CN111335956A - 基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置、结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置、结构及方法。本发明的目的是提供一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置、结构及方法。本发明的技术方案是：一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置，其特征在于：包括测杆和脉冲光及数据采集装置；所述测杆具有监测管，该监测管上下表面对称固定有BOTDR分布式光纤，监测管上下的分布式光纤相互平行且均平行监测管轴向，该监测管上下的两所述BOTDR分布式光纤均连接脉冲光及数据采集装置。本发明适用于隧洞开挖领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置、结构及方法。适用于隧洞开挖领域。
背景技术
隧洞在公路、水电、铁路、矿山等多个工程领域广泛应用，随着地下空间的进一步拓展，新意法(岩土控制变形分析方法，又称“ADECO-RS”方法)具有安全、可控、机械化程度高的特征，对于复杂环境下的隧洞工程越来越显示出其优势。新意法强调了对隧洞掌子面超前核心土的监测。
在隧洞开挖过程中，掌子面前方超前核心土体已经发生了一定的变形，目前隧洞变形监测主要是对掌子面后洞身的变形特征进行监测，对于掌子面前方超前核心土体的变形情况的监测较少，一般监测掌子面超前核心土的挤出变形，针对掌子面效应(同时监测掌子面超前核心土预收敛变形及洞身收敛变形)监测的装置及方法较少。采用测斜管等方法进行监测，由于测量方向的限制，测斜仪难以在预埋的管道中水平向前推进。对于地质条件较差的隧洞，缺少对掌子面前方超前核心土体的监测，可能存在一定的安全风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置、结构及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置，其特征在于：包括测杆和脉冲光及数据采集装置；所述测杆具有监测管，该监测管上下表面对称固定有BOTDR分布式光纤，监测管上下的分布式光纤相互平行且均平行监测管轴向，该监测管上下的两所述BOTDR分布式光纤均连接脉冲光及数据采集装置。
所述监测管采用PVC管。
一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测结构，其特征在于：所述掌子面前方设为监测洞段，掌子面上往监测洞段钻设有若干钻孔，钻孔内插装有所述监测装置中的测杆并灌注浆液。
位于所述钻孔内的测杆上的两BOTDR分布式光纤连线为安装位置隧洞法线方向。
所述钻孔具有3个，分别位于隧洞拱顶及洞周对称位置。
所述监测洞段的长度为隧洞洞径的4-5倍。
一种基于所述监测结构的监测方法，其特征在于：
获取测杆的初始应变数据；
掌子面向前推进时，持续监测测杆的应变数据，了解隧洞掌子面前后的变形特征，即距离掌子面不同位置的收敛及预收敛变形情况，分析隧洞的掌子面效应；
根据隧洞掌子面效应监测数据，分析掌子面超前核心土的稳定特征及隧洞洞身稳定特征；若隧洞洞身及超前核心土体变形较大或存在明显的不收敛特征，则必须加强支护或减小开挖进尺。
所述隧洞的变形特征根据下式计算：
式中，y为隧洞变形；ε1为测杆上表面应变；ε2为测杆下表面应变；d为两分布式光纤之间的间距，即测杆中PVC管的直径；dx为分布式光纤采样间隔。
所述分布式光纤采样间隔置可根据精度需要设置为0.05m、0.1m、0.2m、0.5m、1m。
本发明的有益效果是：本发明根据BOTDR分布式光纤适用范围广、脉冲传递与应变具有较好的线性关系、耐久性好、测量精度高、采样间距密等特征，监测掌子面超前核心土体的预收敛变形及掌子面后洞身的收敛变形，结合预收敛及收敛变形监测数据，获得隧洞的掌子面效应特征，有利于及时了解掌子面及洞身稳定状况，为隧洞开挖支护设计方案优化调整提供依据。本发明在掌子面上3个位置安装测杆，以减小误差。
附图说明
图1为实施例的监测结构的布置示意图。
图2为实施例中监测装置的示意图。
图3为实施例中隧洞掌子面前后变形示意图。
图中：1、隧洞；2、隧洞掌子面效应监测装置；3、PVC管；4、BOTDR分布式光纤；5、脉冲光及数据采集装置。
具体实施方式
如图1所示，本实施例为一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测结构，隧洞掌子面前方设为监测洞段，从掌子面上往监测洞段钻设有3个钻孔，分别位于隧洞拱顶及洞周对称位置，钻孔平行隧洞轴线并沿监测洞段通长布置。
本例中在对应钻孔设置基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置，监测装置具有测杆和脉冲光及数据采集装置，测杆同轴插装于钻孔内并注浆固定。测杆为PVC管，PVC管的上下表面对称固定有BOTDR分布式光纤，PVC管上下的两根分布式光纤相互平行且均平行PVC管轴向，该PVC管上下的两根BOTDR分布式光纤均连接脉冲光及数据采集装置(见图2),BOTDR分布式光纤的初始变形可以通过数据采集装置获取，进行校零。本例中PVC管上下表面的两分布式光纤连线为安装位置隧洞法线方向，以便更好的对隧洞预收敛应变情况进行监测。
本实施例中监测结构的施工方法如下：
选择监测洞段，监测洞段的长度一般设置为隧洞洞径的4-5倍，即当前掌子面前方4-5倍洞径的位置；
在监测洞段钻孔安装预埋测杆，为避免单个监测点的误差，选取洞周3个位置埋设，测杆的埋设位置可为隧洞拱顶及洞周对称位置；
在进行测杆安装时，控制上下表面两分布式光纤连线为安装位置隧洞法线方向。
本实施例中PVC管可适应隧洞掌子面推进过程中掌子面超前核心土体产生的预收敛变形及隧洞洞身产生的收敛变形。BOTDR分布式光纤固定于PVC管的上下两个表面，连接脉冲光及数据采集装置收集隧洞开挖过程中的PVC管上下表面应变情况，根据PVC管上下两个表面的应变情况，可得到各位置的变形情况。
随着隧洞开挖至监测洞段某位置时，隧洞掌子面前后的产生一定的变形(见图3)，隧洞的变形情况可根据下式计算：
式中，y为隧洞变形；ε1为PVC管上表面应变；ε2为PVC管下表面应变；d为两分布式光纤之间的间距，即PVC管的直径；dx为分布式光纤采样间隔，采样间隔可根据精度需要设置为0.05m、0.1m、0.2m、0.5m、1m等。
计算得到隧洞掌子面前后的变形情况，即可分析出隧洞的掌子面效应，可进一步的分析隧洞的稳定特征，优化调整开挖支护。
本实施例中基于监测结构的监测方法如下：
应变数据初始化，钻孔过程中，钻孔及PVC管由于多种因素产生一定的弯曲，在进行监测前(隧洞进一步开挖前)，获取钻孔内PVC管初始的应变数据；
掌子面向前推进时，持续监测PVC管的应变数据，了解隧洞掌子面前后的变形特征，即距离掌子面不同位置的收敛及预收敛变形情况，分析隧洞的掌子面效应；
根据隧洞掌子面效应监测数据，分析掌子面超前核心土的稳定特征及隧洞洞身稳定特征，以便调整隧洞开挖支护；若隧洞洞身及超前核心土体变形较大或存在明显的不收敛特征，则必须加强支护或减小开挖进尺。
Claims (9)
1.一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置，其特征在于：包括测杆和脉冲光及数据采集装置；所述测杆具有监测管，该监测管上下表面对称固定有BOTDR分布式光纤，监测管上下的分布式光纤相互平行且均平行监测管轴向，该监测管上下的两所述BOTDR分布式光纤均连接脉冲光及数据采集装置。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测装置，其特征在于：所述监测管采用PVC管。
3.一种基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测结构，其特征在于：所述掌子面前方设为监测洞段，掌子面上往监测洞段钻设有若干钻孔，钻孔内插装有权利要求1或2所述监测装置中的测杆并灌注浆液固定。
4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测结构，其特征在于：位于所述钻孔内的测杆上的两BOTDR分布式光纤连线为安装位置隧洞轴线方向。
5.根据权利要求3或4所述的基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测结构，其特征在于：所述钻孔具有3个，分别位于隧洞拱顶及洞周对称位置。
6.根据权利要求3所述的基于分布式光纤的隧洞掌子面效应监测结构，其特征在于：所述监测洞段的长度为隧洞洞径的4-5倍。
7.一种基于权利要求3～6所述监测结构的监测方法，其特征在于：
获取测杆的初始应变数据；
掌子面向前推进时，持续监测测杆的应变数据，了解隧洞掌子面前后的变形特征，即距离掌子面不同位置的收敛及预收敛变形情况，分析隧洞的掌子面效应；
根据隧洞掌子面效应监测数据，分析掌子面超前核心土的稳定特征及隧洞洞身稳定特征；若隧洞洞身及超前核心土体变形较大或存在明显的不收敛特征，则必须加强支护或减小开挖进尺。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于：所述隧洞的变形特征根据下式计算：
式中，y为隧洞变形；ε1为测杆上表面应变；ε2为测杆下表面应变；d为两分布式光纤之间的间距，即测杆中PVC管的直径；dx为分布式光纤采样间隔。
9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于：所述分布式光纤采样间隔置可根据精度需要设置为0.05m、0.1m、0.2m、0.5m、1m。
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