CN111412937A - 基于光纤光栅的隧道安全监测结构 - Google Patents

基于光纤光栅的隧道安全监测结构 Download PDF

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刘良
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Abstract

本发明涉及隧道安全监测结构的技术领域，公开了基于光纤光栅的隧道安全监测结构，包括隧道、混凝土层多个锚杆以及钢拱架，混凝土层铺设隧道，锚杆锚固隧道，钢拱架支撑固定混凝土层；锚杆安设有光纤光栅钢筋计，钢拱架设有光纤光栅应力应变计，光纤光栅钢筋计与光纤光栅应力应变计分别与解调仪呈连接布置。当隧道受力时，与隧道贴合的混凝土层以及锚固在隧道的锚杆也会发生相应的形变，钢拱架也会发生形变，一旦混凝土层形变、锚杆或者钢拱架发生形变，光纤光栅钢筋计和光纤光栅应力应变计相应的参数数值发生变化，解调仪接收并处理相应的参数变化，实现实时监测，保证隧道的安全。

Description

基于光纤光栅的隧道安全监测结构
技术领域
本发明专利涉及隧道安全监测结构的技术领域，具体而言，涉及基于光纤光栅的隧道安全监测结构。
背景技术
隧道是埋置于地层内的工程建筑物，实现地下空间的利用；隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道、军事隧道等。
目前，隧道安全监测技术手段、标准建设等方面仍处于探索阶段，使用的监测方法操作复杂、效率不高，且往往不能进行实时有效的监测，将现场状况实时的反馈出来。
现有技术中，隧道的监测方法采用全站仪人工监测，然而，全站仪的监测需要人工逐点监测，耗时耗力，且不能实时监测，同时，监测精度与工作人员的操作有关，导致其测量误差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供基于光纤光栅的隧道安全监测结构，旨在解决现有技术中，隧道监测耗时耗力的问题。
本发明是这样实现的，基于光纤光栅的隧道安全监测结构，包括隧道、混凝土层多个锚杆以及钢拱架，所述混凝土层铺设所述隧道，所述锚杆锚固所述隧道，所述钢拱架支撑固定所述混凝土层；所述锚杆安设有光纤光栅钢筋计，所述钢拱架设有光纤光栅应力应变计，所述光纤光栅钢筋计与所述光纤光栅应力应变计分别与解调仪呈连接布置。
进一步的，所述隧道的外壁面抵触支撑土层，所述混凝土层的外端面铺设所述隧道的内壁面，所述钢拱架支撑固定所述混凝土层的内端面；所述隧道的外壁面设有光栅光纤表面应变计，所述光栅光纤表面应变计与所述解调仪呈连接布置。
进一步的，所述混凝土层埋设有光栅光纤埋入应变计，所述光栅光纤埋入应变计与所述解调仪呈连接布置。
进一步的，所述基于光纤光栅的隧道安全监测结构包括安设架，所述安设架包括上架体以及下架体，所述上架体与所述下架体呈对接布置，所述上架体安设所述隧道，所述上架体具有第一卡槽，所述光栅光纤表面应变计安设所述第一卡槽且贴附所述隧道的外壁面；所述下架体安设所述混凝土层，所述下架体具有第二卡槽，所述光栅光纤埋入应变计安设所述第二卡槽且处于所述混凝土层的内部。
进一步的，所述隧道包括拱顶部，所述拱顶部连接有位移杆，所述位移杆的内端与所述拱顶部呈连接布置，所述位移杆的外端沿背离所述拱顶部方向呈垂直延伸布置；所述位移杆设有多个位移计，多个所述位移计沿所述位移杆的延伸方向呈依序间隔布置。
进一步的，所述混凝土层的内端面设有多个光栅光纤表面裂缝计，所述混凝土层的内端面沿背离地面方向呈拱起弧形布置，多个所述光栅光纤表面裂缝计呈弧形间隔排列布置。
进一步的，所述锚杆的内端锚固所述隧道，所述锚杆的外端沿背离所述隧道方向锚固所述土层；所述锚杆设有多个所述光纤光栅钢筋计，多个所述光纤光栅钢筋计沿所述锚杆的延伸方向呈间隔布置。
进一步的，所述锚杆包括杆体以及杆套，所述杆套环绕套设所述杆体，所述杆体与所述杆套呈相对固定布置，所述杆套具有多个安设口，所述光纤光栅钢筋计贯穿所述安设口安设所述杆体；所述杆体与所述杆套之间形成中空区，所述光纤光栅钢筋计通过所述中空区布线与所述解调仪呈连接布置。
进一步的，所述锚杆包括多个保护套，各个所述保护套与各个所述安设口呈一一对应布置，所述保护套与所述杆套呈连接布置；所述保护套沿背离所述杆套方向呈拱起布置，所述保护罩罩设所述安设口以及所述光纤光栅钢筋计。
进一步的，所述基于光纤光栅的隧道安全监测结构包括接续盒，所述接续盒与所述解调仪呈连接布置，所述接续盒具有多个连接端口，所述光纤光栅钢筋计与所述光纤光栅应力应变计分别连接所述连接端口。
与现有技术相比，本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，当隧道受力时，与隧道贴合的混凝土层以及锚固在隧道的锚杆也会发生相应的形变，钢拱架也会发生形变，一旦混凝土层形变、锚杆或者钢拱架发生形变，光纤光栅钢筋计和光纤光栅应力应变计相应的参数数值发生变化，解调仪接收并处理相应的参数变化，实现实时监测，保证隧道的安全。
附图说明
图1是本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构的隧道切面示意图；
图2是本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构的隧道切面示意图；
图3是本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构的安设架的剖面示意图；
图4是本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构的锚杆的剖面示意图；
图5是本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构的钢条的立体示意图；
图6是本发明提供的基于光纤光栅的隧道安全监测结构的钢条的剖面示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参照图1-6所示，为本发明提供的较佳实施例。
基于光纤光栅的隧道安全监测结构，包括隧道10、混凝土层20多个锚杆30以及钢拱架80，混凝土层20铺设隧道10，锚杆30锚固隧道10，钢拱架80支撑固定混凝土层20；锚杆30安设有光纤光栅钢筋计31，钢拱架80设有光纤光栅应力应变计82，光纤光栅钢筋计31与光纤光栅应力应变计82分别与解调仪呈连接布置。
上述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，当隧道10受力时，与隧道10贴合的混凝土层20以及锚固在隧道10的锚杆30也会发生相应的形变，钢拱架80也会发生形变，一旦混凝土层20发生形变、锚杆30发生形变或者钢拱架80发生形变，光纤光栅钢筋计31和光纤光栅应力应变计82相应的参数数值会发生变化，解调仪接收并处理相应的参数变化，实现实时监测，从而保证隧道10的安全。
多个锚杆30呈扇形布置，与隧道10的弧形配合效果更加，实现全方位监测。
隧道10的外壁面抵触支撑土层，混凝土层20的外端面铺设隧道10的内壁面，钢拱架80支撑固定混凝土层20的内端面；通过混凝土层20以及钢拱架80，实现对隧道10的支撑以及加固，提高隧道10的安全性。
隧道10的外壁面设有光栅光纤表面应变计50，光栅光纤表面应变计50与解调仪呈连接布置；通过光栅光纤表面应变计50，实现对隧道10的形变进行监测，从而实现对隧道10的表面形变进行监测，保障监测精准性。
混凝土层20埋设有光栅光纤埋入应变计60，光栅光纤埋入应变计60与解调仪呈连接布置；设置在混凝土层20中的光栅光纤埋入应变计60能够感受到混凝土层20的形变，并且相应的参数数值发生变化，解调仪接收并处理相应的参数变化，通过光栅光纤埋入应变计60的监测数据的变化量来反映隧道10的受力、温度等情况，实现进行实时监测，保证隧道10的安全。
基于光纤光栅的隧道安全监测结构包括安设架90，安设架90包括上架体91以及下架体92，上架体91与下架体92呈对接布置，上架体91安设在隧道10上，上架体91具有第一卡槽，光栅光纤表面应变计50安设第一卡槽且贴附隧道10的外壁面；下架体92安设混凝土层20，下架体92具有第二卡槽，光栅光纤埋入应变计60安设第二卡槽且处于混凝土层20的内部；在上架体91和下架体92的作用下，便于光栅光纤表面应变计50以及光栅光纤埋入应变计60的安设以及定位。
上架体91包括上架板以及两个上固定爪，上架板的两端分别对接两个上固定爪，上固定爪的内端对接上架板，上固定爪的外端朝外延伸且嵌入固定隧道10；实现上架体91的固定。
上架板呈水平布置，上架板形成第一卡槽，上架板贴附固定隧道10，实现上架板的固定，以及实现第一卡槽与隧道10呈对应布置，使光栅光纤表面应变计50安设第一卡槽且贴附隧道10。
或者，上架板呈水平嵌设且固定在隧道10上，实现上架板的固定，以及实现第一卡槽与隧道10呈对应布置，使光栅光纤表面应变计50安设第一卡槽且贴附隧道10。
沿上固定爪的内端至外端方向，上固定爪呈拱起弧形布置。
两个上固定爪呈对称布置。
下架体92包括下架板以及两个下固定爪，下架板的两端分别对接两个下固定爪，下固定爪的内端对接下架板，下固定爪的外端朝外延伸且嵌入固定混凝土层20；实现下架体92的固定。
下架板呈水平布置，下架板形成第一卡槽，第一卡槽处于混凝土层20的内部，实现下架板的固定，使光栅光纤埋入应变计60安设第一卡槽且处于混凝土层20的内部。
沿下固定爪的内端至外端方向，下固定爪呈拱起弧形布置。
两个下固定爪呈对称布置。
隧道10包括拱顶部，拱顶部连接有位移杆40，位移杆40的内端与拱顶部呈连接布置，位移杆40的外端沿背离拱顶部方向呈垂直延伸布置；位移杆40设有多个位移计41，多个位移计41沿位移杆40的延伸方向呈依序间隔布置；这样，根据拱顶部的位移情况，实现对拱顶部的变形进行监测，保障隧道10的安全性。
基于光纤光栅的隧道10安全监测结构包括基座，隧道10的两端分别对接基座，隧道10的中部沿背离基座朝上拱起弧形布置；通过基座，实现车辆的行驶，人流的通行。
基座设有沉降杆11，沉降杆11的顶端连接基座，沉降杆11的底端沿背离基座方向朝下延伸布置；沉降杆11设有多个位移计41；这样，实现对基座沉降情况进行监测。
多个位移计41沿沉降杆11的延伸方向呈间隔依序布置，实现多区域进行沉降监测，保证隧道10安全。
混凝土层20的内端面设有多个光栅光纤表面裂缝计70，通过光栅光纤表面裂缝计70，实现对混凝土层20的变形进行监测。
混凝土层20的内端面沿背离地面方向呈拱起弧形布置，多个光栅光纤表面裂缝计70呈弧形间隔排列布置；多个光栅光纤表面裂缝计70呈多方位对混凝土层20进行监测。
多个光栅光纤表面裂缝计70呈扇形间隔布置，这样，与隧道10的弧形配合效果更加，实现全方位对隧道10进行监测。
下架体92具有下架槽，光栅光纤表面裂缝计70安设在下架槽中，便于光栅光纤表面裂缝计70的定位以及安设。
光栅光纤表面裂缝计70包括裂缝计体以及监测板，裂缝计体具有位移监测端，监测板固定在混凝土层20，位移监测端连接监测板，当混凝土层20受压变形时，裂缝计体与监测板产生位移变化，裂缝计体将位移变化量传递至解调仪，解调仪降数据传输至后台，实现对混凝土层20进行监测。
混凝土层20的内部埋设有光纤光栅温度自补偿应变计，降低监测误差，保障对隧道10的监测精准性。
锚杆30的内端锚固隧道10，锚杆30的外端沿背离隧道10方向锚固土层；锚杆30设有多个光纤光栅钢筋计31，多个光纤光栅钢筋计31沿锚杆30的延伸方向呈间隔布置；在多个光纤光栅钢筋计31的作用下，实现对区域进行监测，提高监测精准性以及增大监测范围。
上架体91具有导向部，锚杆30的内端贯穿导向部锚固隧道10；在导向部的作用下，使锚杆30的外端朝外呈垂直延伸布置，保障锚杆30的锚固效果，同时，对土层压力施加方向进行监测，提高监测精准性。
锚杆30包括杆体33以及杆套32，杆套32环绕套设杆体33，杆体33与杆套32呈相对固定布置，杆套32具有多个安设口，光纤光栅钢筋计31贯穿安设口安设杆体33；杆体33与杆套32之间形成中空区，光纤光栅钢筋计31通过中空区布线与解调仪呈连接布置；便于布线，同时便于光纤光栅钢筋计31的安设。
锚杆30包括多个保护套34，各个保护套34与各个安设口呈一一对应布置，保护套34与杆套32呈连接布置；保护套34沿背离杆套32方向呈拱起布置，保护罩罩设安设口以及光纤光栅钢筋计31；在保护罩的作用下，对光纤光栅钢筋计31起到保护作用，避免土层压力直接施加在光纤光栅钢筋计31，同时，避免土层中的水分侵入光纤光栅钢筋计31，保障光纤光栅钢筋计31的正常工作。
保护套34采用防渗透防腐布制成，保障对光纤光栅钢筋计31的保护。
基于光纤光栅的隧道10安全监测结构包括接续盒，接续盒与解调仪呈连接布置，接续盒具有多个连接端口，光纤光栅钢筋计31与光纤光栅应力应变计82分别连接连接端口；便于布线，以及便于光纤光栅钢筋计31和光纤光栅应力应变计82与解调仪进行连接。
钢拱架80包括多个钢条81，钢条81的两端呈固定布置，钢条81的中部朝上拱起弧形布置，钢条81铺设混凝土层20的内端面，各个钢条81呈间隔排列布置，实现对混凝土层20以及隧道10进行支撑。
光纤光栅应力应变计82安设在钢条81上，实现对钢条81的应力变化情况进行监测。
钢条81具有安设槽83，安设槽83沿钢条81的长度方向延伸布置，光纤光栅应力应变计82安设在安设槽83中；这样，光纤光栅应力应变计82最大范围对钢条81进行监测，提高监测效果。
安设槽83呈上小下大状布置，便于光纤光栅应力应变计82的安设。
安设槽83的上部的之间与光纤光栅应力应变计82的直径一致，便于光纤光栅应力应变计82卡设在安设槽83中，提高光纤光栅应力应变计82的安设稳固性。
钢条81设有封盖板84，封盖板84用于开启或封闭安设槽83，在封盖板84的作用下，避免光纤光栅应力应变计82误掉落，保障光纤光栅应力应变计82的安设稳固性。
封盖板84设有挤压片85，挤压板的下部与封盖板84呈固定布置，挤压片85的上部抵触挤压光纤光栅应力应变计82，从而增强光纤光栅应力应变计82的安设稳固性，同时，提高光纤光栅应力应变计82与钢条81的贴附效果，保障光纤光栅应力应变计82对钢条81的监测精准性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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.基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，包括隧道、混凝土层多个锚杆以及钢拱架，所述混凝土层铺设所述隧道，所述锚杆锚固所述隧道，所述钢拱架支撑固定所述混凝土层；所述锚杆安设有光纤光栅钢筋计，所述钢拱架设有光纤光栅应力应变计，所述光纤光栅钢筋计与所述光纤光栅应力应变计分别与解调仪呈连接布置。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述隧道的外壁面抵触支撑土层，所述混凝土层的外端面铺设所述隧道的内壁面，所述钢拱架支撑固定所述混凝土层的内端面；所述隧道的外壁面设有光栅光纤表面应变计，所述光栅光纤表面应变计与所述解调仪呈连接布置。
3.如权利要求2所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述混凝土层埋设有光栅光纤埋入应变计，所述光栅光纤埋入应变计与所述解调仪呈连接布置。
4.如权利要求3所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述基于光纤光栅的隧道安全监测结构包括安设架，所述安设架包括上架体以及下架体，所述上架体与所述下架体呈对接布置，所述上架体安设所述隧道，所述上架体具有第一卡槽，所述光栅光纤表面应变计安设所述第一卡槽且贴附所述隧道的外壁面；所述下架体安设所述混凝土层，所述下架体具有第二卡槽，所述光栅光纤埋入应变计安设所述第二卡槽且处于所述混凝土层的内部。
5.如权利要求1-4任意一项所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述隧道包括拱顶部，所述拱顶部连接有位移杆，所述位移杆的内端与所述拱顶部呈连接布置，所述位移杆的外端沿背离所述拱顶部方向呈垂直延伸布置；所述位移杆设有多个位移计，多个所述位移计沿所述位移杆的延伸方向呈依序间隔布置。
6.如权利要求2-4任意一项所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述混凝土层的内端面设有多个光栅光纤表面裂缝计，所述混凝土层的内端面沿背离地面方向呈拱起弧形布置，多个所述光栅光纤表面裂缝计呈弧形间隔排列布置。
7.如权利要求2-4任意一项所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述锚杆的内端锚固所述隧道，所述锚杆的外端沿背离所述隧道方向锚固所述土层；所述锚杆设有多个所述光纤光栅钢筋计，多个所述光纤光栅钢筋计沿所述锚杆的延伸方向呈间隔布置。
8.如权利要求7所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述锚杆包括杆体以及杆套，所述杆套环绕套设所述杆体，所述杆体与所述杆套呈相对固定布置，所述杆套具有多个安设口，所述光纤光栅钢筋计贯穿所述安设口安设所述杆体；所述杆体与所述杆套之间形成中空区，所述光纤光栅钢筋计通过所述中空区布线与所述解调仪呈连接布置。
9.如权利要求8所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述锚杆包括多个保护套，各个所述保护套与各个所述安设口呈一一对应布置，所述保护套与所述杆套呈连接布置；所述保护套沿背离所述杆套方向呈拱起布置，所述保护罩罩设所述安设口以及所述光纤光栅钢筋计。
10.如权利要求1-4任意一项所述的基于光纤光栅的隧道安全监测结构，其特征在于，所述基于光纤光栅的隧道安全监测结构包括接续盒，所述接续盒与所述解调仪呈连接布置，所述接续盒具有多个连接端口，所述光纤光栅钢筋计与所述光纤光栅应力应变计分别连接所述连接端口。
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CN112228132A (zh) * 2020-09-17 2021-01-15 中国矿业大学(北京) 一种穿断层隧道的柔性隔离结构及岩体大变形控制方法

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