CN113983942A - 一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法及装置，装置包括：在两环管片之间装设有连接螺栓，用于连接这两环管片；在所述管片相应位置设置有螺母安装孔位，所述连接螺栓两端连接有螺母，所述螺母位于螺母安装孔位内；在所述螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔，使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在所述连接螺栓上；每个所述连接螺栓上均在位于两环管片的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装有光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出并接入至光纤光栅解调仪。本发明设置于管片内部，不占用隧道空间，也不易受隧道内环境影响，可方便对管片的错台情况进行实时监测，从而保证隧道施工及运营期的安全。

Description

一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道管片错台监测领域，具体涉及一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法，还涉及一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置。

背景技术

盾构施工技术在世界上的发展和应用已有上百年的历史，目前已经成为一种国际上较为普遍的隧道工程施工方法，盾构施工的优劣主要集中在隧道管片成型质量上，而管片的错台一直是盾构隧道施工和运营中经常出现的技术难题与病害现象，且在较长的一段时间内没有得到足够的重视。管片错台引起的危害不仅仅对隧道的美观有影响，还会影响盾构隧道的结构安全，造成管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题。因此，对隧道管片错台进行监测是非常有必要的。

目前对盾构隧道管片错台的常用监测方法就是人工监测法和自动监测法。管片错台的人工监测法是通过目测进行，对疑似处可通过手触确认，也可将探照灯平贴于管片疑似错台处照明，如存在错台现象，则光束在错台处会出现明显的明暗对比，管片错台程度则可通过钢卷尺、游标卡尺测量错台最大处的位置，这一类人工监测方法需要耗费大量人力物力，效率也较为低下，且容易产生人为的不确定性或遗漏。自动监测法主要是利用三维激光扫描仪进行，先通过扫描均匀布置的靶点，结束后再对隧道进行全景扫描，对扫描数据进行拼接后，数据处理得出管片的错台量。但是三维激光扫描仪设备与处理软件非常昂贵，不利于工程推广应用，并且对于动辄数公里的盾构隧道而言，其靶点布置与全景扫描也需耗费较大的成本。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的在于提供了一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法，可方便对管片的错台情况进行实时监测，并采取相应的应对措施，从而保证隧道施工及运营期的安全。

本发明的另一个目的在于提供了一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置，该监测装置设置于管片内部，不占用隧道空间，也不易受隧道内环境影响，可方便对管片的错台情况进行实时监测。

为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法，包括以下步骤：

a.预先在螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔；

b.使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在连接螺栓上，每个连接螺栓上均在两环管片的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装有光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出；

c.对各个连接螺栓进行编号，并标注于连接螺栓引线上；

d.盾构掘进完毕后将管片按照拼装顺序拼装好，并将对应的连接螺栓安装到位，将其拧紧，并施加预应力；

e.管片和连接螺栓安装好后，将存在的线缆固定好，并且将电缆接头引到数据采集处；

f.将每个光纤光栅应变传感器所引出的光纤接头依编号接入光纤光栅解调仪中，对各个监测数据进行实时的监测，并将监测数据保存入电脑；

g.将安装有光纤光栅应变传感器的连接螺栓及管片拼装完成后，将此时所测的光纤光栅应变传感器波长设为初始波长；

h.连接螺栓接缝处发生的应变通过光纤光栅的温度变化、光栅中心波长的变化之间的关系进行换算得出，光纤光栅应变传感器的应变变化值通过以下公式换算得出：

ε＝Δλ_B/[λ_B(1-p_e)]-(α+ξ)ΔT/(1-p_e) (1)

式(1)中：Δλ_B为光栅波长变化量；λ_B为布拉格光栅的波长量；ε为应变值；ΔT为被测对象的温度变化；α为光纤的温度系数；ξ为光栅的温度系数；p_e为光纤的弹光系数，p_e≈0.22；

i.光纤光栅应变传感器对连接螺栓接缝位置处发生的应变进行测量，通过换算得到管片错台变形量，计算过程如下：

①根据结构的受力情况和变形情况，建立力法基本方程如下：

式(2)中，δ为未知力对应的未知系数，Δ为自由项，X₁和X₂为结构截面上的未知力；

②求解各系数和自由项：

通过计算基本结构上单位未知力引起的单位弯矩图，运用图乘法求得各系数和自由项为：

将上述各系数代入方程式(2)得到未知力X₁和X₂分别为

其中：C为常量，C＝10β²-16βsinβ+4sin²β+βsin2β；

③连接螺栓截面的弯矩值：

上述的计算得到连接螺栓在管片接缝处的错台与转角θ的关系，所以其截面的弯矩值为：

将整个连接螺栓看做是一个纯弯杆构件，式(6)为纯弯杆件弯矩M与应力σ，应力σ与应变ε之间的关系式：

④连接螺栓错台量：

将式(6)代入(5)式计算管片错台量与螺栓杆件接缝处的应变之间的关系，另由于连接螺栓螺母端被固定，所以连接螺栓杆件端部的转角θ＝0，代入最终化简可得到连接螺栓的错台量计算公式：

式中：c为管片的错台量；r为连接螺栓的曲率半径；θ为连接螺栓杆件端部的转角；ε为光纤光栅测量的应变；σ为连接螺栓应力；E为连接螺栓弹性模量；I为连接螺栓惯性矩；I_Z为连接螺栓横截面对其中性轴的惯性矩；d为连接螺栓直径；β为连接螺栓两端夹角的一半；y为光栅距中性轴的距离。

相应的，本发明还要求保护一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置，包括：在两环管片之间装设有连接螺栓，用于连接这两环管片；在所述管片相应位置设置有螺母安装孔位，所述连接螺栓两端连接有螺母，所述螺母位于螺母安装孔位内；在所述螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔，使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在所述连接螺栓上。

可选的，每个所述连接螺栓上均在位于两环管片的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装有光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出并接入至光纤光栅解调仪。

可选的，所述连接螺栓在靠近两端部装设有螺栓垫片，所述螺栓垫片位于螺母与螺母安装孔位之间。

由上，管片发生错台变形时，必然导致管片之间的连接螺栓发生变形，且变形的部位主要集中在两环管片之间的接缝位置，参看图1，连接螺栓安装完成后与相邻的两环管片是一体化的，而管片的错台变形指的就是相邻管片的错动变形，因此管片发生错台必然会使连接螺栓在横向发生错动。由于连接螺栓结构简单，材质单一，在其上布置光纤光栅测点十分方便，操作也非常简单；本发明利用埋设在管片连接螺栓上的光纤光栅应变传感器获取连接螺栓由于管片错台发生的应变变形，相关测量结果可以保证较高的精度，通过换算可得到较为精准的管片错台变形，可保障盾构隧道施工运营安全。本发明在连接螺栓两端的螺母上设置有孔洞，光纤光栅传感器通过环氧型胶粘剂粘贴在连接螺栓表面(注意不能贴在连接螺栓的中性轴上)，并通过螺母孔洞将连接引线引出，根据连接螺栓在管片接缝处的应变、连接螺栓曲率半径以及光纤光栅与连接螺栓中性轴的相对位置关系计算连接螺栓的错台变形。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1.本发明设计了一种依附于管片连接螺栓的管片错台量光纤光栅监测装置，该监测装置设置于管片内部，不占用隧道空间，也不易受隧道内环境影响，可方便对管片的错台情况进行实时监测，并采取相应的应对措施，从而保证隧道施工及运营期的安全。

2.本发明的体积较小，粘贴在连接螺栓的表面即可进行测量，不会改变连接螺栓的强度。光纤从连接螺栓头部螺母的孔洞引出，连接外侧的光纤光栅条调解仪，可获取盾构管片的等效错台量，整个安装以及测量过程简单方便，在盾构隧道施工与运营期具有积极地推广应用价值。

3.本发明提出了盾构管片等效错台量的计算方法，只要通过光纤光栅传感器获取了连接螺栓在管片接缝处的应变值，然后结合连接螺栓和光纤光栅的几何参数与力学属性参数就可以对盾构管片等效错台量进行求解。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为管片连接螺栓安装示意图；

图2为连接螺栓错台量示意图；

图3为管片错台量的计算简化示意图；

图4为实施例3错台变形监测曲线图。

附图标记：1、螺母安装孔位，2、螺母，3、螺栓垫片，4、连接螺栓，5、光纤，6、光纤光栅应变传感器，7、管片。

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，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步说明。

实施例1。一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置，如图1所示，包括：在两环管片7之间装设有连接螺栓4，用于连接这两环管片7；在管片7相应位置设置有螺母安装孔位1，连接螺栓4两端连接有螺母2，螺母2位于螺母安装孔位1内；在螺母2上距离连接螺栓4端头2cm处打孔，使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器6粘贴在连接螺栓4上。

其中，每个连接螺栓4上均在位于两环管片7的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装一个光纤光栅应变传感器6，并将连接引线及光纤5通过螺母2孔洞引出并接入至光纤光栅解调仪；同时，连接螺栓4在靠近两端部装设有螺栓垫片3，螺栓垫片3位于螺母2与螺母安装孔位1之间。

实施例2。一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法，如图1-3所示，操作步骤如下：

a.预先在螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔；

b.使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在连接螺栓上，光纤光栅应变传感器的安装方式为每个连接螺栓上均在指定的截面处(即两环管片的接缝处)平行于螺栓轴线的方向上安装一个光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出；

c.对各个连接螺栓进行编号，并标注于连接螺栓引线上，以确保连接螺栓位置的正确安装；

d.盾构掘进完毕后将管片按照拼装顺序拼装好，并将对应的连接螺栓安装到位，将其拧紧，并施加预应力；

e.管片和连接螺栓安装好后，有大量的线缆，将这些线缆固定好，防止被掘进中盾构机刮断或者其他因素导致损坏，并且将电缆接头引到数据采集处；

f.将每个光纤光栅应变传感器所引出的光纤接头依编号接入光纤光栅解调仪中，对各个监测数据进行实时的监测，并将监测数据保存入电脑；

g.将安装有光纤光栅应变传感器的连接螺栓及管片拼装完成后，将此时所测的光纤光栅应变传感器波长设为初始波长；

h.连接螺栓接缝处发生的应变可以通过光纤光栅的温度变化、光栅中心波长的变化之间的关系进行换算得出，光纤光栅应变传感器的应变变化值可以通过以下公式进行较高精度的换算得出：

ε＝Δλ_B/[λ_B(1-p_e)]-(α+ξ)ΔT/(1-p_e) (1)

式(1)中：Δλ_B为光栅波长变化量；λ_B为布拉格光栅的波长量；ε为应变值；ΔT为被测对象的温度变化；α为光纤的温度系数；ξ为光栅的温度系数；p_e为光纤的弹光系数，p_e≈0.22；

i.光纤光栅应变传感器可对连接螺栓接缝位置处发生的应变进行测量，其相关测量结果可以保证较高的精度，通过换算可得到较为精准的管片错台变形量。通过计算可知盾构隧道衬砌管片的错台变形量与连接螺栓的光纤光栅的应变、曲率半径、光纤光栅距中性轴的距离以及中性轴的惯性矩有关，通过计算可得出光纤光栅应变传感器的应变变化与盾构隧道衬砌管片的错台量之间的关系，计算过程如下：

①根据结构的受力情况和变形情况，建立力法基本方程如下：

式(2)中，δ为未知力对应的未知系数，Δ为自由项，X₁和X₂为结构截面上的未知力，如图3所示；

②求解各系数和自由项：

通过计算图3绘出的基本结构上单位未知力引起的单位弯矩图，运用图乘法可以求得各系数和自由项为：

将上述各系数代入方程式(2)可得到未知力X₁和X₂分别为

其中：C为常量，C＝10β²-16βsinβ+4sin²β+βsin2β

③连接螺栓截面的弯矩值：

上述的计算可以得到连接螺栓在管片接缝处的错台与转角θ的关系，所以其截面的弯矩值为：

由于连接螺栓计算的理论推导是在剔除预紧力的前提下完成的，整个连接螺栓可以看做是一个纯弯杆构件，式(6)为纯弯杆件弯矩(M)与应力(σ)，应力(σ)与应变(ε)之间的关系式：

④连接螺栓错台量：

将式(6)代入(5)式便可计算管片错台量与螺栓杆件接缝处的应变之间的关系，另由于连接螺栓螺母端被固定，所以连接螺栓杆件端部的转角θ＝0，代入最终化简可得到连接螺栓的错台量计算公式：

式中：c为管片的错台量；r为连接螺栓的曲率半径；θ为连接螺栓杆件端部的转角；ε为光纤光栅测量的应变；E为连接螺栓弹性模量；I为连接螺栓惯性矩；I_Z为连接螺栓横截面对其中性轴的惯性矩；d为连接螺栓直径；β为连接螺栓两端夹角的一半；y为光栅距中性轴的距离。

实施例3。如图4所示，为2019年武汉地铁7号线某区间右线K27+360.00拱腰处错台变形监测曲线图，计算公式的各参数值如表1所示。从图4可以看出，错台位移的精度较高，能够满足地铁运营监测的精度要求；最大变形只有约0.064mm，与同期进行的人工监测(同一周期内，人工采用全站仪测量2次)结果是相一致的，满足地铁安全运营要求。

表1计算参数一览表

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.预先在螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔；

b.使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在连接螺栓上，每个连接螺栓上均在两环管片的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装有光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出；

c.对各个连接螺栓进行编号，并标注于连接螺栓引线上；

d.盾构掘进完毕后将管片按照拼装顺序拼装好，并将对应的连接螺栓安装到位，将其拧紧，并施加预应力；

e.管片和连接螺栓安装好后，将存在的线缆固定好，并且将电缆接头引到数据采集处；

f.将每个光纤光栅应变传感器所引出的光纤接头依编号接入光纤光栅解调仪中，对各个监测数据进行实时的监测，并将监测数据保存入电脑；

g.将安装有光纤光栅应变传感器的连接螺栓及管片拼装完成后，将此时所测的光纤光栅应变传感器波长设为初始波长；

h.连接螺栓接缝处发生的应变通过光纤光栅的温度变化、光栅中心波长的变化之间的关系进行换算得出，光纤光栅应变传感器的应变变化值通过以下公式换算得出：

ε＝Δλ_B/[λ_B(1-p_e)]-(α+ξ)ΔT/(1-p_e) (1)

式(1)中：Δλ_B为光栅波长变化量；λ_B为布拉格光栅的波长量；ε为应变值；ΔT为被测对象的温度变化；α为光纤的温度系数；ξ为光栅的温度系数；p_e为光纤的弹光系数，p_e≈0.22；

i.光纤光栅应变传感器对连接螺栓接缝位置处发生的应变进行测量，通过换算得到管片错台变形量，计算过程如下：

①根据结构的受力情况和变形情况，建立力法基本方程如下：

式(2)中，δ为未知力对应的未知系数，Δ为自由项，X₁和X₂为结构截面上的未知力；

②求解各系数和自由项：

通过计算基本结构上单位未知力引起的单位弯矩图，运用图乘法求得各系数和自由项为：

将上述各系数代入方程式(2)得到未知力X₁和X₂分别为

其中：C为常量，C＝10β²-16βsinβ+4sin²β+βsin2β；

③连接螺栓截面的弯矩值：

上述的计算得到连接螺栓在管片接缝处的错台与转角θ的关系，所以其截面的弯矩值为：

将整个连接螺栓看做是一个纯弯杆构件，式(6)为纯弯杆件弯矩M与应力σ，应力σ与应变ε之间的关系式：

④连接螺栓错台量：

将式(6)代入(5)式计算管片错台量与螺栓杆件接缝处的应变之间的关系，另由于连接螺栓螺母端被固定，所以连接螺栓杆件端部的转角θ＝0，代入最终化简可得到连接螺栓的错台量计算公式：

式中：c为管片的错台量；r为连接螺栓的曲率半径；θ为连接螺栓杆件端部的转角；ε为光纤光栅测量的应变；E为连接螺栓弹性模量；I为连接螺栓惯性矩；I_Z为连接螺栓横截面对其中性轴的惯性矩；d为连接螺栓直径；β为连接螺栓两端夹角的一半；y为光栅距中性轴的距离。

2.一种盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置，其特征在于，包括：在两环管片之间装设有连接螺栓，用于连接这两环管片；在所述管片相应位置设置有螺母安装孔位，所述连接螺栓两端连接有螺母，所述螺母位于螺母安装孔位内；在所述螺母上距离连接螺栓端头2cm处打孔，使用环氧型胶粘剂将光纤光栅应变传感器粘贴在所述连接螺栓上。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置，其特征在于，每个所述连接螺栓上均在位于两环管片的接缝处、平行于螺栓轴线的方向上安装有光纤光栅应变传感器，并将连接引线及光纤通过螺母孔洞引出并接入至光纤光栅解调仪。

4.根据权利要求2所述的盾构隧道管片错台的光纤光栅监测装置，其特征在于，所述连接螺栓在靠近两端部装设有螺栓垫片，所述螺栓垫片位于螺母与螺母安装孔位之间。

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