CN110686613B - 一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统，属于岩土结构安全监测领域。分布式的光纤应变传感器和温度传感器布设到路基结构中，与接入分布式光纤应变温度解调仪连接，分布式光纤温度传感器测试的温度信息对同位置的分布式光纤应变传感器进行温度补偿。分布式光纤动静应变测试控制模块向分布式光纤应变温度采集模块发出采集动、静应变的指令，路基变形监测预警及安全评估模块接收并分析处理动、静应变信号。本发明通过设置分布式光纤应变温度解调仪的数据采集条件分别实现分布式高精度静应变和分布式低精度动应变测试，并基于动静应变的信息分析对高速公路、高速铁路的路基岩溶突发塌陷和长期缓慢沉降变形进行同时监测，有效提高路基突发塌陷预警时间。
Description
技术领域
本发明属于岩土结构安全监测领域，具体涉及一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统。
背景技术
目前我国铁路和公路建设事业正以前所未有的速度高速发展，营业里程和运营速度均处于世界前列。京张高铁建设、雄安新区铁路布局规划调整、京津冀核心区铁路枢纽规划等工作取得重要进展，为后续工程建设奠定了基础。路基是线路工程的一个重要组成部分，是承受诸如轨道重量和车辆荷载的基础，也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节，高速铁路、高速公路要在高密度的条件下实现列车高效、高速安全运行，对路基的安全性提出了更高的要求。我国属于地质灾害频发的国家之一，特别是在西南地区易发生岩溶塌陷、地表沉降不均等灾害。随着我国防灾减灾技术的提高，在一些易发生灾害区域，采用诸如加筋土工布、土工格栅加固、岩溶注浆等措施对路基进行加固处理。但是在环境和外部动静荷载等作用下和人类工程活动的影响，很难保证路基不再发生损伤。因此，在车辆运营过程中，如果能对路基变形灾害进行监控预警，将会有效地降低车辆运营事故。
高速铁路、高速公路属于长距离线性工程，诸如光纤光栅传感技术、电测传感技术等单点传感技术难以实现大范围连续监测。分布式光纤传感技术可以实现数十公里乃至上百公里的连续应变测试，是一种比较适合高速公路、高速铁路的路基变形监测技术。目前已报道采用分布式光纤振动传感技术开展路基突发塌陷监测的方法，主要通过监测路基突发塌陷产生的振动信息，属于一种定性监测技术，存在振动监测信息易受环境噪声干扰等问题。已报道的采用分布式光纤布里渊应变传感技术开展的路基变形监测方法，主要是通过监测路基沉降引起的变形，属于一种定量监测技术，存在的问题是单次测试时间较长为分钟级别。目前高速铁路、高速公路行车速度越来越快且运营里程纵横交织，同时路基变形损伤既有岩溶突发塌陷又有长期缓慢变形等特征，因此路基变形监测技术应同时具备时效性、范围大和准确性等特点。
发明内容
针对现有路基变形监测技术的不足，本发明的目的在于提供一种可同时实现路基突发塌陷监测和长期高精度变形监测的基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统。
本发明采用的技术方案为：
一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统，包括分布式光纤应变传感器1、分布式光纤温度传感器2、分布式光纤动静应变测试转换控制模块3、分布式光纤应变温度解调仪4、路基变形监测预警及安全评估模块5。
所述的分布式光纤应变传感器1和分布式光纤温度传感器2布设到路基结构中。所述的分布式光纤应变传感器1在沿路基延伸方向分层布设，分布式光纤温度传感器2与分布式光纤应变传感器1平行同槽布设且首尾相连形成一条分布式信号传输线路并接入分布式光纤应变温度解调仪4中。通过分布式光纤温度传感器2测试的温度信息对同位置的分布式光纤应变传感器1进行温度补偿。
所述的分布式光纤动静应变测试控制模块3向分布式光纤应变温度采集模块4发出采集动、静应变的指令，采集的动、静应变信息传输至路基变形监测预警及安全评估模块5中。当分布式光纤动静应变测试转换控制模块3发出动态应变采集指令时，分布式光纤应变温度解调仪4的数据采集参数设置为高速低精度采集条件：空间分辨率2.0m、距离采样分辨率 2.0m、布里渊频率扫描步长10MHz和数据采集平均次数2的11次方，设置后进行数据采集。当分布式光纤动静应变测试转换控制模块3发出静态应变采集指令时，分布式光纤应变温度解调仪4的数据采集参数设置为高精度静态采集条件：空间分辨率0.5m、距离采样分辨率 0.1m、布里渊频率扫描步长2MHz和数据采集平均次数2的14次方，设置后进行数据采集。
所述的分布式光纤动静应变测试转换控制模块3在以下两种情况下发出静态应变采集控制指令，其他情况发出动态应变采集控制指令。两种情况为：一是在路基变形监测预警及安全评估模块5发出路基突发塌陷预警信息的同时发出静态应变采集控制指令，基于高精度静态应变信息对路基塌陷尺度计算分析。二是高速铁路停营的“天窗时间”、高速公路凌晨运营时间段发出路基静态应变采集控制指令。
所述的路基变形监测预警及安全评估模块5接收并分析处理动、静应变信号，对动应变突变信号进行路基突发塌陷预警；对静态应变信号进行路基变形量计算，评估路基安全状态。具体为：基于动应变信息，一旦发现动态应变信号有较大的突变，发出路基塌陷预警信息；基于静态应变信息分析计算路基变形量，一旦变形量超过预先设定的阈值，发出路基沉降预警信息。
本发明的效果和益处是：通过设置分布式光纤应变温度解调仪4的数据采集条件分别实现分布式高精度静应变和分布式低精度动应变测试，并基于动静应变的信息分析对高速公路、高速铁路的路基岩溶突发塌陷和长期缓慢沉降变形进行同时监测，有效提高了路基突发塌陷预警时间，对于提高路基安全运营具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统结构示意图(路基纵截面)。
图2为本发明的基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统结构示意图(路基横截面)。
图中：1分布式光纤应变传感器；2分布式光纤温度传感器；3分布式光纤动静应变测试转换控制模块；4分布式光纤应变温度解调仪；5路基变形监测预警及安全评估模块。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1为本发明的基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统结构示意图。具体实施方式是分布式光纤应变传感器1沿路基方向分层布设到路基中感知路基各层的变形信息，分布式光纤温度传感器2与分布式光纤应变传感器1同槽平行布设感知路基中相应位置的温度信息。分布式光纤温度传感器2采集的温度信息对分布式光纤应变传感器1采集的静态应变信息进行温度补偿。路基中各层的分布式光纤应变传感器1和分布式光纤温度传感器 2首尾相连形成一条光纤传感信号通路并接入到分布式光纤应变温度解调仪4中。在路基变形监测过程中，分布式光纤动静应变测试转换控制模块3向分布式光纤应变温度解调仪4发出动态应变采集指令，分布式光纤应变温度解调仪4将数据采集参数设置为高速低精度采集条件：空间分辨率2.0m、距离采样分辨率2.0m、布里渊频率扫描步长10MHz和数据采集平均次数2的11次方，然后进行数据采集。采集的动态应变信息传输到路基变形监测预警及安全评估模块5中，一旦监测到突变的动应变信号，发出路基突发塌陷预警信息。在高速铁路停运的“天窗时间”或高速公路车辆稀少的时间段，分布式光纤动静应变测试转换控制模块3 发出静态应变采集指令，分布式光纤应变温度解调仪4将数据采集参数设置为高精度静态采集条件：空间分辨率0.5m、距离采样分辨率0.1m、布里渊频率扫描步长2MHz和数据采集平均次数2的14次方，然后进行数据采集。路基变形监测预警及安全评估模块5实时分析静态应变信号并计算相应的路基变形量，变形量超过预先设定的阈值，发出路基沉降预警信息。此外在基于动应变信息的路基突发塌陷预警信息发出后，分布式光纤动静应变测试转换控制模块3发出静态应变采集指令，采集塌陷产生的应变信息，对路基塌陷尺度进行计算评估。
本发明通过设置分布式光纤应变温度解调仪的数据采集条件实现分布式高精度静态应变和分布式低精度动态应变测试，基于动静应变的分析开展路基突发塌陷和长期沉降变形监测及预警。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统，其特征在于，所述的路基变形监测系统包括分布式光纤应变传感器（1）、分布式光纤温度传感器（2）、分布式光纤动静应变测试转换控制模块（3）、分布式光纤应变温度解调仪（4）、路基变形监测预警及安全评估模块（5），
所述的分布式光纤应变传感器（1）和分布式光纤温度传感器（2）布设到路基结构中，所述的分布式光纤应变传感器（1）在沿路基延伸方向分层布设，分布式光纤温度传感器（2）与分布式光纤应变传感器（1）平行同槽布设且首尾相连形成一条分布式信号传输线路并接入分布式光纤应变温度解调仪（4）中，通过分布式光纤温度传感器（2）测试的温度信息对同位置的分布式光纤应变传感器（1）进行温度补偿，
所述的分布式光纤动静应变测试转换控制模块（3）向分布式光纤应变温度解调仪（4）发出采集动、静应变的指令，采集的动、静应变信息传输至路基变形监测预警及安全评估模块（5）中，当分布式光纤动静应变测试转换控制模块（3）发出动态应变采集指令时，分布式光纤应变温度解调仪（4）的数据采集参数设置为高速低精度采集条件：空间分辨率2.0m、距离采样分辨率2.0m、布里渊频率扫描步长10MHz和数据采集平均次数2的11次方，设置后进行数据采集，当分布式光纤动静应变测试转换控制模块（3）发出静态应变采集指令时，分布式光纤应变温度解调仪（4）的数据采集参数设置为高精度静态采集条件：空间分辨率0.5m、距离采样分辨率0.1m、布里渊频率扫描步长2MHz和数据采集平均次数2的14次方，设置后进行数据采集，
所述的路基变形监测预警及安全评估模块（5）接收并分析处理动、静应变信号，对动应变突变信号进行路基突发塌陷预警；对静态应变信号进行路基变形量计算，评估路基安全状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统，其特征在于，所述的分布式光纤动静应变测试转换控制模块（3）在以下两种情况下发出静态应变采集控制指令：一是在路基变形监测预警及安全评估模块（5）发出路基突发塌陷预警信息的同时发出静态应变采集控制指令，基于高精度静态应变信息对路基塌陷尺度计算分析，二是高速铁路停营的“天窗时间”、 高速公路凌晨运营时间段发出路基静态应变采集控制指令。
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