CN113483731A - 一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，包括多个单位光纤光栅传感器、光纤传感器连接管、传输光缆、接线盒、波长解调仪、上位机。通过在隧道相邻管片裂缝处、隧道顶部以及隧道环向断面处依次安装光纤光栅传感器并制成传输光缆以便铺设。当隧道结构发生变化时，预拉过的光纤光栅张力将会发生变化引起波长漂移，通过解调仪将监测到的波长数据传输到上位机中处理，得出相应整体隧道直径收敛、隧道纵断面沉降以及盾构环间接缝宽度等变化量。该系统可实现实时在线监测隧道结构健康，避免了人工监测隧道结构的不便与危险性，提高了隧道结构健康监测的实时性和准确性。

Description

一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统

技术领域

本发明属于隧道安全技术领域，更具体地说，涉及一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统。

背景技术

随着城市建设的高速发展，城市地铁和地下隧道公路建设数量和规模都在不断扩大。然而在隧道施工阶段以及后期在自然环境和使用环境中受到外界重力的影响，隧道的顶部、隧道内壁以及隧道管片之间的裂缝将会出现下沉、变形或是管片之间裂缝增大的情况。隧道沉降、变形可能会引起隧道塌方，造成交通事故，极大威胁到施工人员以及后期使用过程中人民群众的生命安全。目前隧道沉降的监测方式主要是采用人工监测，这种方式无法实现实时监测，同时存在较大的测量误差。因此提出一种可实时、准确监测隧道沉降的方法显得尤为重要。

近年来光纤传感技术发展迅速，在工业生产和城市建设等各个方面被广泛使用。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)感测技术是近年来兴起的工程监测领域一类新的监测技术和手段，具有准分布式、精度高、自动化、抗干扰抗腐蚀性强等特点，可用于隧道结构等大型线性工程的实时在线监测。在被测大型结构上，安装大量具有不同中心波长的FBG传感器，将各FBG传感器通过光纤连接在一起，形成了光纤传感网络，采用波分复用技术，构成准分布式光纤光栅传感系统进行多点测量，并通过计算机对传感信号进行远程监控，可以实现对大型建筑物内部状态的连续实时的准分布式监测。

申请号201510816515.3的发明提供了一种利用光纤光栅传感器测量隧道顶部沉降和收敛位移的方法。该方法可通过测量基于剖面变形的坐标点移动距离和角位移，实现精确地测定收敛位移及顶部沉降。但是该发明内容忽略了隧道沉降是一个整体变化，没有监测隧道内壁两侧在沉降过程中的变化量。存在局部测量隧道沉降的缺点，没有做到全方位监测隧道沉降。

申请号202010030488.8的发明提供了一种隧道底板沉降监测装置及方法。其中，隧道底板装置主要包括光纤光栅传感器、光纤光栅沉降管和解调仪。该方法可实现长距离监测隧道沉降的情况，但存在监测到的是数据只是单个方向上的应力变化，同时没有构成光纤传感技术的分布式测量，存在监测数据不完整的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明是提出一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，由于光纤传感器在传输过程中具有长距离、低损耗、耐腐蚀和电绝缘性等特点，可作为应变、位移、湿度以及温度等物理参量的探测元件，并且测量灵敏度高和精度高。采用本监测系统可实现隧道结构健康的多方位实时监测，提高了施工期间和后期使用过程中的安全性，解决了人工监测的局限性，提高了隧道沉降监测的实时性和精确度，保证了施工人员的人身安全。

本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，包括：

多个单位光纤光栅传感器、光纤传感器连接管、传输光缆、接线盒、波长解调仪、计算机；

其中，所述传输光缆固定于隧道内壁，多个单位光纤光栅传感器串置于传输光缆上，采用三路单位光纤光栅传感器，与传输光缆构成分布式传感网络；每一单位光纤光栅传感器通过一光纤传感器连接管包覆进行保护；所述分布式传感网络用于同时监测隧道中纵向、横向以及断面直径的沉降变化情况，以及盾构环间接缝宽度变化情况；所述传输光缆通过波长解调仪连接计算机，通过计算机进行数据处理，综合分析得出隧道沉降位移量、断面直径变化量以及盾构环间接缝宽度大小变化量。

其中，多个单位光纤光栅传感器为光纤光栅位移传感器。

其中，光纤传感器连接管用于封装所述光纤光栅位移传感器。

其中，分布式传感网络中的三路单位光纤光栅传感器分别铺设在隧道内壁一侧相邻管片接缝处、隧道顶部盾构环间接缝处和隧道的环向内壁上。

其中，所铺设的三路光纤光栅传感光缆同时监测隧道中纵、横向沉降变化、断面直径收敛情况以及隧道盾构环间接缝处的宽度变化情况。

其中，波长解调仪为16通道解调仪，同时实现三路传输光缆的波长解调。

其中，设置于隧道内壁一侧管片接缝处的三路单位光纤光栅传感器用于监测隧道纵向和横向以及裂缝处的变化情况；设置于隧道顶部盾构环间接缝处的三路单位光纤光栅传感器用于监测隧道纵向沉降变化；设置于隧道环向内壁的三路单位光纤光栅传感器用于监测隧道断面沉降量与隧道直径收敛程度。

由于采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该隧道结构健康在线监测系统，将多个单位光纤光栅传感器制成三个传输光缆。并组成一个有机的整体网络，实现了光纤光栅的分布式测量。具有长距离、抗电磁干扰、抗腐蚀、频带宽、损耗低、精度较高等特点，成功解决了在隧道沉降监测过程中通过人工监测造成数据不及时、不准确的弊端。通过全程、多方位在线监测隧道在使用过程中整体结构的变化，使得操作人员可以远程实时准确的监测到隧道的状态，从而有效的提高工作效率，并保证工作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统的结构示意图。

图2为本发明提供的一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统中的隧道内壁相邻管片上设置的传输光缆的布置示意图。

图3为本发明提供的一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统中的隧道顶部盾构环间接缝设置的传输光缆的布置示意图。

图4为本发明提供的一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统中的隧道环向内壁设置的传输光缆的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，本发明提供了一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，包括单位光纤光栅传感器1、光纤传感器连接管2、传输光缆3、接线盒4、波长解调仪5、计算机6；光纤光栅应变传感器1分别沿隧道内壁一侧、隧道顶部盾构环间接缝处和隧道断面环向方向铺设在隧道8上。通过光纤传感器连接管2将多个单位光纤光栅传感器制成的三路传输光缆3固定在隧道内壁上，并连接至接线盒4，通过波长解调仪5将解调后的信号传入计算机6中进行处理，最终显示分析结果，从而通过光纤光栅的波长漂移量得出隧道沉降的位移量和隧道盾构环间接缝宽度的大小变化量。

具体实施方式一，所述的隧道内壁一侧相邻管片接缝处单位光纤光栅传感器安装如图2所示，单位光纤光栅传感器1采用光纤光栅应变传感器，在隧道内壁一侧按照W型安装光纤光栅应变传感器，两个相邻固定点7之间成45°角铺设，以便后续数据计算和处理。相邻固定点7之间的距离按照实际工程要求间隔大约2m。光纤光栅应变传感器1布置在隧道盾构环间接缝处，用于监测隧道沉降过程中横向的位移变化量和盾构环间接缝宽度的大小变化量。

具体实施方式二，隧道顶部盾构环间接缝处光纤光栅传感器安装如图3所示，在隧道点顶部按照一字型安装光纤光栅应变传感器，两个相邻固定点7之间成180°角铺设。相邻固定点7之间的距离按照实际工程要求间隔大约1.5m。光纤光栅应变传感器1布置在隧道盾构环间接缝处，主要用于监测隧道沉降过程中纵向位移变化量和隧道整体管片的应力变化。

具体实施方式三，隧道环向内壁光纤光栅传感器安装如图4所示，在隧道衬砌结构的内表面环向均匀布置。相邻固定点7之间的距离大约0.5m。光纤光栅应变传感器1等间隔的布置在管壁上，用于监测沉降过程中整体隧道直径的收敛情况。

具体实施方式四，光纤光栅应变传感器1固定封装在光纤传感器连接管2内，并对光纤光栅进行预拉处理。将封装好的光纤光栅应变传感器按照间隔不同分别制成三根传输光缆3，并通过相应固定件将其分别固定在隧道内壁一侧相邻管片裂缝处、隧道顶部盾构环间接缝处和隧道环向内壁上。

具体的，将三根传输光缆3一起连接至接线盒4中，并将接线盒4与波长解调仪5对应通道连接，整个光纤传感网络采用一个波长解调仪5，采用较少的通信宽带即可完成监测需求，降低了光缆铺设的成本和复杂性，节约了安装成本。

隧道沉降以及盾构环间接缝宽度的大小变化的监测方法如下：当在施工过程中或是后期使用过程中，隧道结构发生变化，出现沉降、管片裂缝扩张等异变情况，会使光纤光栅应变传感器1的波长发生漂移。其中隧道顶部的光纤光栅应变传感器1波长发生漂移，反映的是隧道沉降过程中纵向位移变化量和整体隧道管片应力变化；隧道内壁一侧的光纤光栅应变传感器1波长发生漂移，反映的是隧道沉降过程中横向位移变化量和隧道盾构环间接缝宽度的大小变化量；隧道环向内壁上的光纤光栅应变传感器波长发生漂移，主要反映的是隧道沉降过程中隧道断面直径的变化。通过解调仪5将解调后的信号传输到计算机6中处理，分析隧道中三个不同位置的沉降位移变化量，经过计算可得隧道相应位置沉降的位移量。

隧道内壁一侧相邻管片裂缝处光纤光栅应变传感器1受到外力作用，将导致盾构环间接缝处扩张引起两相邻固定点之间的传输光缆产生形变，长度被拉长，引起内部光纤光栅应变传感器1波长的漂移。并与隧道顶部盾构环间接缝处监测到的数据进行对比，之后可通过三角函数计算分析得到更加准确的隧道沉降的横向、纵向位移量以及盾构环间接缝宽度的大小变化量。并且采用此方法，分析处理不同方向的沉降位移变化量，最后可以更加准确的测量出隧道不同位置的沉降位移变化量和整体隧道管片应力变化量。

区别于现有技术，本发明提供的该隧道结构健康在线监测系统，将多个单位光纤光栅传感器制成三个传输光缆。并组成一个有机的整体网络，实现了光纤光栅的分布式测量。具有长距离、抗电磁干扰、抗腐蚀、频带宽、损耗低、精度较高等特点，成功解决了在隧道沉降监测过程中通过人工监测造成数据不及时、不准确的弊端。通过全程、多方位在线监测隧道在使用过程中整体结构的变化，使得操作人员可以远程实时准确的监测到隧道的状态，从而有效的提高工作效率，并保证工作人员的人身安全。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，其特征在于，包括：多个单位光纤光栅传感器、光纤传感器连接管、传输光缆、接线盒、波长解调仪、计算机；

其中，所述传输光缆固定于隧道内壁，多个单位光纤光栅传感器串置于传输光缆上，采用三路单位光纤光栅传感器，与传输光缆构成分布式传感网络；每一单位光纤光栅传感器通过一光纤传感器连接管包覆进行保护；所述分布式传感网络用于同时监测隧道中纵向、横向以及断面直径的沉降变化情况，以及盾构环间接缝宽度变化情况；所述传输光缆通过波长解调仪连接计算机，通过计算机进行数据处理，综合分析得出隧道沉降位移量、断面直径变化量以及盾构环间接缝宽度大小变化量。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，其特征在于，所述多个单位光纤光栅传感器为光纤光栅位移传感器。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，其特征在于，所述光纤传感器连接管用于封装所述光纤光栅位移传感器。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，其特征在于，所述分布式传感网络中的三路单位光纤光栅传感器分别铺设在隧道内壁一侧相邻管片接缝处、隧道顶部盾构环间接缝处和隧道的环向内壁上。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，其特征在于，所铺设的三路光纤光栅传感光缆同时监测隧道中纵、横向沉降变化、断面直径收敛情况以及隧道盾构环间接缝处的宽度变化情况。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，其特征在于，所述波长解调仪为16通道解调仪，同时实现三路传输光缆的波长解调。

7.根据权利要求4所述的适用于电力线通信的交替LT编码方法，其特征在于，设置于隧道内壁一侧管片接缝处的三路单位光纤光栅传感器用于监测隧道纵向和横向以及裂缝处的变化情况；设置于隧道顶部盾构环间接缝处的三路单位光纤光栅传感器用于监测隧道纵向沉降变化；设置于隧道环向内壁的三路单位光纤光栅传感器用于监测隧道断面沉降量与隧道直径收敛程度。

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