CN110984247A - 基于ofdr光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer)光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统及方法，系统包括OFDR分布式光纤传感器、温度补偿光纤、光纤数据采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统和电源；将分布式光纤传感器和温度补偿光纤布设在支撑凹槽内；采用光纤数据自动采集与传输系统对光纤实时采集和传输，再通过光纤数据处理系统将支撑应变、温度变化并显现出来，确定基坑支撑轴力变化、基坑支撑变形。当基坑轴力累计变化量超过报警值时，光纤数据处理系统的应力应变信息自动标红并报警。本发明稳定性好、高灵敏度、高空间分辨率、测量精度大、抗干扰能力强，适用于对基坑支撑轴力实时和长期监测。

Description

基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基坑支撑轴力监测系统，尤其涉及一种基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统及方法。

背景技术

在基坑安全稳定的监测过程中，需要对基坑支撑轴力、深层水平位移、立柱沉降、地面沉降、圈梁水平位移、圈梁竖向位移、水位进行长期监测，有时由于基坑开挖支撑轴力变化过大导致基坑支撑变形，支撑强度不够而发生基坑土体失稳现象，为了确保基坑的安全，需要确保基坑在开挖过程中的稳定性。目前的监测手段多采用应变计或者应力计传感器进行人工监测，其数据的及时性和测量的准确程度已很难满足基坑实时持续监测的需要。

而OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)分布式光纤传感器是一种新型传感器,其具有高灵敏度、精度高，抗干扰能力强、安全可靠，耐腐蚀的特点，已在众多工程监测领域中得到应用。但如何基于OFDR光纤传感对基坑支撑进行轴力监测已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有监测技术中存在的不足，本发明提供一种基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统及方法，以实时监测基坑支撑的轴力变化，判定基坑的稳定性。

技术方案：本发明基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统，包括OFDR分布式光纤传感器、温度补偿光纤、OFDR光纤数据自动采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统和电源；分布式光纤传感器和温度补偿光纤平行铺设于基坑支撑内；分布式光纤传感器和温度补偿光纤接入OFDR光纤数据自动采集与传输系统；光纤数据自动采集与传输系统将数据传输至光纤数据处理与分析系统；数据处理与分析系统作出基坑支撑的应力应变曲线，分析支撑的受力变形；基坑轴力变化量超过设定的报警值时，光纤数据处理与分析系统报警；OFDR光纤数据自动采集与传输系统上设有二维码。

其中的支撑采用混凝土支撑或钢支撑。

混凝土支撑或钢支撑开有凹槽，OFDR分布式光纤传感器和温度补偿光纤平行铺设于凹槽内，并进行预拉伸。

本发明基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，包括以下步骤：

(1)将所述分布式光纤传感器和温度补偿光纤铺设到基坑支撑的凹槽内；

(2)将分布式光纤传感器和温度补偿光纤接入OFDR光纤数据自动采集与传输系统，并进行初始值的采集；

(3)将数据采集仪采集的数据导入光纤数据处理与分析系统，数据处理与分析系统对数据进行平滑、去噪处理得到实测数据后，作出基坑支撑的应力应变曲线，分析支撑的受力变形特征和变化规律；

(4)当基坑轴力的累计变化量超过设定的报警值时，光纤数据处理系统上的应力应变信息自动标红并进行报警。

步骤1中，将分布式光纤传感器和温度补偿光纤平行放入到槽内，使用快干胶将光缆进行分区段固定，然后沿着凹槽4埋入感测光缆，并对光缆进行预拉。

分布式光纤传感器和温度补偿光纤通过夹具固定在支撑上。

对出线部位的分布式光纤传感器和温度补偿光纤使用护套保护。

对支撑端部伸出的分布式光纤传感器和温度补偿光纤分别进行熔接，将熔接好的光纤接头接入OFDR光纤数据自动采集与传输系统。

光纤熔接处设有热膨胀管。

工作原理：本发明将传输与传感媒质合二为一的光频域反射OFDR(OpticalFrequency Domain Reflectometer)光纤数据采集技术应用到基坑支撑轴力监测中，并设计了相应的数据处理系统，可以准确地监测基坑支撑应变的动态变化信息，从而得出基坑支撑的轴力变化，最终得到基坑支撑的变形变化规律。其中OFDR技术是分布式光纤传感技术的一种，具有灵敏度与空间分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰和辐射与环境适应能力强等优点。其应变分辨率达到了1.0με，温度分辨率达到0.12℃，测量范围达到±30000με和-270～900℃，该技术基于脉冲雷达的调频连续波技术，两束相干光入射入光纤后，在接收端探测光和本征光发生干涉，如果测试环境参数变化引起光信号相位发生变化或调制，则信号探测端检测信号将发生变化，对干涉光进行信号的解调就能得到待测光纤的具体信息。监测系统中，分布式光纤传感器按照规范要求布设在基坑支撑凹槽内，基坑支撑的变形会带动分布式光纤传感器的变形，从而实现对基坑支撑变形的监测。

有益效果：本发明具有以下优点：

(1)准确的监测基坑开挖过程中轴力的变化，与传统轴力监测相比较，OFDR分布式光纤传感器监测过程更简单，快速，可以用来监测基坑支撑的轴力变化。

(2)分布式光纤OFDR技术作为一项利用扫频光源相干检测技术对光纤中的光信号进行监测的一项技术，由于不受空间分辨率与动态范围之间矛盾的限制，其同时具备空间分辨率高、动态范围大、测试灵敏度高的特点，可以用来作长期监测和实时监测。

附图说明

图1是发明实施例中混凝土支撑的结构监测示意图；

图2是发明实施例中钢支撑的结构监测示意图；

图3是本发明的基坑混凝土支撑光纤铺设的剖面图；

图4是本发明的基坑钢支撑光纤铺设的剖面图；

图5是本发明的定点夹具使用示意图；

图6是本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明基坑1的支撑轴力监测预警系统，包括分布式光纤传感器5、温度补偿光纤6、光纤数据自动采集与传输系统7、光纤数据处理与分析系统8、移动电源9；其中分布式光纤传感器5和温度补偿光纤6均位于基坑1内的混凝土支撑2的凹槽4内，或钢支撑3的凹槽20内。分布式光纤传感器、温度补偿光纤均与光纤数据自动采集与传输系统7连接，光纤数据自动采集与传输系统7将数据传输至光纤数据处理与分析系统8；所述光纤数据处理与分析系统7和光纤数据处理与分析系统8与移动电源9相连；整个系统的使用说明通过扫描光纤数据自动采集与传输系统7上的二维码17查看，整个系统可通过移动电源9上的一键式开关18来操控。

如图3至图6所示，本发明基坑支撑轴力监测预警系统的安装及测试方法如下：

(1)对基坑支撑开槽：使用墨盒画线的方式在基坑支撑壁放线，根据不同的施工方式，画出不同的预定铺设线路，使得铺设线路平直，防止不同部位槽线深浅不一，导致其后光纤布设时紧贴槽线底部的光纤局部转弯半径过小，从而使得光波在光纤中传播的光损过大，影响测量结果；开槽方向与管道轴线方向平行。其中19为基坑立柱。

(2)使用电动打磨机沿预定铺设线路打磨出一条宽3cm的光滑平整的线路，以备分布式光纤传感器5和温度补偿光纤6的铺设。

(3)对凹槽进行除尘和清洗，同时对部分位置线路重复切割整平直，避免卡断光纤；将分布式光纤传感器5和温度补偿光纤6沿着凹槽平行埋入槽缝内，并进行预拉伸，避免松弛弯曲影响后期测试效果；再使用快干胶将光缆分区段定点固定，然后沿着混凝土支撑2的凹槽4或钢支撑3的凹槽20埋入感测光纤，对感测光缆进行预拉。最后使用粘结剂以“定点粘贴”的方式固定感测光纤；光纤应紧密固定在支撑上，确保光纤与基坑支撑紧密粘结，从而保证监测过程中的应变传递。

(4)利用钻机打孔的方式安装第一定点夹具11和第二定点夹具21，使用穿过螺栓孔13、螺丝垫套16的膨胀螺丝12固定夹具，通过定点夹具使光纤与管道变形更加协调。

(5)用AB胶每隔一段将传感光纤固定于槽缝内，然后用环氧树脂沿传感光缆沿线进行全覆盖封装保护，等待12小时待其自然风干；最后使用AB胶或其他弹性胶对风干后环氧树脂胶15进行查漏补缺以确保对于内部光纤线的全封装。

(6)采用专用保护夹具，将光缆中的纤芯在出线部位转化为高强度的铠装护套14进行保护引出，便于后续的光缆熔接。

(7)光纤布设好后，对管道端部伸出的应变传感光缆分别进行熔接，光纤熔接处需加上热膨胀管10以增加刚度和耐久性。具体的熔接步骤包括：

(7.1)用剥线钳剥除光纤端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取少量酒精擦拭裸纤表面灰尘；

(7.2)采用专业的光纤切割刀对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时要保证光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口要平整，避免切割角度超限、断纤、裂痕、毛刺现象出现；

(7.3)两根备制好的光纤固定于熔接机凹槽中，分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行自动放电熔接；

(7.4)待熔接完成后将套在光纤端头附近的热缩管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热膨胀管10固定于光纤熔接部位以此获得保护。

(8)将光纤接头接入OFDR数据采集仪，设置好相应参数，检查系统联通性并进行初始值的采集，核实监测数据有效性以便进行后续试验测试。

(9)将数据采集仪采集得到的数据导入光纤数据处理与分析系统，系统对数据进行平滑、去噪处理，剔除光纤交叉点和铠装护套保护段光纤的实测数据后作出基坑支撑的应力应变曲线，分析支撑的受力变形特征和变化规律。当基坑轴力的累计变化量超过设定的报警值时，光纤数据处理系统上的应力应变信息会自动标红进行报警。其中报警值根据相关规范、经验类别以及设计预估取设计允许最大值的80％。

Claims (9)

1.一种基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统，其特征在于：包括OFDR分布式光纤传感器(5)、温度补偿光纤(6)、OFDR光纤数据自动采集与传输系统(7)、光纤数据处理与分析系统(8)和电源(9)；所述分布式光纤传感器和温度补偿光纤平行铺设于基坑支撑内；所述分布式光纤传感器和温度补偿光纤接入OFDR光纤数据自动采集与传输系统；所述光纤数据自动采集与传输系统将数据传输至光纤数据处理与分析系统，所述光纤数据处理与分析系统作出基坑支撑的应力应变曲线，分析支撑的受力变形，所述基坑轴力变化量超过设定的报警值时，所述光纤数据处理与分析系统报警；所述OFDR光纤数据自动采集与传输系统上设有二维码。

2.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统，其特征在于：所述支撑为混凝土支撑或钢支撑。

3.根据权利要求2所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警系统，其特征在于：所述混凝土支撑或钢支撑开有凹槽，所述OFDR分布式光纤传感器和温度补偿光纤平行铺设于凹槽内，并进行预拉伸。

4.一种基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基坑支撑轴力监测系统，所述监测方法包括以下步骤：

(1)将所述分布式光纤传感器和温度补偿光纤铺设到基坑支撑的凹槽内；

(2)将分布式光纤传感器和温度补偿光纤接入OFDR光纤数据自动采集与传输系统，并进行初始值的采集；

(3)将数据采集仪采集的数据导入光纤数据处理与分析系统，所述数据处理与分析系统对数据进行平滑、去噪处理得到实测数据后，作出基坑支撑的应力应变曲线，分析支撑的受力变形特征和变化规律；

(4)当基坑轴力的累计变化量超过设定的报警值时，光纤数据处理系统上的应力应变信息自动标红并进行报警。

5.根据权利要求4所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，其特征在于：步骤(1)中，将分布式光纤传感器和温度补偿光纤平行放入到槽内，使用快干胶将光缆进行分区段固定，然后沿着凹槽(4)埋入感测光缆，并对光缆进行预拉。

6.根据权利要求4所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，其特征在于：所述分布式光纤传感器和温度补偿光纤通过夹具固定在支撑上。

7.根据权利要求4所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，其特征在于：对出线部位的分布式光纤传感器和温度补偿光纤使用护套保护。

8.根据权利要求4所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，其特征在于：对支撑端部伸出的分布式光纤传感器和温度补偿光纤分别进行熔接，将熔接好的光纤接头接入OFDR光纤数据自动采集与传输系统。

9.根据权利要求8所述的基于OFDR光纤传感的基坑支撑轴力监测预警方法，其特征在于：所述光纤熔接处设有热膨胀管。

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