CN111006604A - 高精度分布式隧道裂缝监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度分布式隧道裂缝监测系统及方法，属于隧道中病害监测的技术领域。本发明的高精度分布式隧道裂缝监测系统包括宽带光源、信号处理系统、第一耦合器、第二耦合器、信号臂、LCI光纤传感器、反光镜、末端切平的光纤和参考臂；隧道的内壁上设置隧道管片，LCI光纤传感器紧贴隧道管片布置，且其起点和终点处于相同的水平位置，水平投影呈V型循环布置；LCI光纤传感器的起点和终点之间均处于拉伸状态。本发明的检测系统和方法能够监测隧道内管片裂缝的发展情况，具有监测精度高、抗电磁干扰强的优点，且光纤传感器可设置在管片表面方便管理和更换，便于隧道的长期监测，可大规模推广应用于工程隧道的裂缝监测。

Description

高精度分布式隧道裂缝监测系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道中病害监测的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种高精度分布式隧道裂缝监测系统及方法。

背景技术

光纤传感技术作为一项新兴监测技术，近十几年来，已逐步地应用于隧道裂缝预测、结构沉降、管片错台等方面，而且发展迅速。

现有技术中公开了一些基于不同类型光纤传感器技术的裂缝监测方法，其主要包括以下几种类型：

CN108709856A混凝土结构裂缝监测预警系统及预警方法，具有监测过程自动化程度及智能化程度更高等优点；CN109682308A公开了一种塑料光纤裂缝监测装置及监测方法，其基于光时域反射的分布式传感器，具有精度高，可实现实时在线监测和远程遥测等优良特性。

CN109556524A公开了一种裂缝宽度监测系统，该系统基于光纤光栅传感技术在裂缝区设置光纤光栅位移监测杆，通过不同的布置方式并配合相应算法可以确定裂缝变形的相对位移或绝对位移，具有精度高、抗干扰能力强等优点。

CN106525860A公开了一种混凝土监测的方法，CN104729424A公开了一种能监测基层裂缝的分布式传感光纤装置及其监测方法中，上述监测方法基于布里渊光时域分布式光纤传感(BOTDA)方法。

CN105842257A公开了一种基于光学低相干干涉技术进行精确度达到亚微米量级的玻璃亚表面缺陷检测装置，该种光纤传感器测量系统具有分辨率高、灵敏度强、实时性好等优点。但是其主要缺陷在于参考臂和样品臂部分包括准直透镜、45°反射镜等进行光路的改变以达到精确结果的严格要求，大大限制了该系统在实际工程中的应用。

我国幅员辽阔，各类自然条件差异很大，同时运营期间的隧道又受前期设计与施工技术条件的限制等方面的原因，隧道病害问题日益突出，隧道管片裂缝问题就是其中之一。因此，对隧道管片裂缝进行监测就有了很强的紧迫性和必要性。近年来，基于不同技术的隧道中裂缝监测系统正在快速发展，引入光纤技术对隧道中裂缝进行监测就是其中的一种。但上述列举的监测系统构造复杂并且条件严格，一般是将光纤埋入待测体(隧道的混凝土内部)，大大限制了其应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高精度分布式隧道裂缝监测系统及方法。

本发明的一种高精度分布式隧道裂缝监测系统，其特征在于：包括宽带光源、信号处理系统、第一耦合器、第二耦合器、信号臂、反光镜、末端切平的光纤、参考臂和LCI光纤传感器；

其中，所述隧道的内壁上沿着长度方向设置隧道管片，所述LCI光纤传感器包括连续的多段，所述每段LCI光纤传感器紧贴隧道管片布置，每段LCI光纤传感器在所述隧道管片的横截面上的投影为圆弧形，所述每段LCI光纤传感器的起点和终点处于相同的水平位置，相邻两段的LCI光纤传感器首尾相连，并且所述多段LCI光纤传感器在水平面上端投影呈V型循环布置；所述每段LCI光纤传感器的起点和终点之间在所述隧道长度方向的投影距离等于所述隧道管片的宽度，并且所述每段LCI光纤传感器均经过相邻两段隧道管片，所述每段LCI光纤传感器的起点和终点之间均处于拉伸状态；

所述宽带光源通过光纤光缆与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器通过信号臂与所述LCI光纤传感器的起点连接；所述信号处理系统通过光纤光缆与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器和第二耦合器之间通过光纤光缆连接，所述第二耦合器还连接所述LCI光纤传感器的参考臂以及用于反射信号的末端切平的光纤，而所述参考臂与所述反光镜相配合。

其中，所述反光镜设置在光学移动扫描平台上。

其中，所述LCI光纤传感器通过粘胶例粘贴于所述隧道管片上。

其中，所述信号臂由内部的裸光纤和包裹所述裸光纤的PVC紧包层构成。

其中，所述隧道管片的宽度为200mm-1000mm。

本发明的一种高精度分布式隧道裂缝监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定LCI光纤传感器的起点和终点；

(2)布置LCI光纤传感器；

(3)布置高精度分布式隧道裂缝监测系统；

(4)对每段LCI光纤传感器进行扫描调试测量，保证干涉信号光谱以及光程差解调结果趋于稳定；

(5)进行监测并对数据进行记录并分析结果得到相应的裂缝产生的应变变化量。

其中，在步骤(1)中，隧道的内壁上沿着长度方向设置隧道管片，并且在所述隧道管片上确定每段LCI光纤传感器的起点和终点，并且所述LCI光纤传感器的起点和终点处于相同的水平位置。

其中，在步骤(2)中，每段LCI光纤传感器紧贴隧道管片布置，且每段LCI光纤传感器在所述隧道管片的横截面上的投影为圆弧形，相邻两段的LCI光纤传感器首尾相连，并且所述多段LCI光纤传感器在水平面上端投影呈V型循环布置；每段LCI光纤传感器的起点和终点之间在所述隧道长度方向的投影距离等于隧道管片的宽度，每段LCI光纤传感器均经过相邻两段隧道管片，而每段LCI光纤传感器的起点和终点之间均处于拉伸状态。

其中，在步骤(3)中，配置宽带光源、信号处理系统、第一耦合器、第二耦合器、信号臂、反光镜、末端切平的光纤和参考臂；所述宽带光源通过光纤光缆与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器通过信号臂与所述LCI光纤传感器的起点连接；所述信号处理系统通过光纤光缆与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器和第二耦合器之间通过光纤光缆连接，所述第二耦合器还连接所述LCI光纤传感器的参考臂以及用于反射信号的末端切平的光纤，而所述参考臂与所述反光镜相配合。

其中，在步骤(5)中，光程差Δy和应变Sε的关系如下所示：

Δy＝1.19Sε

设在隧道管片两侧固定点之间的水平距离为n，每段LCI光纤传感器原长为S，拉长后的长度为S(1+ε)；拉伸后的LCI光纤传感器通过辅助线可以形成一个直角三角形，两条直角边长度分别为a和b，这时b的可以求得为：

由图5可以看出：

b＝n+2Δr

光程差Δy与裂缝Δr之间关系的公式：

其中，β为LCI光纤传感器在水平面上端投影与所述隧道长度方向的夹角。

与现有技术相比，本发明的高精度分布式隧道裂缝监测系统和方法具有以下有益效果：

本发明基于迈克尔逊低相干干涉技术进行设计，通过相邻两点固定的受拉光纤光缆测量波长的变化，得出位移的变化，进而反映出隧道内管片裂缝的发展情况，具有监测精度高、监测成本低以及抗电磁干扰强的优点，且光纤传感器可设置在管片表面方便管理和更换，便于隧道的长期监测，可大规模推广应用于工程隧道的裂缝监测。

附图说明

图1为本发明的高精度分布式隧道裂缝监测系统的透视图。

图2为本发明的监测系统中的信号臂的截面图；

图3为本发明的监测系统中的LCI光纤传感器在隧道内布置正视图；

图4为本发明的监测系统中的LCI光纤传感器在隧道内布置俯视图；

图5为LCI光纤传感器应变与裂缝变化之间关系的示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明的液压衬套后扭力梁总成做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于低相干干涉技术的高精度分布式隧道裂缝监测系统，其包括宽带光源1、信号处理系统2、第一耦合器3、第二耦合器4、信号臂7、LCI光纤传感器6、反光镜9、末端切平的光纤8和参考臂11。所述隧道的内壁上沿着长度方向设置隧道管片，所述LCI光纤传感器6包括连续的多段，如图3所示，所述每段LCI光纤传感器6紧贴隧道管片布置并通过粘胶例如环氧树脂胶16粘贴于所述隧道管片上，每段LCI光纤传感器6在所述隧道管片的横截面上的投影为圆弧形，所述每段LCI光纤传感器6的起点和终点处于相同的水平位置，相邻两段的LCI光纤传感器6首尾相连，并且所述多段LCI光纤传感器6在水平面上端投影呈V型循环布置。所述每段LCI光纤传感器6的起点和终点之间在所述隧道长度方向的投影距离L等于所述隧道管片的宽度n，并且所述每段LCI光纤传感器6均经过相邻两段隧道管片，并且所述每段LCI光纤传感器6的起点和终点之间均处于拉伸状态。所述隧道管片的宽度为200mm～1000mm，例如300mm。

所述宽带光源1通过光纤光缆与所述第一耦合器3连接，所述第一耦合器3通过信号臂7与所述LCI光纤传感器6的起点连接。所述信号处理系统2通过光纤光缆与所述第二耦合器4连接，所述第一耦合器3和第二耦合器4之间通过光纤光缆5连接，所述第二耦合器4还连接所述LCI光纤传感器的参考臂11以及用于反射信号的末端切平的光纤8，而所述参考臂11与设置在光学移动扫描平台10上的反光镜9相配合。在本实施例中，所述信号臂7采用铠装光纤光缆，如图2所示，所述铠装光纤光缆由内部的裸光纤14及包裹所述裸光纤14的PVC紧包层13组成。

如图1所示，宽带光源1发出的光沿着光纤光缆经过第一耦合器3后到达布置在隧道内壁上的LCI光纤传感器6，光入射到LCI光纤传感器6后会沿着原来光路进行反射，经过第一耦合器3后到达第二耦合器4，然后被分成两路，这两路光分别被末端切平的光纤8以及光学移动平台10上的反光镜9沿着原来光路进行反射，当LCI光纤传感器6和参考臂11反射回的光在第二耦合器4汇合并发生干涉，其过程产生低相干干涉信号由信号采集和处理系统2接收。本发明通过LCI光纤传感器6的长度的变化，导致两端反射率不同，LCI光纤传感器的拉压变形通过信号臂7内部光程变化来反映出隧道裂缝变化。

本发明具体操作方法简述如下：

(1)确定好定位点的位置；

(2)按照最短距离原则连接相近的两个定位点，形成“V”字形线路，线路中间布置若干个固定点使线路紧贴隧道管片，同时对每相邻两点固定的LCI光纤传感器6施加拉应力，并且对待测区域依次循环布置；

(3)将LCI光纤传感器6连入该系统中；

(4)结合低相干干涉光纤传感器和相应的软件系统进行信号调试测量，对不同位置的LCI光纤传感器6进行扫描，等待此时干涉信号光谱以及光程差解调结果趋于稳定；

(5)进行监测并对数据进行记录并分析结果得到相应的裂缝产生的应变变化量，LCI光纤传感器6的分辨率可以达到10^-6微应变。

在该监测过程中，应当注意避免较大的干扰，以免引起光纤的不稳定，影响实监测结果。

本发明的隧道裂缝监测系统的工作原理如下：

当隧道内裂缝变形时，两个管片之间的LCI光纤传感器6会发生受拉变形。LCI光纤传感器6内部的光路波长会发生相应的变化，如果LCI光纤传感器6和参考臂11反射回去的光的光程差小于最小相干光程S_c时，这时会发生光的干涉。在此条件下LCI光纤传感器6的会有受拉变形ΔS(ε)及相应的纤芯的折射率Δm(ε)变化产生，进而可以求得LCI光纤传感器6和参考臂11的光程差Δy，计算公式如下所示：

Δy＝nΔS(ε)+SΔm(ε)(a)

式中：ε为应变变形，S代表光纤长度，m代表纤芯指数。

由LCI光纤传感器应变变化导致的光纤光程变化可以由下面的公式表示：

ΔS(ε)＝Sε(b)

由LCI光纤传感器应变变化导致的折射率的变化分别由下面的公式表示：

其中μ为泊松比，q₁₁和q₁₂光纤的Pockel常数。

将公式(a)、(b)和(c)合并后可以得到以下计算光程差的公式：

标准的单模光纤的详细参数如下：q₁₁＝0.12，q₁₂＝0.27，μ＝0.15，m＝1.46。

因此得到光程差和应变的关系如下所示：

Δy＝1.19Sε(e)

设在管片两侧固定点之间的水平距离为n，LCI光纤传感器原长为S，故拉长后的长度为S(1+ε)，变形前后a的值不变，其值为：

a＝Ssinβ(f)

这时变形后的LCI光纤传感器通过辅助线可以形成一个直角三角形，两条直角边长度分别为a和b，这时b的可以求得为：

由图5可以看出：

b＝n+2Δr(h)

将公式(e)、(f)、(g)、(h)合并后可以得到以下光程差与裂缝之间关系的公式：

即可利用光程差Δy计算隧道内两管片之间被测区域裂缝变化的平均值，进而可以得出两管片之间裂缝发展情况。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度分布式隧道裂缝监测系统，其特征在于：包括宽带光源、信号处理系统、第一耦合器、第二耦合器、信号臂、反光镜、末端切平的光纤、参考臂和LCI光纤传感器；

其中，所述隧道的内壁上沿着长度方向设置隧道管片，所述LCI光纤传感器包括连续的多段，所述每段LCI光纤传感器紧贴隧道管片布置，每段LCI光纤传感器在所述隧道管片的横截面上的投影为圆弧形，所述每段LCI光纤传感器的起点和终点处于相同的水平位置，相邻两段的LCI光纤传感器首尾相连，并且所述多段LCI光纤传感器在水平面上端投影呈V型循环布置；所述每段LCI光纤传感器的起点和终点之间在所述隧道长度方向的投影距离等于所述隧道管片的宽度，并且所述每段LCI光纤传感器均经过相邻两段隧道管片，所述每段LCI光纤传感器的起点和终点之间均处于拉伸状态；

所述宽带光源通过光纤光缆与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器通过信号臂与所述LCI光纤传感器的起点连接；所述信号处理系统通过光纤光缆与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器和第二耦合器之间通过光纤光缆连接，所述第二耦合器还连接所述LCI光纤传感器的参考臂以及用于反射信号的末端切平的光纤，而所述参考臂与所述反光镜相配合。

2.根据权利要求1所述的高精度分布式隧道裂缝监测系统，其特征在于：所述反光镜设置在光学移动扫描平台上。

3.根据权利要求1所述的高精度分布式隧道裂缝监测系统，其特征在于：所述LCI光纤传感器通过粘胶例粘贴于所述隧道管片上。

4.根据权利要求1所述的高精度分布式隧道裂缝监测系统，其特征在于：所述信号臂由内部的裸光纤和包裹所述裸光纤的PVC紧包层构成。

5.根据权利要求1所述的高精度分布式隧道裂缝监测系统，其特征在于：所述隧道管片的宽度为200mm-1000mm。

6.一种高精度分布式隧道裂缝监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定LCI光纤传感器的起点和终点；

(2)布置LCI光纤传感器；

(3)布置高精度分布式隧道裂缝监测系统；

(4)对每段LCI光纤传感器进行扫描调试测量，保证干涉信号光谱以及光程差解调结果趋于稳定；

(5)进行监测并对数据进行记录并分析结果得到相应的裂缝产生的应变变化量。

7.根据权利要求6所述的高精度分布式隧道裂缝监测方法，其特征在于：在步骤(1)中，隧道的内壁上沿着长度方向设置隧道管片，并且在所述隧道管片上确定每段LCI光纤传感器的起点和终点，并且所述LCI光纤传感器的起点和终点处于相同的水平位置。

8.根据权利要求6所述的高精度分布式隧道裂缝监测方法，其特征在于：在步骤(2)中，每段LCI光纤传感器紧贴隧道管片布置，且每段LCI光纤传感器在所述隧道管片的横截面上的投影为圆弧形，相邻两段的LCI光纤传感器首尾相连，并且所述多段LCI光纤传感器在水平面上端投影呈V型循环布置；每段LCI光纤传感器的起点和终点之间在所述隧道长度方向的投影距离等于隧道管片的宽度，每段LCI光纤传感器均经过相邻两段隧道管片，而每段LCI光纤传感器的起点和终点之间均处于拉伸状态。

9.根据权利要求6所述的高精度分布式隧道裂缝监测方法，其特征在于：在步骤(3)中，配置宽带光源、信号处理系统、第一耦合器、第二耦合器、信号臂、反光镜、末端切平的光纤和参考臂；所述宽带光源通过光纤光缆与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器通过信号臂与所述LCI光纤传感器的起点连接；所述信号处理系统通过光纤光缆与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器和第二耦合器之间通过光纤光缆连接，所述第二耦合器还连接所述LCI光纤传感器的参考臂以及用于反射信号的末端切平的光纤，而所述参考臂与所述反光镜相配合。

10.根据权利要求6所述的高精度分布式隧道裂缝监测方法，其特征在于：在步骤(5)中，光程差Δy和应变Sε的关系如下所示：

Δy＝1.19Sε

设在隧道管片两侧固定点之间的水平距离为n，每段LCI光纤传感器原长为S，拉长后的长度为S(1+ε)；拉伸后的LCI光纤传感器通过辅助线可以形成一个直角三角形，两条直角边长度分别为a和b，光程差Δy与裂缝Δr之间关系的公式：

其中，β为LCI光纤传感器在水平面上端投影与所述隧道长度方向的夹角。

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