CN113124767B - 一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置及监测方法，所述监测装置包括测量支座、分布式光纤和解调仪，其中，所述测量支座依据待测量范围设置多个，多个所述测量支座首尾相接连续布置；所述分布式光纤设有多根，多根所述分布式光纤别呈“三角形”状、按不同角度敷设于测量支座表面，穿过所有测量支座，接入解调仪内；每根所述分布式光纤在各测量支座内的穿线路径相同。与现有技术相比，本发明具有提高监测效率、降低实施成本等优点。

Description

一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及隧道变形监测技术领域，尤其是涉及一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置及监测方法。

背景技术

对于隧道等纵向方向尺寸突出的地下结构，因施工扰动、地质差异显著等原因，运营期间不可避免会出现纵向沉降特别是纵向不均匀沉降，进而对结构的安全性、耐久性产生影响，过大的纵向不均匀沉降甚至会影响隧道内列车的行驶安全。此外，无论是盾构法、新奥法、明挖法，还是沉管法修建的隧道，结构都是由一个个的基本单元组成，或环(盾构法)，或模(新奥法)，或节(明挖法，沉管法)，基本单元与基本单元之间存在结构缝。在结构缝部位，除了上述具体的纵向沉降变形，还会存在结构缝的张开、错台变形，即结构缝表现为沉降、张开和错台沉降变形特征。

纵向沉降、张开、错台均会对隧道结构的运营安全造成严重威胁，且影响程度不同，及时自动化的监测结构缝的沉降变形状态，掌握隧道沉降、结构缝张开及错台的各自情况，对及时预警、维修处治和保障隧道运营安全是极为重要的。

当前还没有一种手段可以同时自动化监测结构缝的沉降变形，需综合采用不同的手段进行监测。

现有公开技术中，张开、错台主要采用单向或多向测缝计进行自动化监测，通过标杆的测距变化来测量结构缝某一点处的相对张开或错台量，无法实现纵向范围内结构缝张开、错台的分布式监测。

纵向沉降主要采用静力水准仪、测量机器人、激光测距仪等进行自动化监测，现有的自动化监测手段仅能适用于纵向坡度较小(一般不超过3％，光纤式的静力水准仪甚至要求低于5‰)、短距离布设维护十分复杂、也可对沉降监测，且属于点式监测，即每个测点均需要布设一支监测设备，长距离监测时成本极其昂贵，且存在多次中转后累计误差严重超限、敷设维护十分复杂繁琐的问题。再者，现有的沉降测量测点间距一般为20～30m，中间区域的沉降采用依据测点位置数据线性插值的方式近似拟合，测量结果精确性较低；单纯提高测量结果精度则需要增大测点密度，如每个基本单元布设一个测点(测点间距1.2～2m)，长距离监测的成本将会是天价。

分布式光纤监测技术可有效解决由点式监测到准分布式和分布式监测的技术难题，即通过一道特制光缆，自动感应任意区段的应变、温度等指标状态，进而用来反映结构的变形或受力情况。由于这一特点，分布式光纤监测技术已被尝试应用于隧道等地下工程的变形监测。现有分布式光纤监测技术主要分为两大类：

一类为基于总量法的模糊测量技术手段，即不区分结构物变形在不同方向上的分量(如前述提及的结构缝处存在竖向沉降、径向张开、法向错台的沉降变形)，仅识别变形后的总变形量，如CN204286495U公开了一种基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构纵向沉降及盾构隧道各环接缝监测系统；CN104807414A发明了一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法；CN102384725A提出一种采用分布式光纤的隧道收敛变形监测方法，利用紧套光纤测量沿传感器径向的应变，其径向仅是指沿光纤的布设方向。这类技术没有考虑结构缝的沉降变形问题，其测量值仅是沉降变形耦合后的总变形量，其测量结果只能反映结构某个部位有变形或裂损病害，属于定性测量的范围，无法准确的得到沉降、张开、错台的各自数值，不能直接将测量的总量简单的等效为沉降数据或者结构缝张开数据，这与实际结果误差很大。

另一类技术则开始考虑结构缝变形在不同方向分量的问题。如CN106091975A发明公开了一种基于分布式定点感测技术的盾构隧道接缝二维变形监测方法，利用分布式光纤采集变形(应变)信息；通过相邻管片上以正交和斜交方式安装的定制的感测光缆，测定相邻两个管片接缝之间的二维变形情况，从而得到隧道整体变形及局部管片变形情况；感测光缆作为传感器，通过感测光缆感知相邻固定夹具之间的距离及变形的变化实现盾构隧道的二维变形监测。该技术是在忽略纵向沉降的条件下，针对盾构隧道管片环环内的横向变形进行测量。在忽略沉降后，管片接缝变形表现为张开、错台。但实际上，隧道是一定存在沉降的，且多数情况下，纵向沉降数值明显大于接缝张开与错台，特别是对于穿江越海的隧道工程，该技术的适用性、测量精度显然无法满足工程需求。

总体来看，基于分布式光纤的变形自动化监测技术，其变形测量结果是通过求解分布式应变的偏微分方程得到的，直接求得的变形结果不具有方向性，即求解所得位移结果只表示在该点存在一定大小的位移，但是该位移的空间信息是不明确的，无法得知具体各方向上的位移分量。这也就导致了现有的分布式光纤监测仍只能适用于定向的监测，无法准确地获取结构沉降、结构缝张开、错台各自的数据变化，无法满足工程运营安全精细化、定量化监测的需求。

大坡度隧道的纵向沉降很难精确测量，当前面临的首要问题是缺乏一种成本低廉、可以同步采集隧道结构缝沉降变形指标的自动化监测手段，尤其是缺乏一种精确测量长距离纵向沉降的自动化监测手段。

其次，在现有的分布式光纤变形监测技术中，或是不区分变形的各方向分量，按总量的方式定性测量有变形的部位，无法精确的获取任意区域的隧道纵向沉降、结构缝张开与错台，如CN101713691A、CN102384725A、CN104807414A、CN204286495U等公开的技术，这类技术的显著缺点是：位移数值相同的情况下，径向、法向位移与竖向位移对结构产生的危害相去甚远；在结构存在预拱的情况下，相同数值的拱起与沉降对结构的危害更是截然不同；结构在设计时，结构对不同方向变形的允许值也是各不相同的，只有将同一方向的变形与变形限值对应起来，评判结果才有意义。或是单一的测量隧道环内横向的接缝张开、错台(忽略沉降数据)，如CN106091975A所公开技术，通过相邻管片上以正交和斜交方式安装的定制的感测光缆，测定相邻两个管片接缝之间的二维变形，其假定单根分布式光纤仅发生一个方向上(沿光纤敷设方向)的位移，这与现实中隧道、土体中的位移呈沉降耦合状态的特点显然不符，忽略沉降数据的测量结果无法满足工程实际需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于特制多道分布式光纤的隧道长距离沉降变形自动化监测装置及监测方法，实现结构缝沉降变形的自动化监测，以解决现有分布式光纤监测技术测量结果笼统、变形方向耦合无法区分的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置，包括测量支座、分布式光纤和解调仪，其中，

所述测量支座依据待测量范围设置多个，多个所述测量支座首尾相接连续布置；

所述分布式光纤设有多根，多根所述分布式光纤别呈“三角形”状、按不同角度敷设于测量支座表面，穿过所有测量支座，接入解调仪内；

每根所述分布式光纤在各测量支座内的穿线路径相同。

进一步地，所述测量支座呈轴对称结构，每根所述分布式光纤在各测量支座内呈“等腰三角形”状。

进一步地，所述测量支座包括水平布置的固定基材和竖向布置的垂直基材，所述垂直基材位于所述固定基材的中轴线处，所述固定基材两端和垂直基材上均沿竖向布置有多颗固定螺栓，所述分布式光纤通过该固定螺栓敷设于测量支座表面。

进一步地，设置于所述固定基材两端的各固定螺栓的厚度一致，设置于所述垂直基材上的各固定螺栓的厚度不一致。

进一步地，所述垂直基材上的各固定螺栓由上至下厚度依次增加。

进一步地，所述分布式光纤通过固定夹片固定于所述固定螺栓。

进一步地，各测量支座内，所述分布式光纤与水平线之间夹角为5°～10°。

进一步地，所述分布式光纤至少设有三根。

进一步地，每一所述测量支座内的分布式光纤分为两个测段，单个测段的水平长度小于等于5m。

另一方面，本发明提供一种采用如上所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置的监测方法，包括以下步骤：

确定所述测量支座的几何尺寸；

安装所述监测装置，将所述测量支座与被测结构固定连接；

基于所述解调仪的采集数据、每个测量支座上分布式光纤的长度变化以及所述测量支座的几何尺寸获得被测结构在x、y、z方向的变形值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)与现有的需采用不同手段分别测量结构缝张开、错台和沉降的监测技术相比，本发明提供了一种可以同时监测隧道沉降、结构缝张开与错台的新技术，监测效率大幅提高，分布式的监测手段也显著降低了实施成本，并能实现长大纵坡隧道的沉降监测。

2)与现有的分布式光纤变形监测技术相比，本发明解决了结构缝部位三维变形感知的技术难题，通过特定的监测装置及数据解析方法，精确得到了管片接缝、施工缝等结构缝处张开、错台及沉降的变化情况，监测精度大幅提高。

3)现有技术中，针对纵坡大的隧道需要多次中转，造成测量结果失真；而本发明的监测装置及方法尤为适用于长大纵坡隧道，解决了现有静力水准仪等沉降监测设备量程有限、中转累计误差大的难题。

附图说明

图1为本发明监测装置的结构示意图；

图2为本发明测量支座上分布式光纤的敷设示意图；

图3为本发明分布式光纤在固定螺栓处的放大示意图；

图4为本发明光纤变形几何关系示意图；

图5为布设高差与量程、精度的关系示意图；

图6为布设水平距离与量程、精度的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置，包括测量支座、分布式光纤30和解调仪40，其中，测量支座依据待测量范围设置多个，多个测量支座首尾相接连续布置；分布式光纤30设有多根，多根分布式光纤别呈“三角形”状、按不同角度敷设于测量支座表面，穿过所有测量支座，分布式光纤在待测范围末段连接至解调仪40内；每根分布式光纤30在各测量支座内的穿线路径相同。使用时，测量支座布置在待测量范围内，通过膨胀螺栓或铆钉与待测结构连接固定，二者之间变形一致。

如图2和图3所示，测量支座呈轴对称结构，每根分布式光纤在各测量支座内呈“等腰三角形”状，支座左右两侧各称为一个测段，如图1所示的测段1……。测量支座由水平布置的固定基材10和竖向布置的垂直基材20构成主体框架，垂直基材20位于固定基材10的中轴线处，固定基材10两端沿竖向布置有第一固定螺栓101，垂直基材20上沿竖向布置有多颗第二固定螺栓201，分布式光纤通过该固定螺栓敷设于测量支座表面。在可选的实施方式中，设置于固定基材两端的各固定螺栓的厚度一致，设置于垂直基材上的各固定螺栓的厚度不一致。各测量支座内，分布式光纤与水平线之间夹角为5°～10°。

每根光纤存在x、y、z三个方向应变，至少需要三根光纤才能求解每个方向应变值。本实施例中，分布式光纤30设有3根，相应地，固定基材10端沿竖向布置3颗第一固定螺栓101，由上往下螺栓记为a1、a2、a3(b1、b2、b3)，垂直基材20上沿竖向布置3颗第二固定螺栓201，由上往下分别记为c1、c2、c3，且厚度依次增加。a1→c1、a2→c2、a3→c3连线与水平线之间夹角保持在5°～10°之间。三根分布式光纤分别按照a1→c1→b1、a2→c2→b2、a3→c3→b3的路线穿过固定螺栓，并通过固定夹片固定于固定螺栓上。

利用上述监测装置进行隧道长距离沉降变形自动化监测的具体过程如下：

①根据测量量程、精度、费用等需求确认测量支座的几何尺寸，支座几何尺寸会影响最终监测精度、量程和费用，见图5和图6所示；

②将确认好尺寸的测量支座首尾相连地安装于待测范围内，并使用膨胀螺栓或铆钉固定使之与待测物之间稳定连接、变形协调；

③在测量支座上按照相同穿越路径，连接、穿设3根分布式光纤，张拉分布式光纤使之处于微绷紧状态并使用夹片301和螺栓302固定；

④分布式光纤端部接入解调仪内，并清零初始应变值；

⑤按照监测要求，定期或不定期采集数据，根据采集仪内采集数据，按照如下方法求解、转换即可得到被测结构沿三个方向的位移值。

被测结构沿三个方向的位移值具体通过以下过程获得：

确认测量支座几何尺寸后，可得变形前螺栓a1→c1、a2→c2、a3→c3之间分布式光纤长度，分别记为L₁、L₂、L₃；螺栓a1→c1、a2→c2、a3→c3上表面竖向高差，分别记为h₁、h₂、h₃；螺栓a1→c1、a2→c2、a3→c3间厚度差，分别记为m₁、m₂、m₃。当被测结构发生位移，通过解调仪，解调求得L₁、L₂、L₃长度范围内光纤的名义总应变量，分别记为ε₁、ε₂、ε₃(已扣去温度应变，本实施例中基于受激布里渊散射现象，分别求解光纤应变和温度应变)，则通过三角形的几何关系可以得到式(1)。

其中，L₁(ε₁)为在ε₁的应变量下的光纤总长度，L₂(ε₂)和L₃(ε₃)同理，S为a1和c1之间水平距离。求解式(1)可得到一个测段内终点相对于起点的相对三向位移Δx、Δy、Δz。因测量支座为首尾相连，可忽略连接处的相对位移量，假定测量范围起点A1的三向位移为零，则后续测段终点的三向变形值为A1至该测段终点间所有测段三向变形之和，计算方法见式(2)。

式中Δx_i、Δy_i、ΔZ_i为测量范围内的第i个测段x、y、z方向所发生的变形值，分别对应结构缝张开、沉降变形和水平错台。由于隧道轴线上并非总是一条直线，因此z方向变形值不能通过简单叠加得到。

若所求测点不处于测段端部，可同比例换算测点与测段起点之间的h′₁、h′₂、h′₃，m′₁、m′₂、m′₃，以及测段起点至测点间的名义应变ε′₁、ε′₂、ε′₃，通过式(1)，求得该测段内测点与测段起点之间的相对三向位移。

研究发现分布式光纤敷设角度、测段长度是决定沉降、接缝张开、水平错台监测精度的关键，如图4所示，本实施例中，单个测段的长度尽量不超过5m。为此，保持光纤水平距离S不变，分析A、C处螺栓高差h与沉降测量量程Δh、测量结果精度δ关系，如图5所示；同时保持光纤敷设角度不变，分析光纤水平距离S与沉降测量量程Δh、测量结果精度δ的关系，如图6所示。分析表明，A、C处螺栓高差h越大，沉降测量量程越小，精度越高，高差为0时，沉降测量精度为4mm，量程为402mm；高差为50mm时，沉降测量精度为0.16mm，量程为356mm；高差为800mm时，沉降测量精度为0.01mm，量程仅96mm；保持光纤敷设角度不变，量程Δh与光纤水平距离S呈正向线性相关，测量精度δ与光纤水平距离S呈反向线性相关，水平距离S为1000mm时，沉降测试量程为155mm，沉降测试精度为0.04mm；水平距离S为5000mm时，沉降测试量程为699mm，沉降测试精度为0.17mm。

综上，为保证沉降测试精度，光纤应与水平方向呈一定角度斜向布设，考虑到布设空间约束，布设角度设为5～10°。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，用于同时监测隧道沉降、结构缝张开与错台，包括测量支座、分布式光纤和解调仪，其中，

所述测量支座依据待测量范围设置多个，多个所述测量支座首尾相接连续布置；

所述分布式光纤设有多根，多根所述分布式光纤呈“三角形”状、按不同角度敷设于测量支座表面，穿过所有测量支座，接入解调仪内；

每根所述分布式光纤在各测量支座内的穿线路径相同；

各测量支座内，所述分布式光纤与水平线之间夹角为5°~10°，每一所述测量支座内的分布式光纤分为两个测段，单个测段的水平长度小于等于5m；

基于所述解调仪的采集数据、每个测量支座上分布式光纤的长度变化以及所述测量支座的几何尺寸获得被测结构在x、y、z方向的变形值，分别对应结构缝张开、沉降变形和水平错台。

2.根据权利要求1所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，所述测量支座呈轴对称结构，每根所述分布式光纤在各测量支座内呈“等腰三角形”状。

3.根据权利要求1或2所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，所述测量支座包括水平布置的固定基材和竖向布置的垂直基材，所述垂直基材位于所述固定基材的中轴线处，所述固定基材两端和垂直基材上均沿竖向布置有多颗固定螺栓，所述分布式光纤通过该固定螺栓敷设于测量支座表面。

4.根据权利要求3所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，设置于所述固定基材两端的各固定螺栓的厚度一致，设置于所述垂直基材上的各固定螺栓的厚度不一致。

5.根据权利要求4所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，所述垂直基材上的各固定螺栓由上至下厚度依次增加。

6.根据权利要求3所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，所述分布式光纤通过固定夹片固定于所述固定螺栓。

7.根据权利要求1所述的隧道长距离沉降变形自动化监测装置，其特征在于，所述分布式光纤至少设有三根。

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