CN113686383A - 一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置及系统，属于隧道围岩的安全检测技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括设置在光纤光栅保护壳内部的三维振动传感模块、轴向压力传感模块、径向压力传感模块、流速流量传感模块、传输光纤；传输光纤的末端经法兰接口接入光纤分线器中，光纤分线器的输出端分别连接无线传输模块、外接法兰接口；传输光纤共有四路，每一路均连接有沿着锚杆上下左右四个方向均匀排布的径向压力传感模块，其中一路还连接有三维振动传感模块、轴向压力传感模块、流速流量传感模块；本发明应用于隧道围岩。

Description

一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置及系统

技术领域

本发明一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置及系统，属于光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测技术领域。

背景技术

光纤光栅本质上是对光纤纤芯折射率周期性调制而形成的一种无源滤波器。光纤布拉格光栅具有以下优点：抗电磁干扰能力强，光纤在传输过程中不会受到电磁波的干扰；体积小，光纤光栅全兼容于光纤；传输距离远、精度高，测量精度不受光强的影响，易于组网测量与集成。因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。

我国境内多山地，许多交通线路均包含大量隧道，而在隧道施工中，围岩在开挖后的一段时间由于山体内的应力释放，很难保证不会发生持续形变，对施工的安全产生影响；另外在降雨后或者富水地区的山体内，往往存在大量水分，开挖后隧道围岩的涌水也是一个会影响隧道整体结构稳定性的重要因素；此外隧道掌子面的开挖工作，不论采用爆破、盾构还是其他方式，均会产生或大或小的振动，对已经暴露但未完成支护及衬砌的围岩界面造成影响。以上因素均会对工程本身及施工人员的安全构成威胁。

目前在隧道施工中常利用锚杆对围岩的受力情况进行检测，但常规的锚杆结构单一，对轴向应变缺乏有效的检测，而围岩的涌水量则依靠现场技术员的观察做主观判断，对振动的测量通常也是独立测量，缺乏与应变测量点的实时同步，难以做到在振动产生后及时收集隧道围岩的应变、涌水状况。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，包括光纤光栅保护壳，所述光纤光栅保护壳内部设置有三维振动传感模块、轴向压力传感模块、径向压力传感模块、流速流量传感模块、传输光纤；

所述传输光纤的末端经法兰接口接入光纤分线器中，光纤分线器的输出端分别连接无线传输模块、外接法兰接口；

所述传输光纤共有四路，每一路均连接有沿着锚杆上下左右四个方向均匀排布的径向压力传感模块，其中一路传输光纤还连接有三维振动传感模块、轴向压力传感模块、流速流量传感模块；

所述光纤光栅保护壳上设置有多个嵌套在锚杆表面的渗水孔，所述光纤光栅保护壳的内部设置有输水管，所述输水管的末端设置有排水管口。

所述径向压力传感模块和流速流量传感模块之间通过加固螺纹连接，增大装置与锚固剂间的摩檫力。

所述锚杆通过钢结构支架固定在围岩内部，所述钢结构支架上设置有固定螺栓将装置固定于围岩表面。

所述锚杆的钢结构支架上还设置有注浆导管，通过注浆导管注入锚固剂填充锚杆埋入围岩时与围岩结构体间存在的空隙。

所述三维振动传感模块位于锚杆末端，形状为一个中空圆柱体，三维振动传感模块内部包括三个相同结构的振动检测单元，依次分布于三个互相垂直的平面上，分别检测三个维度上的振动信息；

三维振动传感模块包括振动悬臂梁、光纤光栅传感器、振动小球，振动悬臂梁是由弹性材料制成的一个三角形平面，振动悬臂梁表面贴附有光纤光栅传感器，振动悬臂梁顶端连接振动小球。

所述轴向压力传感模块位于锚杆末端，形状为一中空圆柱体，轴向压力传感模块内部包括四个分布于同一轴向平面的压力检测单元，共同检测轴向压力。

所述径向压力传感模块位于锚杆中间段，由四路组成，分布于锚杆上下左右，相互间隔90°，各路均包括若干压力检测单元，分别检测各自方向上的应变信息。

所述压力检测单元具体为一个光纤光栅固定柱，其上固定一个光纤光栅传感器，光纤光栅传感器两端与压力传递柱相连，外部的压力信息经光纤光栅保护壳由压力传递柱施加于光纤光栅传感器上，使光纤光栅传感器产生应变，光栅返回的波长信号随即发生漂移。

所述流速流量传感模块包括一个应变棒，其上贴附两个光纤光栅传感器。

一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测系统，检测装置的外接法兰接口与传输光缆相连接，通过传输光缆将传感信号传入光纤光栅解调仪，由光纤光栅解调仪解调有线数据；

所述无线传输模块集成了光电转换功能，将光纤传递的光信号转换为电信号，通过无线传输功能，将传感信号远程传递到与光纤光栅解调仪相连的无线接收模块上，由光纤光栅解调仪解调无线数据，光纤光栅解调仪将解调后的数据传输入上位机，并在上位机中还原为围岩形变信息、振动信息、涌水信息。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供了一种光纤光栅复合结构隧道围岩安全检测装置，与现有的隧道围岩稳定性检测装置相比，可检测物理参量多、抗电磁波干扰能力强、风险低、可靠性高，可实现对隧道围岩高分辨率与高精度的长期检测，其优点与积极效果主要体现如下：

一、现有的隧道围岩安全检测装置，基本是在锚杆表面贴附应变传感器，传感器往往只有一到两个，对径向应变测量的精确性与分辨率都比较低，同时现有装置忽视了轴向应变的存在，对轴向应变缺乏有效测量。本发明结合光纤光栅传感器易于组网的优势，借助少量传感光纤，串联大量价格低廉的光纤光栅应变传感模块全方位测量锚杆周边围岩形变情况，同时将轴向应力也纳入检测范围，提升了检测装置的分辨率与精确度。

二、现有的隧道围岩安全检测装置，测量参数单一，对可能破坏围岩结构稳定的振动、涌水参量，缺乏有效检测。本发明将振动和涌水参量纳入检测范围，实现应变、振动、涌水的同点位检测，当检测到剧烈振动或是涌水量突然提升时，隧道围岩稳定性必然受到影响，此时装置可以及时报警并实时检测该点位应变情况，以便工作人员提前做出应对，提升了隧道施工的安全性。

三、本发明提供两种传输方式，既可现场布线，通过传输光缆接入上位机供工作人员查看检测参数，也可借助无线传输模块，远程无线传输数据，可由工作人员按照现场状况自行选择，提升了装置的适用性与可操作性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明检测装置的结构示意图；

图2、图3、图4分别为本发明三维振动传感模块的结构三视图；

图5为本发明压力检测单元的结构示意图；

图6为本发明轴向压力传感模块的结构示意图；

图7为本发明检测系统的结构示意图。

图中：101为三维振动传感模块、102为轴向压力传感模块、103为径向压力传感模块、104为流速流量传感模块、201为渗水孔、202为输水管、203为锚杆、204为光纤光栅保护壳、205为加固螺纹、206为固定螺栓、207为注浆导管、208为排水管口、301为无线传输模块、401为光纤光栅传感器、402为法兰接口、403为光纤分线器、404为传输光纤、501为应变棒、502为振动悬臂梁、503为振动小球、504为压力传递柱、505为光纤光栅固定柱、601为围岩界面、602为锚固剂、603为传输光缆、604为无线接收模块、605为光纤光栅解调仪、606为上位机。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明提供的光纤光栅复合结构隧道围岩安全检测装置，包括：三维振动传感模块101、轴向压力传感模块102、径向压力传感模块103、流速流量传感模块104、渗水孔201、输水管202、锚杆203、光纤光栅保护壳204、加固螺纹205、固定螺栓206、注浆导管207、排水管口208、无线传输模块301、光纤光栅传感器401、法兰接口402、光纤分线器403、传输光纤404、应变棒501、振动悬臂梁502、振动小球503、压力传递柱504、光纤光栅固定柱505。

其中三维振动传感模块101、轴向压力传感模块102、径向压力传感模块103、流速流量传感模块104、传输光纤404均置于光纤光栅保护壳204内，光纤光栅保护壳利用3D打印技术制成，其内部固定有众多光纤光栅传感器401，其上拥有若干渗水孔201，与锚杆203表面的渗水孔201对应，紧密嵌套于锚杆203表面。

其中传输光纤404共有四路，分别连接沿锚杆203上下左右四个方向均匀排布的径向压力传感模块103及其中的光纤光栅传感器401，其中一路除连接上述径向压力传感模块103外还连接三维振动传感模块101、轴向压力传感模块102、流速流量传感模块104及其中的光纤光栅传感器401，传输光纤404的末端经法兰接口402接入光纤分线器403中，光纤分线器403输出端分别连接无线传输模块301与外接法兰接口402。一系列光纤光栅传感器104产生的传感数据经传输光纤404进入光纤分线器403，并通过传输光缆603接入光纤光栅解调仪605，经解调仪解调后得出待测参数并传输到上位机606进行显示。

其中三维振动传感模块101位于锚杆203末端为一个中空圆柱体，内部包括三个相同结构的振动检测单元，依次分布于三个互相垂直的平面上，分别检测三个维度上的振动信息，图2、图3、图4所示为三维振动传感模块结构三视图。三维振动传感模块101包括振动悬臂梁502、光纤光栅传感器401、振动小球503，振动悬臂梁502是由弹性材料制成的一个三角形平面表面贴附有光纤光栅传感器401，顶端连接振动小球503。当有振动产生时，三个维度的振动小球503带动各自的振动悬臂梁502发生振动，其上的光纤光栅传感器401发生相应的应变，光栅返回的波长信号随即发生漂移，光信号经传输光纤404及传输光缆603进入光纤光栅解调仪605，光纤光栅解调仪605通过波长漂移量还原出三个维度的振动信号，三维的振动信号的数值大小量化为三个维度的向量，经由向量的正交分解，计算出合成后的向量，其模的绝对值即为采集到的振动信号，工作人员可在上位机中设置振动阈值，当检测到超过阈值的振动信号时，上位机报警，提示工作人员检测点可能发生围岩松动，应及时关注相关检测数据。

其中轴向压力传感模块102位于锚杆203末端为一中空圆柱体，内部包括四个分布于同一轴向平面的压力检测单元，共同检测轴向压力，如图6所示。径向压力传感模块103位于锚杆203中间段由四路组成，分布于锚杆203上下左右，相互间隔90°，各路均包括若干压力检测单元，分别检测各自方向上的应变信息。压力检测单元的结构图如图5所示，具体为一个光纤光栅固定柱505，其上固定一个光纤光栅传感器401，光纤光栅传感器401两端与压力传递柱504相连，外部的压力信息经光纤光栅保护壳204由压力传递柱504施加于光纤光栅传感器401上，使光纤光栅传感器401产生应变，光栅返回的波长信号随即发生漂移，光信号经传输光纤404及传输光缆603进入光纤光栅解调仪605，光纤光栅解调仪605通过波长漂移量解调出应变参数，轴向压力传感模块102和径向压力传感模块103中的一系列光纤光栅传感器401的应变数值在上位机上独立显示，工作人员可分别观测到分布于锚杆表面各个点位的应变信息，并借此还原锚杆周边围岩形变状况，对围岩的顶板离层及稳定性做出判断，上位机可由工作人员设置应变阈值，当某个或某些应变点出现超出阈值的应变信号时，上位机发出报警，提示工作人员检测点附近的围岩稳定性较差，应及时加固围岩并且做好安全防护。

其中流速流量传感模块104位于锚杆203前端包括一个固定底座以及与之相连的应变棒501，应变棒501上贴附两个光纤光栅传感器401。外界的涌水经分布于装置表面的若干渗水孔201流入输水管202，并于排水管口208排出，在这个过程中应变棒501末端由于在流水的冲击作用下发生形变，带动其上贴附的光纤光栅传感器401发生相应应变，光栅返回的波长信号随即发生漂移，光信号经传输光纤404及传输光缆603进入光纤光栅解调仪605，光纤光栅解调仪605通过波长漂移量解调出应变参数，由此还原围岩涌水的流速流量，工作人员可在上位机设置涌水阈值，当由于振动或外界环境影响，出现涌水量增大的情况时，上位机发出涌水报警，提示工作人员可能存在的由于涌水冲刷引起的围岩松动，结合压力传感模块传回的应变数据，及时判断可能发生的安全事故。

其中加固螺纹205位于径向压力传感模块103和流速流量传感模块104之间，用于增大装置与锚固剂间的摩檫力，防止装置松动。

其中固定螺栓206位于锚杆203的钢结构支架上，上下各一个，用于将装置固定于围岩表面。在装置固定时，先在围岩体内对应位置打出孔位，钉入膨胀螺丝，固定螺栓206将装置与膨胀螺丝牢牢固定在一起。

其中注浆导管207位于锚杆203的钢结构支架上，上下各一个，为中空导管，锚杆203埋入围岩时与围岩结构体间存在空隙，通过两个注浆导管207注入锚固剂，锚固剂为特殊的含有众多不可见细小空洞的渗水水泥，便于围岩体渗出的水分流入输水管202，用以检测围岩涌水状况。

其中无线传输模块301与外接法兰接口402位于装置末端，提供了无线、有线两种数据传输方式。外接法兰接口402与传输光缆603相连接，通过传输光缆603将传感信号传入光纤光栅解调仪605，由光纤光栅解调仪605解调有线数据。无线传输模块301集成了光电转换功能，将光纤传递的光信号转换为电信号，通过无线传输功能，将传感信号远程传递到与光纤光栅解调仪605相连的无线接收模块604上，由光纤光栅解调仪605解调无线数据，便于操作人员因地制宜选择特定的传输方式远程接收装置采集到的数据。

如图7所示为本发明的安全检测系统，由安全检测装置通过锚固剂602埋入围岩界面601中，装置检测到的传感信号经由无线传输模块301传输至无线接收模块604送入光纤光栅解调仪605，或经传输光缆603送入光纤光栅解调仪605，光纤光栅解调仪605将解调后的数据传输入上位机，并在上位机中还原为围岩形变信息、振动信息、涌水信息供相关人员查看。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，包括光纤光栅保护壳（204），其特征在于：所述光纤光栅保护壳（204）内部设置有三维振动传感模块（101）、轴向压力传感模块（102）、径向压力传感模块（103）、流速流量传感模块（104）、传输光纤（404）；

所述传输光纤（404）的末端经法兰接口（402）接入光纤分线器（403）中，光纤分线器（403）的输出端分别连接无线传输模块（301）、外接法兰接口（402）；

所述传输光纤（404）共有四路，每一路均连接有沿着锚杆（203）上下左右四个方向均匀排布的径向压力传感模块（103），其中一路传输光纤还连接有三维振动传感模块（101）、轴向压力传感模块（102）、流速流量传感模块（104）；

所述光纤光栅保护壳（204）上设置有多个嵌套在锚杆（203）表面的渗水孔（201），所述光纤光栅保护壳（204）的内部设置有输水管（202），所述输水管（202）的末端设置有排水管口（208）。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述径向压力传感模块（103）和流速流量传感模块（104）之间通过加固螺纹（205）连接，增大装置与锚固剂间的摩檫力。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述锚杆（203）通过钢结构支架固定在围岩内部，所述钢结构支架上设置有固定螺栓（206）将装置固定于围岩表面。

4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述锚杆（203）的钢结构支架上还设置有注浆导管（207），通过注浆导管（207）注入锚固剂填充锚杆（203）埋入围岩时与围岩结构体间存在的空隙。

5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述三维振动传感模块（101）位于锚杆（203）末端，形状为一个中空圆柱体，三维振动传感模块（101）内部包括三个相同结构的振动检测单元，依次分布于三个互相垂直的平面上，分别检测三个维度上的振动信息；

三维振动传感模块（101）包括振动悬臂梁（502）、光纤光栅传感器（401）、振动小球（503），振动悬臂梁（502）是由弹性材料制成的一个三角形平面，振动悬臂梁（502）表面贴附有光纤光栅传感器（401），振动悬臂梁（502）顶端连接振动小球（503）。

6.根据权利要求1所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述轴向压力传感模块（102）位于锚杆（203）末端，形状为一中空圆柱体，轴向压力传感模块（102）内部包括四个分布于同一轴向平面的压力检测单元，共同检测轴向压力。

7.根据权利要求1所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述径向压力传感模块（103）位于锚杆（203）中间段，由四路组成，分布于锚杆（203）上下左右，相互间隔90°，各路均包括若干压力检测单元，分别检测各自方向上的应变信息。

8.根据权利要求6或7所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述压力检测单元具体为一个光纤光栅固定柱（505），其上固定一个光纤光栅传感器（401），光纤光栅传感器（401）两端与压力传递柱（504）相连，外部的压力信息经光纤光栅保护壳（204）由压力传递柱（504）施加于光纤光栅传感器（401）上，使光纤光栅传感器（401）产生应变，光栅返回的波长信号随即发生漂移。

9.根据权利要求1所述的一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置，其特征在于：所述流速流量传感模块（104）包括一个应变棒（501），其上贴附两个光纤光栅传感器（401）。

10.一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测系统，其特征在于：检测装置的外接法兰接口（402）与传输光缆（603）相连接，通过传输光缆（603）将传感信号传入光纤光栅解调仪（605），由光纤光栅解调仪（605）解调有线数据；

所述无线传输模块（301）集成了光电转换功能，将光纤传递的光信号转换为电信号，通过无线传输功能，将传感信号远程传递到与光纤光栅解调仪（605）相连的无线接收模块（604）上，由光纤光栅解调仪（605）解调无线数据，光纤光栅解调仪（605）将解调后的数据传输入上位机（606），并在上位机中还原为围岩形变信息、振动信息、涌水信息。

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