CN110686609A - 一种全隧道安全监测系统及实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全隧道安全监测系统，包括分别与数据采集中心电连接的GPS系统、光纤应变监测系统，与光纤应变监测系统电连接且埋设在隧道监控区域下方的应变监测光缆；光纤应变监测系统为光纤分析仪，GPS系统用来实现隧道整体沉降监测；光纤应变监测系统通过连续的光缆实现隧道全方位的应变监测，并提供精确定位，所测形变为相对形变，并可对形变量进行累计。系统监测精度高，能够实现隧道大型事故性形变的前期预警；能够实现隧道形变方向的判断；智能化程度高，对异常情况能够准确定位，并实现多种手段报警；监测寿命长，能够实现隧道全寿命周期内的监测；维护成本低，后期近乎零维护。

Description

一种全隧道安全监测系统及实施方法

技术领域

本发明属于隧道安全技术领域，尤其涉及一种全隧道安全监测系统及实 施方法。

背景技术

现有技术的隧道沉降及结构监测技术主要通过地质雷达、地震波法、CT等 实现，这些方法可探明某时刻隧道衬砌的情况和其周围的围岩情况，无法对 隧道内衬砌和围岩情况的变化进行实时监测和报警，传统监测由于需要组织 大量人员设备进入隧道进行监测工作，不可避免的会影响甚至中断隧道交通。 因此，急需一种实时在线的隧道衬砌结构监测方式，能够24小时提供不间断 的监测数据，并为异常情况提供报警、定位，为铁路的安全运行提供预警服 务。特别是在高速铁路发展的当下，当列车通过时，造成巨大的风压和振动， 现有监测手段空白的条件下，监测隧道结构的稳定性愈发重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种全隧道安全监测系统及实施方法。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明一方面提供一种全隧道安全监 测系统，包括分别与数据采集中心电连接的GPS系统、光纤应变监测系统， 与光纤应变监测系统电连接且埋设在隧道监控区域内的应变监测光缆；光纤 应变监测系统为光纤分析仪，GPS系统用来实现隧道整体沉降监测；光纤应 变监测系统通过连续的光缆实现隧道全方位的应变监测。

优选的，所述应变监测光缆采用光纤应变光缆；所述应变光缆为紧包结构 光缆，选定材料为碳纤维结构或玻璃纤维结构；所述应变光缆的弹性较强， 短距离不易弯曲。

优选的，应变监测光缆在隧道施工过程中，绑缚在隧道的钢筋龙骨上，与 钢筋一起混凝土浇筑成一体；所述应变监测光缆在绑缚过程中处于自由状态， 避免有较大的弯曲。

优选的，所述应变监测光缆在隧道壁的同一位置在混凝土中布设两根光缆， 两根光缆有一定的间距，距离一般不超过1m；所述两根光缆铺设完全同步， 在混凝土中的走向、距离、弯曲保持一致；所述两根应变光缆在隧道末端留 出超过5米的余长后，将两根光缆进行熔接，使两根光缆的末端相连。

优选的，所述应变监测光缆末端的余长光缆处于无应力状态保护放置；所 述应变监测光缆在隧道口处的两端与光纤分析仪的出入光口通过光纤法兰相 连。

优选的，所述应变监测光缆的铺设方法在隧道两壁、隧道顶部以及隧道底 部均铺设一遍。

优选的，所述光纤分析仪能同时监测4跟光缆上应力应变的数据；所述光 纤分析仪的能够描述沿光纤距离上每一点的应变信息；所述光纤分析仪通过 软件将隧道同一位置处的两根光缆通过现场标定的方式在软件上实现位置对 应。

优选的，所述光纤分析仪通过软件将同一位置处的光缆应变选定里面(或 外边)光缆上的应变量作为基础，减去外边(或里面)光缆上的应变量，将 差值与地理位置对应显示在界面里，通过差值的正负值判断隧道是向内凹陷 还是向外凸起，进而判断隧道形变的方向。

一种全隧道安全监测系统的实施方法，包括以下步骤：

A.外表敷设型光缆具体实施如下：

1)勘察隧道现场环境，确定安装路径；

2)对安装路径进行清洗，除尘、除垢；

3)安装光缆，将细紧包应变光缆沿着路径进行铺设，每铺设0.5m或1m， 进行固定，固定方式采用卯锥或图钉方式均可，确保牢固，在固定前，需对 光缆施加一定应力，使光缆处于绷直状态；

4)为确保系统监测的覆盖率，尽量以密集铺设方式为主，间距控制在1米 以内，现场与隧道设计、设备管理和施工单位勘查确定；

5)沿着固定好的光缆喷涂结构胶体，将光缆与隧道壁完全固定；

6)利用光纤分布式振动监测仪，对安装光缆进行定标，确定光缆位置与隧 道坐标的对应关系；

7)做好接头对接处理，将所有光缆续接点放在隧道底部；

8)做好跳线、光缆终端盒安装续接工作；

9)连接监测设备，系统启动运行；

B.预埋型光缆具体实施如下：

1)确定光缆铺设路径，准备好相关光缆；

2)在钢筋龙骨铺设完毕，浇注水泥浆之前铺设光缆，光缆与钢筋龙骨平 行绑缚，遇有拐角的地方，确保半径20cm以上的弧度，除拐角处，所有 光缆处于绷直状态；；

3)铺设过程中做好余长控制，尤其涉及到变隙缝处，增加光缆张紧器；

4)浇注混凝土，使光缆与隧道壁完全紧密固定；

5)利用光纤分布式监测仪，对安装光缆进行定标，确定光缆位置与隧道 坐标的对应关系；

6)做好接头对接处理；

7)做好跳线、光缆终端盒安装续接保护工作；

8)连接监测设备，系统启动运行。

隧道向内凹陷与向外凸起的判断机理是根据同一位置上，两根不同位置的 光缆，由于弯曲半径的不同而产生形变量不同，当向内凹陷时，里面光缆的 形变量大，当向外凸起时，外面光缆的形变量大。其中分布式应变监测光缆 采用平行于隧道方向上固定光缆，将光缆绑缚或浇注在隧道的顶端以及两壁 上，用以监测隧道裂缝、鼓包以及隧道内的相对形变沉降；用于监测隧道内 振动监测的光缆铺设于隧道的底部，能够对隧道异物入侵进行实时监测及定 位，特别是隧道顶端有异物脱落，光纤分布式振动监测系统能够监测发现脱落异物的时间并精确定位。

1)在隧道监测系统中设GPS系统；GPS系统用来实现隧道整体沉降监测， 在隧道口两端各布设一个监测基站，隧道段，每隔200～500米左右布设一个 GPS沉降观察点；

2)在隧道内设分布式光纤监测系统；分布式光纤监测系统分为分布式应变监 测系统以及分布式振动监测两部分，其中分布式应变监测系统，采用平行于 隧道方向固定的光缆，将光缆绑缚或浇注在隧道的顶端以及两膀上，用以监 测隧道裂缝、鼓包以及隧道内的相对形变沉降；用于监测隧道内振动监测的 光缆铺设于隧道的底部，能够对隧道异物入侵进行实时监测及定位，特别是 隧道顶端有异物脱落，光纤分布式振动监测系统能够监测发现脱落异物的时 间并精确定位。

光纤分布式传感技术具有远程、精度高、耐久性、实时性和成本低等特点， 其布设在隧道衬砌结构内对隧道的健康情况进行长期、实时的监测，结合GPS 系统，可实现隧道从整理到局部的沉降、形变监测，该技术可自动进行，不 会对交通造成干扰，且其实时输出的数据信息可以让隧道工作人员随时掌握 隧道的健康状况。光纤监测网的布设需要对隧道的围岩等级、围岩应力水平 及经济性等进行综合考虑。沿隧道横断面布设的光纤传感器应根据围岩等级 来确定其布设的环向间距，即传感器的环向间距应随着隧道围岩等级的增大 而相应减小，并在隧道洞口附近适当加密布设。

光纤分布式铁路隧道衬砌结构监测系统能够快速、实时监测隧道沉降结构 应变信息，实现隧道衬砌结构的“科学、全面、准确、实时”监控，提高隧道 衬砌结构安全性，对保障铁路运输安全有着重要意义。

技术原理：

1)光纤应变监测技术原理：当光纤注入一束激光，将会发生各种散射效应， 此类散射效应与光纤的应变、温度等相关，其中布里渊散射光的中心频率的 平移量与光纤的应变量线性相关，利用时域或频域技术再实现光纤中每一点 应变的分布式测量，该技术称为布里渊光时域/频域反射技术(Brillouin Optical Time/Frequency DomainReflectometry)。

布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者 存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂 移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背 向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)就可以得到光纤沿线温度和应变的分 布信息。BOTDR的应变测量原理如图1-图3所示。

如上所述，为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的νB分布。BOTDR的测量原理与OTDR（Optical Time-DomainReflectometer）技术很相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至BOTDR的距离Z可以通过式(1)计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图，如图2所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑兹形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移νB。

（1）

其中，c为真空中的光速；

n为光纤的折射率；

T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

布里渊频移与光纤应变之间为线性关系，线性关系的斜率取决于探测光 的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定，即要确定式(2) 中的VB(0)和C值。如图4。

光纤的应变量与布里渊频移可用下式表示：

其中，v_B(ε)为当应变为时的布里渊频率的漂移量；

v_B(0)为当应变为0时的布里渊频率的漂移量；

为比例系数，约为493MHz(/％strain)；

为光纤的应变量。

本次分布式光纤测试采用的BOTDR技术，可实现对感测光缆的应变解 调。通过对应变数据进行分析处理实现隧道内凸起、裂缝等位移信息提取和 分析、判断和预警。

2）光纤振动监测技术原理

当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格间发生作用，不断向后传输瑞利散射光，如图5-6所示。当外界有振动发生时，引起光缆中纤芯发生形变，导致纤芯长度和折射率发生变化，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，反射回系统主机时，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断光纤光缆附近的振动事件，并进行定位，定位精度达到米级。如图5-6。

利用光在光纤中传输引起的布里渊散射，通过监测布里渊散射光进而确 定光纤中应力应变的变化，由于监测光缆与隧道壁刚性连接，在列车通过隧 道的时候，会给隧道带来一定的振动及气流影响，由于刚性连接，所以气流 影响可以排除，振动作用在整个监测光缆上，通过后台系统滤除振动干扰源 对整体监测的影响，应变监测属于静态的绝对监测，对动态不敏感，振动干 扰源对监测效果引起的干扰可以忽略，确保监测数据的准确率。

采用的是纯光纤监测系统，在传感现场不设置任何电器元件，能保证现 场光纤设备不受接触网高压电磁的干扰。

分布式光纤感测技术监测方案具有以下优势：实时在线测试：24小时365 天不间断全天候实时在线监测；安全可靠：传感现场，光传感、光传输，本 质安全；环境适应强：不带电，不受电磁干扰，数据保真性好；分布式测试： 光缆沿线监测，光缆所到位置无盲区无死角；测试距离远：单台设备可实现 数十公里的监测，满足大工程的监测要求；测量精度高，定位准确：数十公 里距离可定位到米；误报率、漏报率低：专业的报警软件，具备模式识别功 能，大大降低误报及漏报率；维护成本低：光缆使用寿命长，不遭外力破坏 零维护

本发明的有益效果为：

1、实现隧道全长的实时在线形变监测；

2、监测精度高，能够实现隧道大型事故性形变的前期预警；

3、能够实现隧道形变方向的判断；

4、智能化程度高，对异常情况能够准确定位，并实现多种手段报警；

5、实现隧道内的入侵监测，能够实时对异物掉落轨道进行预警并定位；

6、监测寿命长，能够实现隧道全寿命周期内的监测；

7、维护成本低，后期近乎零维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-图3为光纤分布式应变系统的应变测量原理图；

图4为布里渊频移与应变的线性关系；

图5为光纤瑞利散射原理；

图6为分布式光纤振动监测示意图；

图7为总体的监测实施示意图；

图8为分布式光纤应变监测示意图；

图9为变隙缝处光缆处理；

图10为外表敷设型光缆具体实施图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例，如图，一种全隧道安全监测系统，包括分别与数据采集中心电连 接的GPS系统、光纤应变监测系统，与光纤应变监测系统电连接且埋设在隧 道监控区域内的应变监测光缆；光纤应变监测系统为光纤分析仪，GPS系统 用来实现隧道整体沉降监测；光纤应变监测系统通过连续的光缆实现隧道全 方位的应变监测。

所述应变监测光缆采用光纤应变光缆；所述应变光缆为紧包结构光缆，选 定材料为碳纤维结构或玻璃纤维结构；所述应变光缆的弹性较强，短距离不 易弯曲。

应变监测光缆在隧道施工过程中，绑缚在隧道的钢筋龙骨上，与钢筋一起 混凝土浇筑成一体；所述应变监测光缆在绑缚过程中处于自由状态，避免有 较大的弯曲。

所述应变监测光缆在隧道壁的统一位置在混凝土中布设两根光缆，两根光 缆有一定的间距，距离一般不超过1m；所述两根光缆铺设完全同步，在混凝 土中的走向、距离、弯曲保持一致；所述两根应变光缆在隧道末端留出超过 5米的余长后，将两根光缆进行熔接，使两根光缆的末端相连。

所述应变监测光缆末端的余长光缆处于无应力状态保护放置；所述应变监 测光缆在隧道口处的两端与光纤分析仪的出入光口通过光纤法兰相连。

所述应变监测光缆的铺设方法在隧道两壁、隧道顶部以及隧道底部均铺设 一遍。

所述光纤分析仪能同时监测4根光缆上应力应变的数据；所述光纤分析仪 的能够描述沿光纤距离上每一点的应变信息；所述光纤分析仪通过软件将隧 道同一位置处的两根光缆通过现场标定的方式在软件上实现位置对应。

所述光纤分析仪通过软件将同一位置处的光缆的应变选定里面(或外边) 光缆上的应变量作为基础，减去外边(或里面)光缆上的应变量，将差值与 地理位置对应显示在界面里，通过差值的正负值判断隧道是向内凹陷还是向 外凸起，进而判断隧道形变的方向。

光缆的现场施工布设，是该项目成功与否的关键因素，在铺设过程中， 要求铺设光缆与隧道壁成为一个良好的结构体，不能产生滑脱、相对位移等 情况的发生，项目建议采用紧包细应变光缆，通过先固定后涂胶的形式开展。 具体铺设根据隧道允许情况分两种，植入式和表面敷设式，有条件的隧道推 荐在隧道施工过程中直接埋入3mm或6mmFRP型光缆，对于已经建成隧道， 建议表层敷设1mmFRP型应变光缆。

A.外表敷设型光缆具体实施如下：

1)勘察隧道现场环境，确定安装路径；

2)对安装路径进行清洗，除尘、除垢；

3)安装光缆，将细紧包应变光缆沿着路径进行铺设，每铺设0.5m或1m， 进行固定，固定方式采用卯锥或图钉方式均可，确保牢固，在固定前， 需对光缆施加一定应力，使光缆处于绷直状态；

4)为确保系统监测的覆盖率，尽量以密集铺设方式为主，间距控制在1 米以内，现场与隧道设计、设备管理和施工单位勘查确定；

5)沿着固定好的光缆喷涂结构胶体，将光缆与隧道壁完全固定；

6)利用光纤分布式振动监测仪，对安装光缆进行定标，确定光缆位置与 隧道坐标的对应关系；

7)做好接头对接处理，将所有光缆续接点放在隧道底部；

8)做好跳线、光缆终端盒安装续接工作；

9)连接监测设备，系统启动运行。

B.预埋型光缆具体实施如下：

B.预埋型光缆具体实施如下：

1)确定光缆铺设路径，准备好相关光缆；

2)在钢筋龙骨铺设完毕，浇注水泥浆之前铺设光缆，光缆与钢筋龙骨平 行绑缚，遇有拐角的地方，确保半径20cm以上的弧度，除拐角处，所有 光缆处于绷直状态；；

3)铺设过程中做好余长控制，尤其涉及到变隙缝处，增加光缆张紧器；

4)浇注混凝土，使光缆与隧道壁完全紧密固定；

5)利用光纤分布式监测仪，对安装光缆进行定标，确定光缆位置与隧道 坐标的对应关系；

6)做好接头对接处理；

7)做好跳线、光缆终端盒安装续接保护工作；

8)连接监测设备，系统启动运行。

B1：变隙缝处光缆处理如图9

在光缆铺设过程中，不可避免的要经过变隙缝，由于变隙缝的缝隙仅 有几个厘米，而且伸缩量远远大于光缆能够承受的应变量，所以在该处安 装设计的光缆张紧器，光缆张紧器内预植一部分光缆，能够根据外力的大 小自动调整光缆的余量，避免光缆被拉断，调整范围为0～10cm。同时在 隧道边缘预留光缆张紧器的空间，即使变隙缝为0时，亦有空间安放张紧 器。

B2：应变方向的判断问题如图8

光纤应变监测系统，从理论上仅能提供应变点应变量的大小，所以设备本 身不能实现应变方向的判断，但是考虑到预植在隧道壁中的光缆仅有向内向 外两个方向，从铺设思路上可进行改善。如下图8所示：

通过在隧道墙体内外，分别平行布置一根光缆，当隧道壁发生形变后， 光缆将随着隧道壁的形变发生形变，由于曲率的不同，光缆a以及光缆b受 到的变形量是不同的，当光缆a变形量大于光缆b变形量时，即认定此处隧 道属于拱起；当光缆b变形量大于光缆a变形量时，即认定向隧道内收缩。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以 通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本 发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行 了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员 在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的 宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (9)

1.一种全隧道安全监测系统，其特征在于：包括分别与数据采集中心电连接的GPS系统、光纤应变监测系统，与光纤应变监测系统电连接且埋设在隧道监控区域内的应变监测光缆；光纤应变监测系统为光纤分析仪，GPS系统用来实现隧道整体沉降监测；光纤应变监测系统通过连续的光缆实现隧道全方位的形变监测。

2.根据权利要求1所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：所述应变监测光缆采用光纤应变光缆；所述应变光缆为紧包结构光缆，选定材料为碳纤维结构或玻璃纤维结构；所述应变光缆的弹性较强，短距离不易弯曲。

3.根据权利要求2所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：应变监测光缆在隧道施工过程中，绑缚在隧道的钢筋龙骨上，与钢筋一起混凝土浇筑成一体；所述应变监测光缆在绑缚过程中处于自由状态，避免有较大的弯曲。

4.根据权利要求3所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：所述应变监测光缆在隧道壁的同一位置在混凝土中布设两根光缆，两根光缆有一定的间距，距离一般不超过1m；所述两根光缆铺设完全同步，在混凝土中的走向、距离、弯曲保持一致；所述两根应变光缆在隧道末端留出超过5米的余长后，将两根光缆进行熔接，使两根光缆的末端相连。

5.根据权利要求4所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：所述应变监测光缆末端的余长的光缆处于无应力状态保护放置；所述应变监测光缆在隧道口处的两端与光纤分析仪的出入光口通过光纤法兰相连。

6.根据权利要求5所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：所述应变监测光缆的铺设方法在隧道两壁、隧道顶部以及隧道底部均铺设一遍。

7.根据权利要求6所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：所述光纤分析仪能同时监测4跟光缆上应力应变的数据；所述光纤分析仪的能够描述沿光纤距离上每一点的应变信息；所述光纤分析仪通过软件将隧道同一位置处的两根光缆通过现场标定的方式在软件上实现位置对应。

8.根据权利要求7所述的一种全隧道安全监测系统，其特征在于：所述光纤分析仪通过软件将同一位置处的光缆的应变选定里面(或外边)光缆上的应变量作为基础，减去外边(或里面)光缆上的应变量，将差值与地理位置对应显示在界面里，通过差值的正负值判断隧道是向内凹陷还是向外凸起，进而判断隧道形变的方向。

9.一种全隧道安全监测系统的实施方法，其特征在于：包括以下步骤：

预埋型光缆具体实施如下：

1)确定光缆铺设路径，准备好相关光缆；

2)在钢筋龙骨铺设完毕，浇注水泥浆之前铺设光缆，光缆与钢筋龙骨平行绑缚，遇有拐角的地方，确保半径20cm以上的弧度，除拐角处，所有光缆处于绷直状态；；

3)铺设过程中做好余长控制，尤其涉及到变隙缝处，增加光缆张紧器；

4)浇注混凝土，使光缆与隧道壁完全紧密固定；

5)利用光纤分布式监测仪，对安装光缆进行定标，确定光缆位置与隧道坐标的对应关系；

6)做好接头对接处理；

7)做好跳线、光缆终端盒安装续接保护工作；

8)连接监测设备，进行运行。

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