隧道拱顶内侧分布钢筋安装温敏光缆并浇筑于衬砌内；
(ⅱ)沿隧道拱顶外侧水泥砂浆保护层内预埋振动感测光缆
在隧道拱顶外侧的细石混凝土保护层上纵向铺设振动感测光缆(3)，先采用U型钉临时固定；
(ⅲ)沿隧道环向预埋光纤光栅混凝土应变计
根据隧道边界条件，选取若干衬砌内力重点监测段落，在段落内，沿隧道环向内外侧主筋布设一定数量的光纤光栅混凝土应变计(4)并浇筑于混凝土内；
(ⅳ)将光纤感测元件连接至解调仪并将感测数据传输至服务器
将步骤(ⅰ)中的温敏光缆连接至分布式测温解调仪，将振动感测光缆(3)连接至分布式振动解调仪，将光纤光栅混凝土应变计(4)的通信光缆连接至光纤光栅解调仪，分布式测温解调仪、分布式振动解调仪、光纤光栅解调仪实时通过光信号解调出感测物理量，并将其传输至服务器；
(ⅴ)分析隧道的渗漏、火灾、异常侵入、环向内力情况并实施报警
通过温敏光缆沿线温度变化情况识别隧道的渗漏、火灾事件发生的时间和位置并报警；通过振动感测光缆(3)沿线的振动参数识别隧道内人员走动、列车运行、设备掉落、衬砌掉落、隧道上覆土异常扰动事件发生的时间和位置并报警；通过光纤光栅混凝土应变计(4)感测的隧道环向应变情况，计算隧道内力，评估结构的稳定性和强度安全性。
2.根据权利要求1所述的一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，其特征在于：步骤(ⅰ)中的温敏光缆包括一根渗漏感测温敏光缆(1)和一根火灾感测温敏光缆(2)。
3.根据权利要求1所述的一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，其特征在于：步骤(ⅱ)中的振动感测光缆(3)先采用U型钉临时固定，然后在光缆周边施作水泥砂浆保护层，埋置于隧道衬砌与覆土之间。
4.根据权利要求1所述的一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，其特征在于：步骤(ⅰ)、步骤(ⅱ)中的温敏光缆、振动感测光缆(3)在跨施工缝、变形缝时采用可靠的变形冗余措施。
5.根据权利要求1所述的一种基于埋入式光纤的高铁隧道形位感测方法，其特征在于：步骤(ⅳ)中的分布式测温解调仪、分布式振动解调仪、光纤光栅解调仪均设置在解调仪服务器设备洞室(5)中。
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