CN110725345A - 一种光纤光栅测斜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤光栅测斜装置，包括中空测斜管(6)、光纤光栅传感器组件以及控制模块(14)，所述中空测斜管(6)为多层套管结构，包括多个环环相套的管节(12)及设于每两个所述管节(12)连接处的驱动装置(13)，所述光纤光栅传感器组件包括光纤光栅传感器(1)和螺旋扣(2)，所述管节(12)中设有橡胶拉线(9)，该橡胶拉线(9)内设有光纤，且该光纤上均匀设有光纤光栅，所述光纤与设于管节(12)外的光纤光栅调制解调仪连接。本发明还公开了一种测斜方法。本发明的测斜装置，利用光纤光栅对岩土体变形进行传感反馈，将位移变形信号转化为光电信号，可获取高精度的监测数据并实时监测基坑的水平位移情况。

Description

一种光纤光栅测斜装置及方法

技术领域

本发明属于地基勘察设备技术领域，更具体地，涉及一种光纤光栅测斜装置及方法。

背景技术

随着我国城市高楼、地铁的大量修建，基坑的深度不断增加，地质条件更加复杂，为保证这些深基坑的施工安全，常常需要对基坑周边土体的水平位移进行实时监测。测斜仪主要应用于这一领域，并取得了良好的效果。

测斜仪通常利用安装在钻孔内的测斜管进行测量工作，在安装过程中对上下相邻两节测斜管的对接有一定要求，不能出现较大的对接空隙，还要求有较高的密封性，防止钻孔内的异物进入，而实际操作过程中，测斜管安装质量难以控制，有时甚至影响最终的测量精度；其次，测斜仪探头需要在测斜管的滑槽内某些固定位置进行测量，而测斜管在运输、安装过程中，或是发生大变形的时候，一旦造成滑槽局部损坏，可能使得测斜仪探头被卡死在滑槽内无法移动，造成测斜孔无法使用以及监测设备损坏的严重后果；另外，测斜仪监测时，探头一般在测斜孔固定位置施测，每个测点间距为0.5m～1.0m，如果每次测量的位置不能保证在同一测点部位，将会对监测数据的准确性造成很大影响。

目前基坑监测中常用的测斜仪一般是在连接探头的电缆上进行标记来固化测点的位置，但这一方法在实际操作中会产生一定的人为误差；此外，虽然目前常用的测斜仪能满足基坑监测精度要求，但是还有很大的精度提升空间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种光纤光栅测斜装置及方法，装置布设一次性完成，能防止异物进入孔内，保证了较高的密封性；再利用环氧树脂进行封胶，使得光纤光栅与岩土体同步变形；利用光纤光栅对岩土体变形进行传感反馈，将位移变形信号转化为光电信号，可以获取高精度的监测数据并实时监测基坑的水平位移情况，以便采取应对措施，从而保证施工的安全性。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种光纤光栅测斜装置，包括中空测斜管、设于该中空测斜管底部的光纤光栅传感器组件，以及设于该中控测斜管外侧的控制模块；其中，

所述中空测斜管为多层套管结构，包括多个环环相套的管节及设于每两个所述管节连接处的驱动装置，内层管节可沿外层管节的内壁在所述控制模块的控制下，通过所述驱动装置的作用向钻孔内部延伸，将光纤光栅传感器组件送至钻孔底部；

所述光纤光栅传感器组件包括光纤光栅传感器和螺旋扣，所述螺旋扣包括大径端和小径端，其大径端与所述管节的一端连接，小径端穿过设于所述管节端部的管节底预留螺旋孔伸出所述管节外部，与所述光纤光栅传感器固定安装；

所述管节中设有橡胶拉线，该橡胶拉线内设有光纤，且该光纤上均匀设有光纤光栅，所述光纤一端与设于管节外的光纤光栅调制解调仪连接，另一端与所述光纤光栅传感器连接，所述控制模块控制所述光纤光栅传感器对岩土体变形进行传感反馈，将位移变形信号转化为光电信号，获取高精度的监测数据。

进一步地，所述多层套管结构的每层套管对接处设有预留孔，所述预留孔内设有压簧和弹扣，所述压簧和弹扣共同作用组成该光纤光栅测斜装置的限位单元。

进一步地，所述中空测斜管包括收线器，该收线器设于所述管节其中一端部，并与所述橡胶拉线连接。

进一步地，所述中空测斜管包括包层，该包层包覆于所述橡胶拉线外圆周上。

进一步地，所述光纤光栅传感器组件包括螺旋帽，该螺旋帽整体为设有内螺纹的圆柱筒状结构，通过螺纹连接的方式将其固定于所述螺旋扣的一端。

进一步地，所述光纤光栅传感器组件包括橡胶保护套，该橡胶保护套为橡胶圆柱筒状结构，设于所述螺旋帽外侧。

进一步地，所述驱动装置为液压机构或电机，该液压机构或电机与所述控制模块连接，可接收所述控制模块的指令并动作，驱动对应的所述管节伸缩运动。

进一步地，所述控制模块包括数据采集端、数据处理器及控制器，所述数据采集端用于对钻孔的深度进行测量，并将测量数据传输给所述数据处理器，所述数据处理器对测量数据进行计算获取所述中空测斜管的伸缩长度及速度信号，并通过所述控制器向所述驱动装置发送指令。

按照本发明的另一个方面，提供一种光纤光栅测斜方法，应用所述的光纤光栅测斜装置实现，包括如下步骤：

S1：将光纤光栅传感器的一端与橡胶拉线相连接，另一端穿过管节，穿过管节底预留螺旋孔之后利用螺旋扣将光纤光栅传感器的一端固定，拧紧螺旋帽，同时套上橡胶保护套，利用环氧树脂将光纤光栅传感器在管节内的胶封；

S2：管节在控制模块的控制作用下，通过驱动装置稳步向钻孔内部延伸之后向钻孔中回填预先配置好的水泥砂浆；

S3：将光纤光栅传感器在孔口处预留的光纤光栅接头连接到光纤光栅调制解调仪，开始进行基坑水平位移的监测。

进一步地，步骤S中所述管节的下放，具体包括如下步骤：

S201：数据采集端对钻孔的深度进行测量，并将测量数据传输给所述数据处理器；

S202：数据处理器对测量数据进行计算获取所述中空测斜管的伸缩长度及速度信号，并通过所述控制器向所述驱动装置发送指令；

S203：所述驱动装置动作，驱动对应管节沿钻孔向内延伸，每放完一节管节，弹扣会自动弹出固定管节，用环氧树脂将管节内的空隙充满，将橡胶拉线与套管固定为一整体，再进行下一管节的下放，直至达到对应钻孔深度停止。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的测斜装置，装置布设一次性完成，能防止异物进入孔内，保证了较高的密封性；再利用环氧树脂进行封胶，使得光纤光栅与岩土体同步变形；利用光纤光栅对岩土体变形进行传感反馈，将位移变形信号转化为光电信号，可以获取高精度的监测数据并实时监测基坑的水平位移情况，以便采取应对措施，从而保证施工的安全性。

2.本发明的测斜装置，橡胶拉线内部为光纤，且在该光纤上均匀设有光纤光栅，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，用于和光纤光栅传感器组件相配合测量基坑的水平位移量。

3.本发明的测斜装置，利用光纤光栅传感器，能够较为精确地测量基坑的水平位移；传感器本身体积较小，拆装和布设较为方便，且不占用额外的作业空间。

4.本发明的测斜装置，测斜杆为PV管材质，可与土体协同变形、稳定性高，在基坑、边坡等工程中具有积极地推广应用价值。

5.本发明的测斜装置，光纤光栅测斜装置一体式装配，安装布设操作简单，节省时间。

6.本发明的测斜方法，利用光纤光栅传感器和橡胶拉线内的光纤光栅相配合，将基坑水平位移转换为光信号传递到外部光纤光栅调制解调仪处，完成对基坑水平位移的测量，测量精度高，稳定性好。

附图说明

图1为本发明实施例一种光纤光栅测斜装置的测斜杆示意图；

图2为本发明实施例一种光纤光栅测斜装置的水平方向剖视图；

图3为本发明实施例一种光纤光栅测斜装置的管节12结构示意图；

图4为本发明实施例中控制模块组成示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-光纤光栅传感器、2-螺旋扣、3-螺旋帽、4-橡胶保护套、5-管节底预留螺旋孔、6-中空测斜管、7-压簧、8-弹扣、9-橡胶拉线、10-包层、11-收线器、12-管节、13-驱动装置、14-控制模块、141-数据采集端、142-数据处理器、143-控制器。

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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2和图3所示，该光纤光栅测斜装置包括光纤光栅传感器组件、中空测斜管6及控制模块14。中空测斜管6为该光纤光栅测斜装置的主体，光纤光栅传感器组件设于该中空测斜管6的一端，通过光纤光栅传感器组件、中空测斜管6内部的构件及控制模块14相配合工作，完成对岩土体变形的检测。利用光纤光栅对岩土体变形进行传感反馈，将位移变形信号转化为光电信号，可以获取高精度的监测数据并实时监测基坑的水平位移情况，以便采取应对措施，从而保证施工的安全性。

如图1、图2和图3所示，中空测斜管6包括管节底预留螺旋孔5、压簧7、弹扣8、橡胶拉线9、包层10、收线器11、管节12和驱动装置13。管节12为该中空测斜管6的主体，该管节12为多层套管结构，且在该多层套管结构的每层套管的两端都设有预留孔，用于压簧7和弹扣8的安装，优选地，该多层套管结构每节可设计为1m，在进行安装时，管节12可在自身自重的作用下自动向钻孔内部延伸，将光纤光栅传感器组件送至钻孔底部，便于光纤光栅测斜装置的安装与检测。压簧7和弹扣8共同作用组成该光纤光栅测斜装置的限位单元，该限位单元设于管节12相邻两套管径向交界处的位置，其中间部位为固定于内层套管上的压簧7，远离径向的一端设有弹扣8，在管节12可向钻孔内部延伸过程中，在管节12的套管接近尾端时，此时该限位单元的弹扣8在压簧7的作用下弹出到管节12的预留孔上，在保证该管节12的密封性的同时完成对该管节12的自动固定，提高该光纤光栅测斜装置的安全性和可靠性。管节底预留螺旋孔5为设于管节12尾节套管末端面的圆形通孔，用于光纤光栅传感器组件的安装。驱动装置13为液压机构或电机，该液压机构或电机与所述控制模块14连接，可接收所述控制模块14的指令并动作，驱动对应的所述管节12伸缩运动。同时，橡胶拉线9设于管节12的内部，其一端穿过管节底预留螺旋孔5与光纤光栅传感器组件相连接，另一端与设于光纤光栅测斜装置外部的收线器11固定连接。该橡胶拉线9内部为光纤，且在该光纤上均匀设有光纤光栅，光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输，用于和光纤光栅传感器组件相配合测量基坑的水平位移量。且在该光纤的外部为一层橡胶层，同时在该橡胶层的外侧还设置有一层包层10，用于提高该橡胶拉线9柔韧性和机械性能，在进行管节12可向钻孔内部延伸过程中，可通过对收线器11的控制来调节管节12的下降速度，提高该光纤光栅测斜装置的安全性和可靠性。

此外，如图1所示，光纤光栅传感器组件包括光纤光栅传感器1、螺旋扣2、螺旋帽3和橡胶保护套4。其中，螺旋扣2整体为设有外螺纹的螺钉状结构，该螺旋扣2的小径端穿过管节底预留螺旋孔5向管节12外部伸出，用于光纤光栅传感器组件其他构件的固定安装，同时，该螺钉状结构沿中轴处设有一圆柱形通孔，以便光纤光栅传感器1的固定安装。光纤光栅传感器1一端设于螺旋扣2内部的圆形通孔处，由该螺旋扣2固定，另一端与橡胶拉线9内部的光纤相连接，该光纤光栅传感器1用于和橡胶拉线9内的光纤光栅相配合，将基坑水平位移转换为光信号传递到外部光纤光栅调制解调仪处，完成对基坑水平位移的测量。螺旋帽3整体为设有内螺纹的圆柱筒状结构，通过螺纹连接的方式将其固定在螺旋扣2的一端，一方面便于螺旋扣2的固定安装，另一方面在保障光纤光栅测斜装置的密封性的同时为光纤光栅传感器1提供保护，避免光纤光栅传感器1发生意外损坏。橡胶保护套4为橡胶圆柱筒状结构，该橡胶保护套4设于螺旋帽3外侧，进一步地为该光纤光栅传感器组件提供保护，提高该光纤光栅测斜装置的安全性和可靠性。

此外，如图4所示，控制模块包括数据采集端141、数据处理器142及控制器143，所述数据采集端141用于对钻孔的深度进行测量，并将测量数据传输给所述数据处理器142，所述数据处理器142对测量数据进行计算获取所述中空测斜管6的伸缩长度及速度信号，并通过所述控制器143向所述驱动装置13发送指令，驱动装置13动作，驱动对应管节12沿钻孔向内延伸。

本发明实施例一种光纤光栅测斜装置，工作原理及其具体实施步骤如下：

步骤1：将光纤光栅传感器1的一端与橡胶拉线9相连接，另一端穿过测斜杆最里面的中空管节12，穿过管节底预留螺旋孔5之后利用螺旋扣将光纤光栅传感器1的一端进行固定，之后拧紧螺旋帽3，同时套上橡胶保护套4，在保障密封性的同时为光纤光栅传感器1提供保护，最后利用环氧树脂将光纤光栅传感器1在管节12内的胶封。

步骤2：在完成光纤光栅传感器1在管节12内的胶封的胶封之后，进行管节12的安装，数据采集端141对钻孔的深度进行测量，并将测量数据传输给所述数据处理器142，数据处理器142对测量数据进行计算获取所述中空测斜管6的伸缩长度及速度信号，并通过所述控制器143向所述驱动装置13发送指令，驱动装置13动作，驱动对应管节12沿钻孔向内延伸，每放完一节管节12，弹扣8会自动弹出固定管节12，用环氧树脂将管节12内的空隙充满，将橡胶拉线9与套管固定为一整体，再进行下一管节12的下放，直至达到对应钻孔深度停止，之后向钻孔中回填预先配置好的水泥砂浆。

步骤3：将光纤光栅测斜装置在孔口处预留的光纤光栅接头连接到光纤光栅调制解调仪，开始进行基坑水平位移的监测，测量完毕后还应注意保护测斜杆出露部位和光纤光栅接头。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，包括中空测斜管(6)、设于该中空测斜管(6)底部的光纤光栅传感器组件，以及设于该中控测斜管(6)外侧的控制模块(14)；其中，

所述中空测斜管(6)为多层套管结构，包括多个环环相套的管节(12)及设于每两个所述管节(12)连接处的驱动装置(13)，内层管节(12)可沿外层管节(12)的内壁在所述控制模块(14)的控制下，通过所述驱动装置(13)的作用向钻孔内部延伸，将光纤光栅传感器组件送至钻孔底部；

所述光纤光栅传感器组件包括光纤光栅传感器(1)和螺旋扣(2)，所述螺旋扣(2)包括大径端和小径端，其大径端与所述管节(12)的一端连接，小径端穿过设于所述管节(12)端部的管节底预留螺旋孔(5)伸出所述管节(12)外部，与所述光纤光栅传感器(1)固定安装；

所述管节(12)中设有橡胶拉线(9)，该橡胶拉线(9)内设有光纤，且该光纤上均匀设有光纤光栅，所述光纤一端与设于管节(12)外的光纤光栅调制解调仪连接，另一端与所述光纤光栅传感器(1)连接，所述控制模块(14)控制所述光纤光栅传感器(1)对岩土体变形进行传感反馈，将位移变形信号转化为光电信号，获取高精度的监测数据。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述多层套管结构的每层套管对接处设有预留孔，所述预留孔内设有压簧(7)和弹扣(8)，所述压簧(7)和弹扣(8)共同作用组成该光纤光栅测斜装置的限位单元。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述中空测斜管(6)包括收线器(11)，该收线器(11)设于所述管节(12) 其中一端部，并与所述橡胶拉线(9)连接。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述中空测斜管(6)包括包层(10)，该包层(10)包覆于所述橡胶拉线(9)外圆周上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器组件包括螺旋帽(3)，该螺旋帽(3)整体为设有内螺纹的圆柱筒状结构，通过螺纹连接的方式将其固定于所述螺旋扣(2)的一端。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器组件包括橡胶保护套(4)，该橡胶保护套(4)为橡胶圆柱筒状结构，设于所述螺旋帽(3)外侧。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述驱动装置(13)为液压机构或电机，该液压机构或电机与所述控制模块(14)连接，可接收所述控制模块(14)的指令并动作，驱动对应的所述管节(12)伸缩运动。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种光纤光栅测斜装置，其特征在于，所述控制模块包括数据采集端(141)、数据处理器(142)及控制器(143)，所述数据采集端(141)用于对钻孔的深度进行测量，并将测量数据传输给所述数据处理器(142)，所述数据处理器(142)对测量数据进行计算获取所述中空测斜管(6)的伸缩长度及速度信号，并通过所述控制器(143)向所述驱动装置(13)发送指令。

9.一种光纤光栅测斜方法，其特征在于，应用如权利要求1-8中任一项所述的光纤光栅测斜装置实现，包括如下步骤：

S1：将光纤光栅传感器(1)的一端与橡胶拉线(9)相连接，另一端穿过管节(12)，穿过管节底预留螺旋孔(5)之后利用螺旋扣(2)将光纤光栅传感器(1)的一端固定，拧紧螺旋帽(3)，同时套上橡胶保护套(4)，利用环氧树脂将光纤光栅传感器(1)在管节(12)内的胶封；

S2：管节(12)在控制模块(14)的控制作用下，通过驱动装置(13)稳步向钻孔内部延伸之后向钻孔中回填预先配置好的水泥砂浆；

S3：将光纤光栅传感器(1)在孔口处预留的光纤光栅接头连接到光纤光栅调制解调仪，开始进行基坑水平位移的监测。

10.根据权利要求9所述的一种光纤光栅测斜方法，其特征在于，步骤S2中所述管节(12)的下放，具体包括如下步骤：

S201：数据采集端(141)对钻孔的深度进行测量，并将测量数据传输给所述数据处理器(142)；

S202：数据处理器(142)对测量数据进行计算获取所述中空测斜管(6)的伸缩长度及速度信号，并通过所述控制器(143)向所述驱动装置(13)发送指令；

S203：所述驱动装置(13)动作，驱动对应管节(12)沿钻孔向内延伸，每放完一节管节(12)，弹扣(8)会自动弹出固定管节(12)，用环氧树脂将管节(12)内的空隙充满，将橡胶拉线(9)与套管固定为一整体，再进行下一管节(12)的下放，直至达到对应钻孔深度停止。

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