CN114184137B - 一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统及方法，包括，光纤传感器系统，数据处理系统，变形计算系统和预警系统；所述光纤传感器系统用于布置传感器并采集传感器数据；所述数据处理系统用于根据所述传感器数据获取单向应变数据；所述变形计算系统用于根据所述单向应变数据获取变形数据；所述预警系统用于基于所述变形数据发出变形预警。本发明能够远程、实时、长期、稳定、全面、精确的对隧道变形进行监测，为隧道的维护管理提供决策依据。

Description

一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统及方法

技术领域

本发明属于隧道变形监测技术领域，尤其涉及一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统及方法。

背景技术

由于隧道是条带状结构，在运营期间受到地质条件、水文条件、车辆荷载和地面超载等多种复杂因素的共同作用下，隧道结构将不可避免会发生变形(包括竖向变形、横向变形和轴向变形)，从而导致隧道环缝和纵缝张开、接缝渗漏水等危害，对盾构隧道的承载能力和使用功能产生不良影响,可能导致承载力下降并最终破坏，因此隧道结构的变形(包括竖向变形、横向变形和轴向变形)是隧道运营期问安全控制的核心指标，可用于评估结构是否稳定，是否有不均匀沉降，沉降值及沉降速率是否合理，同时为养护维修和病害处置提供依据。

传统的隧道变形监测方法包括人工目视检测法，使用全站仪、拉线式位移计等监测设备的直接测量法。由于隧道工作环境恶劣，人工目视检测法强度大且效率低，容易发生漏检的情况；而直接测量法会受到隧道内光线微弱，场地狭窄等情况的限制，同时监测精度和灵敏度不高，占用时间长，影响交通正常运行，难以实现远程长期监测。

近年来发展的自动监测技术，如摄影测量技术，激光测量技术等测量技术虽能在一定程度克服人工目视检测法和直接测量法的缺点，但是也存在自身的局限性。如摄影测量技术的设备体积大，现场安装不便，容易受到如灰尘、雾气等环境因素的影响，且设备价格昂贵；激光测量技术易受到外界环境(如灰尘等)的影响，当发生多个方向的变形时，会出现采集不到信号的情况，另外，激光测量技术要求激光器和接收器之间具有良好的通视性，这样对于弯曲段隧道的变形监测难以应用。

发明内容

本发明目的是在于提供一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测方法和系统，能够远程、实时、长期、稳定、全面、精确的对隧道变形进行监测，为隧道的维护管理提供决策依据。

一方面为实现上述目的，本发明提供了一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统，包括：

依次连接的光纤传感器系统，数据处理系统，变形计算系统和预警系统；

所述光纤传感器系统用于布置传感器并采集传感器数据；

所述数据处理系统用于根据所述传感器数据获取单向应变数据；

所述变形计算系统用于根据所述单向应变数据获取变形数据；

所述预警系统用于基于所述变形数据发出变形预警。

可选地，所述光纤传感器系统包括传感器布置模块、光纤传导模块与光纤解调仪模块；

所述传感器布置模块用于按照预设方式在隧道内布置光纤传感器；

所述光纤传导模块用于利用光纤导线将传感器数据传输到所述光纤解调仪模块；

所述光纤解调仪模块用于将所述传感器数据进行解调得到传感器波长数据。

可选地，所述光纤传感器采用长标距光纤传感器；

所述预设方式为，在隧道截面中，检修通道顶板和两侧分别设有一个所述长标距光纤传感器，所述隧道截面中的三个所述长标距光纤传感器的位置组成三角形状，沿隧道纵向布置，其中，将所述隧道截面中的所述检修通道顶板上的所述长标距光纤传感器的位置命名为1点、所述两侧上的所述长标距光纤传感器的位置分别命名为2点、3点。

可选地，所述数据处理系统包括波长处理模块与应变分离模块；

所述波长处理模块用于采集所述传感器波长数据，并将所述传感器波长数据转化为耦合应变数据；

所述应变分离模块用于通过应变分离计算公式将所述耦合应变数据分离成三个方向的所述单向应变数据，所述单向应变数据包括轴向应变数据、竖向弯曲应变数据与横向弯曲应变数据。

可选地，所述应变分离计算公式为，

ε₁＝ε′_N+ε_my1

其中，ε₁,ε₂,ε₃分别为1、2、3点的耦合应变数据，ε′_N为轴向应变数据，ε_my1为1点的竖向弯曲应变数据，ε_mz2为2点的横向弯曲应变数据，h为1点到2，3点的竖向距离，z₁为1点到中性轴的竖向距离。

可选地，所述变形计算系统包括变形计算模块、数据传输模块与数据存储模块；

所述变形计算模块用于根据所述单向应变数据得出变形数据，所述变形数据包括轴向变形数据、竖向变形数据与横向变形数据；

所述数据传输模块用于将所述变形数据传输给所述预警系统；

所述数据存储模块用于储存所述变形数据。

可选地，所述预警系统包括轴向变形预警模块、竖向变形预警模块与横向变形预警模块；

所述轴向变形预警模块用于根据所述轴向变形数据进行轴向变形预警；

所述竖向变形预警模块用于根据所述竖向变形数据进行竖向变形预警；

所述横向变形预警模块用于根据所述横向变形数据进行横向变形预警。

另一方面为实现上述目的，本发明提供了一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测方法，包括以下步骤：

S1.按照预设方式在隧道内布置光纤传感器，利用光纤导线将传感器数据传输到光纤解调仪模块，通过所述光纤解调仪模块将所述传感器数据解调得到传感器波长数据；

S2.采集所述传感器波长数据，并将所述传感器波长数据转化为耦合应变数据，通过应变分离计算公式将所述耦合应变数据分离成三个方向的所述单向应变数据，所述单向应变数据包括轴向应变数据、竖向弯曲应变数据与横向弯曲应变数据；

S3.根据所述单向应变数据得出变形数据，将所述变形数据传输给所述预警系统，并储存所述变形数据，所述变形数据包括轴向变形数据、竖向变形数据与横向变形数据；

S4.根据所述轴向变形数据进行轴向变形预警，根据所述竖向变形数据进行竖向变形预警，根据所述横向变形数据进行横向变形预警。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)本发明提出了一种长标距光纤传感器的隧道布置方案，该方案传感器安装方便，易于实现网络化铺设，且所用传感器耐久性和稳定性较好，能够实现长距离隧道的长期、稳定、全面的监测。

(2)本发明针对传感器布置方案，提出了隧道耦合应变分离理论，成功将隧道的三向应变进行分离，并运用变形计算理论计算出隧道的三向变形，达到很好的效果，能够实现精确的隧道变形监测。

(3)本发明提出一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统，该系统能够实时采集传感器数据，计算隧道的变形，并与网络连接，实现隧道变形的远程、实时监测。

(4)本发明提出的隧道变形监测系统和方法能够在隧道复杂的条件下实时监测隧道变形，并储存长期数据，可以为隧道维护管理提供预警和参考依据，极大降低维护成本，可推广至其他截面形式的隧道，带来巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，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为本发明实施例一的一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统结构示意图；

图2为本发明实施例一的长标距光纤传感器布置方案示意图；

图3为本发明实施例一的应变分离理论分析示意图；

图4为本发明实施例一的竖向弯曲应变分析示意图；

图5为本发明实施例一的横向弯曲应变分析示意图；

图6为本发明实施例一的共轭梁的荷载分布示意图；

图7为本发明实施例一的半无限平面地基上的弹性地基梁模型示意图；

图8为本发明实施例二的一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测方法流程示意图；

图9为本发明实施例三的四种荷载工况示意图；

图10为本发明实施例三的四种工况下分离的轴向应变结果示意图；

图11为本发明实施例三的四种工况下分离的竖向弯曲应变结果示意图

图12为本发明实施例三的四种工况下分离的横向弯曲应变结果示意图；

图13为本发明实施例三的四种工况下的轴向位移计算结果示意图；

图14为本发明实施例三的四种工况下的竖向位移计算结果示意图；

图15为本发明实施例三的四种工况下的横向位移计算结果示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

本发明所用传感器为长标距光纤传感器，与传统的电、磁传感技术相比，光纤传感具有显著优势：光波传感，不受电磁和射频干扰，稳定性好；频带宽、动态范围大；无电源驱动，不影响被测结构的性能；轻巧纤细，与结构匹配度高，易网络化铺设；主材石英，材质稳定，耐久性好；感知、传输一体化，系统集成性高。

如图1所示，本实施例中提供一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统，包括：光纤传感器系统，数据处理系统，变形计算系统和预警系统；

光纤传感器系统用于布置传感器并采集传感器数据；光纤传感器系统包括传感器布置模块、光纤传导模块与光纤解调仪模块；传感器布置模块用于按照预设方式在隧道内布置光纤传感器；光纤传导模块用于利用光纤导线将传感器数据传输到光纤解调仪模块；光纤解调仪模块用于将传感器数据解调得到传感器波长数据。

在本实施例中，传感器布置成三角形的形式，布置图如图2所示，三个传感器构成三角形，用于解算三向应变，进而计算三向位移。

具体的传感器布置方案为：选取单箱三室隧道截面为例，中间为人行检修通道，在人行检修通道顶板和两侧布置传感器，组成三角形状，沿隧道纵向布置。并将隧道截面中的检修通道顶板上的传感器的位置命名为1点、两侧上的传感器的位置分别命名为2点、3点。

数据处理系统根据传感器数据获取单向应变数据；数据处理系统包括波长处理模块与应变分离模块；波长处理模块用于采集传感器波长数据，并将传感器波长数据转化为耦合应变数据；应变分离模块用于通过应变分离计算公式将耦合应变数据分离成三个方向的单向应变数据，单向应变数据包括轴向应变数据、竖向弯曲应变数据与横向弯曲应变数据。

具体地，在本实施例中，提出了一种应变分离理论，应变分离理论分析如图3所示，实际采集得到的应变包含三个方向应变的耦合，轴向应变，竖向弯曲应变和横向弯曲应变，因此需将耦合应变分解为单向应变，再进行变形计算。利用截面三个点的耦合应变数据进行应变分离，具体分解理论如图3应变分离理论分析图所示：

图中，ε₁,ε₂,ε₃为1、2、3点的混合应变，ε_my1,ε_my2,ε_my3为竖向弯曲应变，ε_mz1,ε_mz2,ε_mz3为横向弯曲应变，以中性轴为坐标轴建立直角坐标系，其中z₁,z₂,z₃为1、2、3点到中性轴的竖向距离，y₁,y₂,y₃为1、2、3点到中性轴的横向距离，h为1点到2、3点的竖向距离，d₁,d₂,d₃为三点构成的三角形的三条边的长度。由此，可列出式(1)；

ε₁＝ε_N1+ε_my1+ε_mz1

ε₂＝ε_N2+ε_my2+ε_mz2

ε₃＝ε_N3+ε_my3+ε_mz3 (1)

同一截面的轴向应变近似相等，因此可设截面轴向应变为ε′_N，即ε′_N＝ε_N1＝ε_N2＝ε_N3，可得：

ε₁＝ε′_N+ε_my1+ε_mz1

ε₂＝ε′_N+ε_my2+ε_mz2

ε₃＝ε′_N+ε_my3+ε_mz3 (2)

竖向弯曲应变分析如图4所示：

式中，z₁为1点到中性轴的竖向距离，h为1点到2、3点的竖向距离，M为截面弯矩，EI为抗弯刚度。

由式(3)可得到关系式：

横向弯曲应变分析如图5所示：

式中，y₁,y₂为1，2点到中性轴的横向距离，d₃为三角形底边的长度，EI为抗弯刚度。

由

根据式(5)得：

ε_mz3＝-ε_mz2 (6)

又y₁＝0，所以

这样，将式(4)、(6)、(7)代入式(2)，得

ε₁＝ε′_N+ε_my1

即可将ε′_N,ε_my1,ε_mz2求出，ε′_N,ε_my1,ε_mz2即为分离得到的轴向应变，竖向弯曲应变和横向弯曲应变。

变形计算系统用于根据单向应变数据获取变形数据；变形计算系统包括变形计算模块、数据传输模块与数据存储模块；其中，变形计算模块用于根据单向应变数据得出变形数据，变形数据包括轴向变形数据、竖向变形数据与横向变形数据；数据传输模块用于将变形数据传输给预警系统；数据存储模块用于储存变形数据。

具体地，在本实施例中，还提出了一种变形计算理论，变形计算模块通过变形计算公式将单向应变数据计算处理得出变形数据，变形计算理论分析如下：

根据材料力学知识，改变荷载形式及大小等效于改变梁上弯矩分布，亦即曲率分布。而根据共轭梁法原理，实际梁的曲率分布等价于共轭梁的荷载分布，共轭梁的弯矩分布即为梁的实际变形分布。如式(9)所示：

其中，k(x)，M(x)，ε(x)，EI，y分别表示实际梁曲率、弯矩、应变分布、抗弯刚度以及传感器位置到结构中和轴距离，x为沿梁长度方向的距离；q′(x)表示共轭梁中等效荷载分布。

将式(9)单元化

式中，M_i为单元弯矩，q_i为i单元等效荷载，ε_i为i单元的平均应变，y_i为i单元传感器位置到结构中和轴的距离。

共轭梁的荷载分布如图6所示：

共轭梁全长L，共分为n个单元，每个单元长度为l，根据式(10)计算单元的曲率分布(即共轭梁的等效荷载分布)，再利用曲率分布计算共轭梁的弯矩分布，即为梁的变形分布：

式中，v_k共轭梁第k、k+1单元分界处的位移，n为单元个数。

隧道的地基模型为半无限平面地基上的弹性地基梁模型，针对此模型，热莫奇金与谢尼钦提出将其简化为用有限个刚性链杆支承于地基上的连续梁，如图7所示，每根链杆的反力代表一段接触面积上地基反力的合力。若刚性链杆数目趋于无穷大，该连续梁与原地基梁等价，因此隧道变形模型最终可以简化成连续梁变形模型，也就是说可以用共轭梁法原理计算隧道的变形。

根据应变分离理论得到三向应变(轴向应变、竖向弯曲应变、横向弯曲应变)，再将竖向弯曲应变、横向弯曲应变代入式(11)便可将竖向变形和横向变形求出。

对于轴向变形，可利用材料的弹性关系求出：

Δl_N＝ε′_Nl (12)

式中，Δl_N为单元轴向变形量，ε′_N为单元的截面轴向应变，l为单元长度。

预警系统用于基于变形数据发出变形预警；预警系统包括轴向变形预警模块、竖向变形预警模块与横向变形预警模块；其中，轴向变形预警模块用于根据轴向变形数据进行轴向变形预警；竖向变形预警模块用于根据竖向变形数据进行竖向变形预警；横向变形预警模块用于根据横向变形数据进行横向变形预警。

实施例二

如图8所示，本实施例中提供一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测方法，包括以下步骤：

S1.布置传感器并采集传感器数据；

S101.按照预设方式在隧道内布置光纤传感器，所述预设方式为，在隧道截面中，检修通道顶板和两侧分别设有一个所述长标距光纤传感器，所述隧道截面中的三个所述长标距光纤传感器的位置组成三角形状，沿隧道纵向布置；

S102.利用光纤导线将传感器数据传输到光纤解调仪模块；

S103.通过所述光纤解调仪模块将所述传感器数据解调得到传感器波长数据。

S2.根据所述传感器数据获取单向应变数据；

S201.采集所述传感器波长数据，并将所述传感器波长数据转化为耦合应变数据；

S202.通过应变分离计算公式将所述耦合应变数据分离成三个方向的所述单向应变数据，所述单向应变数据包括轴向应变数据、竖向弯曲应变数据与横向弯曲应变数据；

S3.根据所述单向应变数据获取变形数据；

S301.根据所述单向应变数据得出变形数据，所述变形数据包括轴向变形数据、竖向变形数据与横向变形数据；

S302.将所述变形数据传输给所述预警系统，并储存所述变形数据；

S4.基于变形数据发出变形预警；

根据所述轴向变形数据进行轴向变形预警，根据所述竖向变形数据进行竖向变形预警，根据所述横向变形数据进行横向变形预警。

实施例三

取一段60m隧道模型进行分析，该段隧道截面为单箱三室截面，中间为人行检修通道，截面高8.4m，宽33.8m，顶板厚0.7m，底板厚0.8m，两边腹板厚度为0.85m，中间腹板厚度为0.6m，材料为C50混凝土，泊松比为0.2，弹性模量E＝3.45×10⁴Mpa。结构单元长度为1m，共60个单元，由61个节点连接。

荷载工况：

本发明考虑了四种荷载工况，如图9所示，在竖向和横向施加荷载大小为q的荷载，其中四种荷载工况q的大小分别为600KN/m,800KN/m,400KN/m,1200KN/m；四种荷载工况考虑了温度的作用，分别为升温20℃，升温10℃，降温10℃，降温20℃。

结果验证：

(1)应变分离结果

如图10-12所示，在四种工况下，三向应变(轴向应变、竖向弯曲应变和横向弯曲应变)分离的理论值和计算值曲线吻合度都很高，误差在1％以内，证明了应变分离理论的有效性。

(2)位移计算结果

如图13-15所示，在四种工况下，三向变形(轴向变形、竖向弯曲变形和横向弯曲变形)的理论值和计算值曲线吻合度很高，误差在5％以内，证明了变形理论的有效性。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统，其特征在于，包括：依次连接的光纤传感器系统，数据处理系统，变形计算系统和预警系统；

所述光纤传感器系统用于布置传感器并采集传感器数据；

所述光纤传感器系统包括传感器布置模块、光纤传导模块与光纤解调仪模块；

所述传感器布置模块用于按照预设方式在隧道内布置光纤传感器；

所述光纤传导模块用于利用光纤导线将传感器数据传输到所述光纤解调仪模块；

所述光纤解调仪模块用于将所述传感器数据解调得到传感器波长数据；

所述数据处理系统用于根据所述传感器数据获取单向应变数据；

所述数据处理系统包括波长处理模块与应变分离模块；

所述波长处理模块用于采集所述传感器波长数据，并将所述传感器波长数据转化为耦合应变数据；

所述应变分离模块用于通过应变分离计算公式将所述耦合应变数据分离成三个方向的所述单向应变数据，所述单向应变数据包括轴向应变数据、竖向弯曲应变数据与横向弯曲应变数据；

所述应变分离计算公式为：

ε₁＝ε′_N+ε_my1

其中，ε₁,ε₂,ε₃分别为1、2、3点的耦合应变数据，ε′_N为轴向应变数据，ε_my1为1点的竖向弯曲应变数据，ε_mz2为2点的横向弯曲应变数据，h为1点到2，3点的竖向距离，z₁为1点到中性轴的竖向距离；

所述变形计算系统用于根据所述单向应变数据获取变形数据；

所述变形计算系统包括变形计算模块、数据传输模块与数据存储模块；

所述变形计算模块用于根据所述单向应变数据得出变形数据，所述变形数据包括轴向变形数据、竖向变形数据与横向变形数据；

所述数据传输模块用于将所述变形数据传输给所述预警系统；

所述数据存储模块用于储存所述变形数据；

所述预警系统用于基于所述变形数据发出变形预警。

2.根据权利要求1所述的基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述光纤传感器采用长标距光纤传感器；

所述预设方式为，在隧道截面中，检修通道顶板和两侧分别设有一个所述长标距光纤传感器，所述隧道截面中的三个所述长标距光纤传感器的位置组成三角形状，沿隧道纵向布置，其中，将所述隧道截面中的所述检修通道顶板上的所述长标距光纤传感器的位置命名为1点、所述两侧上的所述长标距光纤传感器的位置分别命名为2点、3点。

3.根据权利要求1所述的基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统，其特征在于，所述预警系统包括轴向变形预警模块、竖向变形预警模块与横向变形预警模块；

所述轴向变形预警模块用于根据所述轴向变形数据进行轴向变形预警；

所述竖向变形预警模块用于根据所述竖向变形数据进行竖向变形预警；

所述横向变形预警模块用于根据所述横向变形数据进行横向变形预警。

4.一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测方法，应用如权利要求1-3任一所述的隧道变形监测系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1.按照预设方式在隧道内布置光纤传感器，利用光纤导线将传感器数据传输到光纤解调仪模块，通过所述光纤解调仪模块将所述传感器数据解调得到传感器波长数据；

S2.采集所述传感器波长数据，并将所述传感器波长数据转化为耦合应变数据，通过应变分离计算公式将所述耦合应变数据分离成三个方向的单向应变数据，所述单向应变数据包括轴向应变数据、竖向弯曲应变数据与横向弯曲应变数据；

S3.根据所述单向应变数据得出变形数据，并储存所述变形数据，所述变形数据包括轴向变形数据、竖向变形数据与横向变形数据；

S4.根据所述轴向变形数据进行轴向变形预警，根据所述竖向变形数据进行竖向变形预警，根据所述横向变形数据进行横向变形预警。

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