CN114623776B - 基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，该方法包括如下步骤：在隧道的监测区域布置分布式定点光缆，形成若干监测变形量的单元区域；在监测系统中建立对应隧道单元区域的网格单元，采集网格单元对应的分布式定点光缆监测数据，设定网格单元监测数据的安全阈值；当网格单元的监测数据超出安全阈值时，搜索周边的关联网格单元监测数据，分析关联网格单元历史监测数据的变化率，确定是否发生异常变化，预测隧道损伤情况。采用该方法可以在大幅节省监测数据的分析运算量的情况下，更为细致、有针对性地进行精细监测，更为准确地判断隧道损伤类型，预测隧道损伤区域的后续变化。

Description

基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法

技术领域

本发明涉及通过光学应变原理计量及监测隧道变形的技术领域，尤其是一种基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法。

背景技术

隧道，尤其是公路隧道，在建成运营期间，由于所处区域地质活动、地下水活动或二衬混凝土施工缺陷等原因可能会造成隧道衬砌开裂变形，随着变形发展可能出现结构变形、开裂、掉块等风险事件，严重影响隧道内车辆通行安全。隧道衬砌开裂变形初步阶段，及时识别其变形情况或者实时监控其变形发展趋势，在风险事件发生之前，提前预警，对公路隧道管养水平的提升以及车辆通行的安全具有重要意义。

目前针对于公路隧道结构监测主要侧重于围岩压力、混凝土单点应变以及锚杆受力方面，主要的方式有隧道施工期间预埋传感器以及施工完毕再加装传感器两种，尚未有针对于运营期可能发生的衬砌开裂变形（如拱顶开裂、掉块等）病害的监测方式。

1、隧道施工期间预埋传感器类型一般有土压力盒、应变计、钢筋计等单点传感器，这部分传感器要求隧道在施工期间就埋入隧道岩土体或者二衬混凝土内，并且保留屏蔽线接口穿过二衬混凝土以后期读取数据，此部分监测方式更侧重于隧道施工期监测。由于受隧道施工工艺限制，待隧道施工完毕后，大部分预埋的传感器已遭破坏或出现故障，无法维修或更换，因此此类预埋监测方法对于隧道运营期监测不太适用。隧道的变形开裂病害通常是由地质活动或二衬混凝土施工缺陷导致，并且具有极大位置不确定性，此类预埋的传感器通常只能对地质活动引起的变形较为有效，对于二衬混凝土施工缺陷造成的变形，无法有效监测，并且如果预埋的传感器没有在病害发生位置，也无法有效监测，同时也无法移动已预埋设备。

2、第二种方式为隧道施工完毕后，再在隧道中加装传感器。包括：1）将隧道衬砌破坏，将第一种方式的传感器再埋入，属于有损监测方式；2）在隧道一定长度监测段落安装静力水准仪监测系统、选取断面安装激光测距仪、针对已有裂缝安装裂缝计以监测裂缝变形，此部分监测属于无损监测，侧重于隧道运营期局部沉降变形、断面收敛以及部分典型裂缝监测。静力水准系统通常一条直线布置，只能监测该条直线上的沉降变形。静力水准监测系统有水管、气管组成，安装工艺要求高，受影响因素多，易遭破坏，且需定期水箱灌注防冻液，隧道通常有纵坡，易超量程，监测距离局限。激光测距仪是基于光学的原理，在隧道断面位置安装激光测距仪，实时测量目标点和激光发射点之间的距离以达到监测断面收敛的目的。并且由于监测对象为公路隧道，长期车辆通行，隧道内灰尘、汽车尾气等容易在隧道内积累或者直接覆盖在激光测距仪镜头，导致激光无法正常测量。对于公路运营期的公路隧道监测来说，基于外部光学的传感器通常受车辆通行遮挡、灰尘遮挡影响大，难以开展有效监测。裂缝计必须安装在已有裂缝上，且单点监测，数量多，容遭破坏，数据采集困难，难以系统分析。

综上所述，隧道施工完成后安装的静力水准系统、激光测距仪（光学类传感器）、裂缝计等传感器的主要缺点在于：

（1）难以对隧道衬砌开裂变形病害针对性监测；

（2）如果监测点位较多，需要安装大量的传感器，效率低下，系统复杂；

（3）获取的监测数据受影响因素较多，数据分析难度较大；

（4）在数据展示方面，由于隧道衬砌变形开裂病害可能只发生在一个小区域，也有可能是发生于隧道一个段落，甚至是一个整体，此类监测设备只能简单以时间-曲线或者表格的形式展示监测数据，不能直观展示隧道衬砌开裂变形监测情况；

（5）在隧道预警方面，只能开展单点分析，难以开展区域分析，更无法对于固定监测点位以外的周边区域进行对比分析，进而无法开展有效预警。

分布式定点光缆（DDS）传感器是一种光学应变仪，通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成。当温度或应力发生改变时，光纤产生轴向应变，应变使得光栅周期变大，同时光纤芯层和包层半径变小，通过光弹性效应改变了光纤的折射率，从而引起光栅波长偏移。利用应变与光栅波长偏移量的线性关系，通过计算得出被测结构应变量，因此可以将其设置于固体物上，实现固体变形的计量和监测。在公路隧道病害集中段落或者易发段落的衬砌结构上密贴安装分布式定点光缆（DDS），一旦衬砌发生变形开裂，将会导致分布式定点光缆（DDS）中光纤产生轴向应变，通过转换获取得到监测点的应变值，对各个监测点应变值设置阈值，即可达到隧道衬砌开裂变形（拱顶开裂掉块）监测预警及优化展示的目的，并且可以解决上述现有监测的部分缺陷。在利用分布式定点光缆监测变形时，常规的方式通常是设定安全阈值，监测数据超出安全阈值后进行报警，但是，此种方式运用于隧道监测时只能简单地判断出是否发生损伤，难以判断损伤的类型，更难以对隧道损伤的后续变化进行判断和预测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，可更好地进行隧道损伤的监测与预测。

本发明公开的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，包括如下步骤：

在隧道的监测区域布置分布式定点光缆，形成若干监测变形量的单元区域；

建立监测系统，在监测系统中建立对应隧道中单元区域的网格单元，采集网格单元对应的分布式定点光缆监测数据，设定网格单元监测数据的安全阈值；

当网格单元的监测数据超出安全阈值时，搜索周边的关联网格单元监测数据，分析关联网格单元历史监测数据的变化率，确定是否发生异常变化，根据超出安全阈值的网格单元以及异常变化的关联网格单元预测隧道损伤情况。

优选地，所述关联网格单元的确定方式包括，以超出安全阈值的网格单元为中心，划定出影响区段，将影响区段内所有网格单元作为关联网格单元进行监测数据分析。

优选地，将超出安全阈值的监测数据划分为至少两个等级的预警阈值，根据超出安全阈值的网格单元的监测数据对应的预警阈值等级，划定所述影响区段。

优选地，在确定关联网格单元监测数据发生异常变化后，若发生异常变化的关联网格单元位于影响区段的边缘，向发生异常变化的关联网格单元外侧继续扩展影响区段的范围，确定新扩展的影响区段内的关联网格单元是否发生异常变化，直至新扩展的关联网格单元均未发生异常变化，综合分析超出安全阈值的网格单元以及所有异常变化的关联网格单元，预测隧道损伤情况。

优选地，将发生异常变化的关联网格单元的相邻网格单元扩展为影响区段，确定相邻网格单元是否发生异常变化。

优选地，以不同的颜色分别标记监测数据对应的安全阈值以及不同等级的预警阈值，并展示于网格单元内。

优选地，根据当前超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元的相互位置关系，预测出隧道损伤类型。

优选地，根据预测出的隧道损伤类型，推测出损伤蔓延走向，加快对超出安全阈值的网格单元、异常变化的关联网格单元以及损伤蔓延走向上的网格单元的监测数据采集频率，并分析监测数据的变化，更新预测的隧道损伤情况。

优选地，调取监测的历史数据，确定出超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元发生异常变化的起始点，从发生异常变化的起始点开始对监测数据进行线性拟合，得出拟合公式，根据拟合公式的后续变化推测出隧道危险升级的时间点。

优选地，依据当前超出安全阈值的网格单元及异常变化的网格单元数量之和占影响区段所有关联网格单元的总数量的比例作为依据划分出第一类警告级别；

将相邻的超出安全阈值的网格单元及异常变化的网格单元作为异常组合体，将网格单元数量最多的异常组合体作为最大组合体，以最大组合体的网格单元数量作为依据划分出第二类警告级别；

以超出安全阈值的网格单元以及异常变化的网格单元的历史监测数据的变化率作为依据划分出第三类警告级别；

依据预测出隧道损伤类型的危险程度作为依据划分出第四类警告级别；

以第一类警告级别、第二类警告级别、第三类警告级别以及第四类的警告级别中的最高级别作为隧道损伤评价的级别或者以第一类警告级别、第二类警告级别、第三类警告级别和第四类的警告级别的综合评级作为隧道损伤评价的级别。

优选地，采取温度补偿措施，修正网格单元对应的分布式定点光缆的监测数据。

优选地，所述分布式定点光缆通过往复弯折的方式布置于监测区域内。

本发明的主要有益效果是：

1、本发明利用分布式定点光缆进行隧道监测，可以更好地覆盖隧道监测区域，监测点位多，布置更加简单；

2、监测系统中建立对应隧道单元区域的网格单元，可以直接地展现隧道的实时情况，并有利于关联分析；

3、以超出安全阈值的网格单元作为指引，分析关联网格单元监测数据的变化率，可以在大幅节省监测数据的分析运算量的情况下，更为细致、有针对性地进行精细监测，更为准确地判断隧道损伤类型，预测隧道损伤区域的后续变化。

附图说明

图1是最低预警等级的超出安全阈值网格单元及其关联网格单元的示意图；

图2是中间预警等级超出安全阈值网格单元及其关联网格单元的示意图；

图3是最高预警等级的超出安全阈值网格单元及其关联网格单元的示意图；

图4是横向的开裂变形风险的网格单元示意图；

图5是纵向的开裂变形风险的网格单元示意图；

图6是斜向的开裂变形风险的网格单元示意图；

图7是掉块风险的网格单元示意图；

图8是沿隧道周向往复弯折布置的分布式定点光缆展开示意图；

图9是沿隧道纵向往复弯折布置的分布式定点光缆展开示意图；

图10是多个监测区域复合布置的分布式定点光缆展开示意图；

图11是分布式定点光缆的套管示意图；

图12是固定夹具的侧视图；

图13是固定夹具的内侧示意图。

附图标记：分布式定点光缆1，套管11，凸齿12，固定夹具2，夹持槽21，连接板22，定位槽23。

具体实施方式

下面对本发明进一步说明。

本发明公开的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，包括如下步骤：

在隧道的监测区域布置分布式定点光缆，形成若干监测变形量的单元区域；

建立监测系统，在监测系统中建立对应隧道中单元区域的网格单元，采集网格单元对应的分布式定点光缆监测数据，设定网格单元监测数据的安全阈值；

当网格单元的监测数据超出安全阈值时，搜索周边的关联网格单元监测数据，分析关联网格单元历史监测数据的变化率，确定是否发生异常变化，根据超出安全阈值的网格单元以及异常变化的关联网格单元预测隧道损伤情况。

隧道的监测区域根据实际情况划定，可以将整条隧道均划定为监测区域，也可以区分出易出现变形、开裂、掉块的区域作为监测区域，在监测区域布置分布式定点光缆后，即可对对应的监测区域进行监测。分布式定点光缆每间隔一定距离就存在一个监测点，其中，密集分布式定点光缆监测点间隔一般可选择为0.5m、1m、2m等，也可以根据需求定制其他间隔长度的监测点。以2m间隔为例，分布式定点光缆中每间隔2m就有一个光栅点，即监测点，一段20m的光缆理论上有9-11个监测点。光缆的直径通常约5mm，定点长度约8mm，占据空间小，安装方便。每两个监测点之间的应力发生改变，光栅波长也会发生改变，即每两个监测点即可形成监测变形量的单元区域。

建立监测系统，可参考现有的分布式定点光缆监测系统，用于采集、处理以及展示监测数据。在监测系统建立对应隧道中单元区域的网格单元，采集网格单元对应的分布式定点光缆监测数据，可以直观地展现监测区域的监测情况，并且有利于后续的预警处理。在硬件方面，通常将分布式定点光缆与解调仪连接进行数据采集，解调仪自带网络通讯模块，通过4G或者有线网络连接的形式将经解调后的各个监测点的监测数据上传至监测云平台网关，进而传输至监测系统。监测数据可以是直接的波长数据，也可以是经过初步换算处理后的变形量数据。

根据监测隧道的实际情况，可以设定出网格单元监测数据的安全阈值，一旦超出阈值则证明此处隧道很可能发生损伤。常规方式通常是直接通过判断监测数据是否超出阈值，确定所监测的隧道对应区域是否损伤。但是，单独判断的方式出现误判的可能性较大，本申请则是在某个或者某几个网格单元的监测数据超出安全阈值时，搜索周边的关联网格单元监测数据。因为绝大多数隧道损伤不会仅波及一个网格单元，因此，一个网格单元超出阈值，则其周边的网格绝大多数情况下，尽管监测数据还未超出安全阈值，但是，已经发生了异常变化。如图1所示，中间带有阴影的网格单元超出安全阈值，经过分析其周边网格单元的监测数据也出现了不同程度的异常升高。关联网格单元具体异常变化可以通过分析关联网格单元历史监测数据的变化率得出。例如图1中，当监测区域有1个网格单元变为超出安全阈值时，图中即是中间的阴影网格单元超出安全阈值，系统自动搜索其周边8个网格单元，获取这9个网格单元当前监测数值和历史监测数值，根据监测数值的变化率判断网格单元是否发生异常。从结果来看，右上角两个单元网格出现了异常变化，图中以箭头表示发生异常变化的关联网格单元，以箭头数量表示变化率异常的大小程度，当然也可以采用其他的标识方式。

在此分析过程中需要耗费较大的算力，因此，本申请仅将其运用于超出安全阈值的关联网格单元中，而未在所有单元网格中全部实时运用，从而大幅提高处理效率，降低系统成本。在查找出异常变化的关联网格单元后，即可将其与超出安全阈值的网格单元结合预测隧道损伤情况。例如，若仅一个网格单元超出安全阈值，而其周边的关联网格均未有异常变化，则有极大可能是该监测点发送误报，此种情况可以继续密切监测；若一个网格单元超出安全阈值超出安全阈值，其周边有多个关联网格监测数据异常增长，则可以初步判断隧道已经发生损伤。通过判断当前超安全阈值网格单元和周边异常变化的关联网格单元当前及历史监测数据的变化率，还可以判断损伤的发展快慢，以便于及时处理，避免事故发生。

关联网格单元的确定可以依照经验总结得出，例如在易产生横向裂纹的区段，可以将超出安全阈值的网格单元的横向上的网格单元全部作为关联网格单元；易产生纵向裂纹的区段，也是类似地将纵向上的网格单元全部作为关联网格单元。不过最简单通用的方式是，以超出安全阈值的网格单元为中心，划定出影响区段，将影响区段内所有网格单元作为关联网格单元进行监测数据分析。影响区段的大小可以结合隧道易发生损伤类型确定，通常情况下，可以是包含超出安全阈值的网格单元在内的9个、12个、16个、20个、25个、30个等均可。数量越少，则分析处理越简单快速，但是数量少很可能会发生遗漏。为了综合效率和准确性，在本申请的优选实施例中，将超出安全阈值的监测数据划分为至少两个等级的预警阈值，根据超出安全阈值的网格单元的监测数据对应的预警阈值等级，划定所述影响区段，预警阈值等级越高，划定的影响区段越大。如图1-3所示，中间的超出安全阈值的网格单元依次为最低预警等级、中间预警等级和最高预警等级，图中实线框范围即为初次划分的影响区段，最低预警等级的网格单元仅将其周围相邻网格单元划入影响区段进行数据分析，中间预警等级的网格单元划定的影响区段则再向外扩大一周，最高预警等级划定的影响区段再进一步向外扩大一周。

虽然根据预警等级划定影响区段已经可以较大程度降低遗漏关联网格单元的异常变化的概率，但是为了进一步防止遗漏，在确定关联网格单元监测数据发生异常变化后，若发生异常变化的关联网格单元位于影响区段的边缘，向发生异常变化的关联网格单元外侧继续扩展影响区段的范围，确定新扩展的影响区段内的关联网格单元是否发生异常变化，直至新扩展的关联网格单元均未发生异常变化，综合分析超出安全阈值的网格单元以及所有异常变化的关联网格单元，预测隧道损伤情况。对于具体影响区段的扩展范围，可以根据实际情况确定，例如扩展周围一圈或者两圈的网格单元。不过经过实际验证，仅需将发生异常变化的关联网格单元的相邻网格单元扩展为影响区段，确定相邻网格单元是否发生异常变化，即可达到防止遗漏的效果，无需过多地进行扩展。例如，初步确定关联网格单元为周边的8个，8个关联网格实际均是位于影响区段的边缘的，若在8个网格中均未发现异常变化，即可停止搜索和分析，若发生异常，则向发生异常变化的关联网格单元外侧继续扩展影响区段的范围，又扩展出3个关联网格单元，3个关联网格单元中又发现异常变化的网格单元，继续向外扩展，直至不再发现异常变化的关联网格单元。如此，可以在最大程度降低多余分析计算的情况下，尽可能地找出异常变化的关联网格单元，更为全面准确地进行损伤的分析和预测。如图1所示，虽然因中间网格单元仅为最低预警等级，因此仅将其周围相邻网格单元划入影响区段进行数据分析，用实线框表示，在发现右上角相邻网格单元发生异常变化后，将其相邻网格单元扩展为影响区段进行分析，用虚线框表示扩展的影响区段，进一步发现了其右上角相邻网格单元发生异常变化，并再次扩展出虚线框表示的影响区段。虽然初次确定的实线框影响范围并未囊括单箭头表示的异常变化网格单元，但是通过从已发现的异常变化网格单元扩展影响区段，最终找出了该异常变化网格单元。

在将超出安全阈值的监测数据划分为至少两个等级的预警阈值的基础上，为了便于工作人员观察情况，还可以采用不同的符号、颜色、灰度深浅等标记分别标记监测数据对应的安全阈值以及不同等级的预警阈值，并展示于网格单元内。例如，将超出安全阈值的监测数据划分为三个等级的预警阈值，监测数据＜100的网格单元为绿色，对应安全阈值；100≤监测数据＜200的网格单元为蓝色； 200≤监测数据＜300 的网格单元为黄色；300≤监测数据的网格单元为红色，分别对应三个等级的预警阈值，数值越大则预警等级越高，工作人员直接从网格单元的颜色中直观地观察出预警等级。

在分析过程中，除了可以简单地分析隧道损伤的规模和发展趋势外，还可以根据当前超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元的相互位置关系，预测出隧道损伤类型。预测出隧道损伤类型后，即可根据损伤类型判断隧道损伤的严重程度，并准备相应的应对措施。如图4-7所示，图中的水平方向表示隧道的纵向，竖直方向表示隧道的横向。如图4所示，超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元按照横向一列分布，则隧道可能发生横向的开裂变形；如图5所示，异常的网格单元按照纵向一列分布，则隧道可能发生纵向的开裂变形；如图6所示，异常的网格单元按照斜向一列分布，则隧道可能发生斜向的开裂变形；如图7所示，异常的网格单元呈块状分布，则隧道可能会发生掉块。

隧道的损伤随着时间变化会进一步发育，因此，为了确保安全，加快监测系统采集当前超出安全阈值的网格单元及关联网格单元监测数据的频率，并实时分析监测数据的变化。无论周边的关联网格单元是否发生异常变化，都需要密切关注，对于未发生异常变化的关联网格单元，可能在后续发生变化，发生异常变化的关联网格单元也可能发生新的变化，加快监测数据的频率，并进行分析，以保证达到处理级别时，进行及时处理。例如，网格单元一般1小时采集一次数据，当出现超出安全阈值的网格单元时，每10分钟就采集一次超出安全阈值的网格单元及关联网格单元的监测数据，针对性监测，保证及时捕捉后续的网格变形情况。

加快数据采集和分析也会对系统带来较大的运行负荷，为了降低负荷，根据预测出的隧道损伤类型，推测出损伤蔓延走向，加快对超出安全阈值的网格单元、异常变化的关联网格单元以及损伤蔓延走向上的网格单元的监测数据采集频率，并分析监测数据的变化，更新预测的隧道损伤情况。也就是说，在预测出的隧道损伤类型后，可以根据损伤类型判断出损伤进一步发育的走向，在本实施例中无需对之前确定的影响区段内所有的网格单元进行监测和分析，仅对超出安全阈值的网格单元、异常变化的关联网格单元以及损伤蔓延走向上的网格单元进行密切监测，即可及时准确获知隧道损伤的变化，更新预测的隧道损伤情况。

前面提到通过判断当前超安全阈值网格单元和周边异常变化的关联网格单元当前及历史监测数据的变化率，还可以判断损伤的发展快慢，以便于及时处理，避免事故发生。就具体的判断方式，可以采样当前和历史两个点的检测数据计算出变化率，然后根据此变化率计算后续变化，在本申请的优选实施方式中，调取监测的历史数据，确定出超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元发生异常变化的起始点，从发生异常变化的起始点开始对监测数据进行线性拟合，得出拟合公式，根据拟合公式的后续变化推测出隧道危险升级的时间点。异常变化的起始点即为异常变化的开始点，根据变化率确定，也可以与周围其他正常的网格单元的对比中得出，线性拟合采用现有的简单的多项式拟合程序即可，通过拟合的监测数据走势预测出后续变化时间点，从而有利于及时安排工作人员进行隧道的抢修等工作，这里的危险升级是通过监测数据体现的，例如，在当前时间监测数据处于蓝色阈值范围内，而当监测数据达到黄色或者红色阈值即表示隧道危险升级。

为了方便处理，可以依据隧道损伤的严重程度设定警告级别，依据警告级别进行采取对应的处理措施，例如设置4级预警，1级最大，4级最小。4级仅进行密切关注，1级则进行立刻进行现场处理。警告级别可以采用多种参数作为依据进行划分。

在本申请的一个优选实施例中，依据当前超出安全阈值的网格单元及异常变化的网格单元数量之和占影响区段所有关联网格单元的总数量的比例作为依据划分出第一类警告级别。包含超出安全阈值在内的异常网格单元占据关联网格单元的总数量的比例越大，则证明该区域异常的范围越广，情况愈发严重，警告级别越高。

在本申请的另一个优选实施例中，将相邻的超出安全阈值的网格单元及异常变化的网格单元作为异常组合体，将网格单元数量最多的异常组合体作为最大组合体，以最大组合体的网格单元数量作为依据划分出第二类警告级别。在已分析出的异常变化的网格单元中，可能部分是相邻的，而部分则是不相邻的，通常可以认为，连续的异常变化的网格单元是因为同一损伤造成的，而不相邻则可能并非同一损伤造成的。异常组合体可以认为是同一损伤的监测反映，因此，将异常组合体中网格单元数量最多的最大组合体作为警告级别的依据，可以反映该区域最大的损伤程度。

在本申请的再一个优选实施例中，以超出安全阈值的网格单元以及异常变化的网格单元的历史监测数据的变化率作为依据划分出第三类警告级别。无论是异常网格单元数量占比，还是最大组合体的单元网格数量，均是只能在数量上划分警告级别，在第三类警告级别中，则以历史监测数据的变化率作为依据进行划分，变化越快则损伤发展越快，危险程度越高。在已经针对监测数据拟合出公式的情况下，可以直接根据公式得出监测数据的变化率，可以根据拟合公式更为准确的判断出变化的快慢。

在本申请的再一个优选实施例中，依据预测出隧道损伤类型的危险程度作为依据划分出第四类警告级别。损伤类型的危险程度可以根据经验和实际隧道情况确定，例如，通常掉块损伤的危险程度高于开裂的危险程度。又如，在易发生纵向开裂的隧道中，纵向开裂的危险程度即高于其他损伤类型的危险程度。

上述任意一种经高级别划分方式均是可以单独使用的，但是单独采用上述任意一种警告级别的划分方式，实际都是不全面的，易出现偏差，因此，可以将上述四种警告级别的划分方式进行耦合，更加准确地反应损伤程度，以利于依据损伤程度进行处理。具体耦合方式可以将以第一类警告级别、第二类警告级别、第三类警告级别以及第四类的警告级别中的最高级别作为隧道损伤评价的级别；也可以是以第一类警告级别、第二类警告级别、第三类警告级别和第四类的警告级别的综合评级作为隧道损伤评价的级别。前者很容易理解，但是需要注意三类警告级别中危险程度是相对应的。后者可以是分别依据四类警告级别进行评级，然后依据各类警告级别的影响权重划分影响因子，计算出综合评分。例如，第一类警告级别的影响因子为0.2，第二类警告级别的影响因子为0.3，第三类警告级别的影响因子为0.3，第四类的警告级别的影响因子为0.2三类警告级别依次单独评级为3级、4级、3级、4级，综合评级即为3.5级。

分布式定点光缆中，光缆的波长变化除了与所受应变量有关外，还与温度有关。在粗略的以及温度变化不大的监测中，是可以忽略温度影响的，但是，在本申请中，由于需要精细分析联网格单元监测数据的变化量，因此需要采取温度补偿措施，修正网格单元对应的分布式定点光缆的监测数据。在现有技术中有多种多样的针对分布式定点光缆的温度补偿措施。在申请中主要采用两种温度补偿方式。

其一，可将公路隧道中的分布式定点光缆根据位置以及温度差异提前分为几个监测段，例如：隧道进口/出口为一个监测段，隧道中部为一个监测段，基本上保证每个监测段每日温度变化趋势及数值差异不大。在每一个监测段接头位置单独留一小段光纤，并保证该段光纤有1个光栅监测点，将该段光纤盘卷起来，并用外包铁质盒子包裹安装于隧道内。由于该段光缆并不与隧道紧密贴实，所以隧道衬砌变形并不会引起该段光缆内光纤变形，该段光缆的变形只受温度的影响。将每段单独留下的光栅测点的应变数据视为温度变化引起的数据变化，然后该段其余的光栅监测点的应变数据均减去该温补测点的应变数据，剩下得到的数据即为做了温补之后的数据，此类温度补偿的方法不需要隧道内安装部署测温光缆或者其它温度计设备，实现温度自补偿。同时，该类温度自补偿的方式，还可以有效避免设备出厂的温补参数与实际工程应用不符的问题。

其二、此方式仍然需要将隧道分为几个监测段落，并在每个监测段落安装1台温度计或者利用该段落其它设备自带的温度模块。在保证隧道不发生变形的时间内，通过对应变数据与温度数据进行线性相关性分析得到应变与温度的回归方程：y=17.214x+397.099，其中，x为温度，y为应变，拟合优度大于0.96，证明温度与应变强相关，且该回归方程可以很好反映出此类关系。以每个监测段的温度计或其它设备自带的温度模块作为x的输入量，得到对应y的变形量，然后该段其余的光栅监测点的应变数据均减去y的值，即得到做完温补之后的数据。不需要安装测温光缆，改温度补偿方式可以有效避免设备出厂的温补参数与实际工程应用不符的问题。

分布式定点光缆是监测隧道形变的直接测量元件，虽然其也可以采用预埋等方式固定，但预埋的分布式定点光缆在待隧道施工完毕后，多数已遭破坏或出现故障。因此通常对于运营隧道，在本申请还公开了优选的分布式定点光缆布置结构，其在监测区域内的至少一条分布式定点光缆，所述分布式定点光缆通过连接件贴合布置于隧道的内壁上，所述分布式定点光缆在监测区域内往复弯折布置并覆盖监测区域。如图8、9所示，这里的往复弯折是指分布式定点光缆采用类似蛇形线的方式布置，从而增加单条分布式定点光缆的覆盖范围，这里的覆盖也并非是指物理意义上的完全覆盖而是从监测需求上覆盖，相邻的光缆段之间具有合理的间距。采用此种布置方式可以很大程度上减少光缆的条数，有利于设备的连接，并减少布置的工作量。分布式定点光缆直接布置于隧道的内壁即可实现隧道变形的检测，相较于预埋等其他方式施工更为简单。

如图9所示，所述分布式定点光缆在监测区域内可以沿隧道纵向往复弯折布置；如图8所示，所述分布式定点光缆也可以在监测区域内沿隧道壁周向往复弯折布置。具体可以根据实际情况进行选择，例如，针对隧道横向开裂多发的区域，可以将分布式定点光缆沿隧道纵向往复弯折布置；在隧道纵向开裂多发的区域，可以将分布式定点光缆沿隧道周向往复弯折布置。

在有多个监测区域的情况下，也可以采用一条分布式定点光缆实现覆盖，具体是在至少两个监测区域的情况下，各监测区域内分别往复弯折布置有所述分布式定点光缆，并且相邻两个监测区域内的分布式定点光缆之间通过直线布置的分布式定点光缆相连接。各个监测区域可以根据各自的特点进行分布式定点光缆的布置，而各监测区域之间则采用最短的直线进行连接。例如图10所示，图中包含两个监测区域，左边的区段易发生拱顶开裂掉块脱空，因此将此区段的拱顶区域划为监测区域，并沿隧道纵向往复弯折布置分布式定点光缆，右边的区段易发生断面收敛变形，因此将此区段的周向划为监测区域，并隧道周向往复弯折布置分布式定点光缆。

为了防止分布式定点光缆1固定的位置受损，如图11所示，在本申请的优选实施例中，所述分布式定点光缆1上设置有套接在外周的套管11，所述连接件连接于套管11上。通过套管11可以对光缆的固定处进行保护，使其在安装过程中和安装之后免受损伤。套管11优选采用ABS有机材料制作。

至于固定分布式定点光缆1的连接件，如图12、13所示，在本申请的优选实施例中，所述连接件为固定夹具2，所述固定夹具2的中部具有夹持槽21，所述夹持槽21的两侧设置有连接板22，所述分布式定点光缆1夹持于夹持槽21内，所述连接板22与隧道的内壁相连接。所述固定夹具2的连接板22可通过铆钉或者胶水与隧道的内壁相连接。一个套管11位置可以设置一个长度相适配的固定夹具2，也可以设置多个小固定夹具2。而为防止固定夹具2与套管11相对滑移，所述套管11外周沿周向设置有凸齿12，所述固定夹具2的夹持槽21内对应设置有定位槽23，所述凸齿12与定位槽23相咬合。

固定分布式定点光缆布置方法的实施例如下：

步骤一：设备、材料准备

高传递紧包护套应变感测光缆安装前需要准备以下材料及工具：免钉胶、定制固定夹具、电子手提称、固德乐胶水、水平激光仪等

步骤二：

按照设计的布置方案，沿隧道一侧拱腰采用水平激光仪确定光缆安装位置，并做好标记。

步骤三：固定夹具安装

确定第一个点安装位置，将光缆头部冗余足够长度，用于熔接引线或跳线，在测点位置的用抹布将混凝土表面灰尘清除干净，取出固定夹具，在背面涂抹2mm厚度的免钉胶，然后用力将定制固定夹具固定在隧道表面，约1分钟即可松手，免钉胶20min内可达到4kg的抗剪重量。

步骤四：定点光缆预拉伸安装

光缆水平预拉伸采用电子手提称人为控制拉伸重量保持不动，然后确定固定夹具安装位置，快速安装固定夹具，然后向后移动拉伸配重，安装下一点，以此类推安装剩余所有定点。

Claims (12)

1.基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

在隧道的监测区域布置分布式定点光缆，形成若干监测变形量的单元区域；

建立监测系统，在监测系统中建立对应隧道中单元区域的网格单元，采集网格单元对应的分布式定点光缆监测数据，设定网格单元监测数据的安全阈值；

当网格单元的监测数据超出安全阈值时，搜索周边的关联网格单元监测数据，分析关联网格单元历史监测数据的变化率，确定是否发生异常变化，根据超出安全阈值的网格单元以及异常变化的关联网格单元预测隧道损伤情况。

2.如权利要求1所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，所述关联网格单元的确定方式包括，以超出安全阈值的网格单元为中心，划定出影响区段，将影响区段内所有网格单元作为关联网格单元进行监测数据分析。

3.如权利要求2所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，将超出安全阈值的监测数据划分为至少两个等级的预警阈值，根据超出安全阈值的网格单元的监测数据对应的预警阈值等级，划定所述影响区段，预警阈值等级越高，划定的影响区段越大。

4.如权利要求2或3所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，在确定关联网格单元监测数据发生异常变化后，若发生异常变化的关联网格单元位于影响区段的边缘，向发生异常变化的关联网格单元外侧继续扩展影响区段的范围，确定新扩展的影响区段内的关联网格单元是否发生异常变化，直至新扩展的关联网格单元均未发生异常变化，综合分析超出安全阈值的网格单元以及所有异常变化的关联网格单元，预测隧道损伤情况。

5.如权利要求4所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，将发生异常变化的关联网格单元的相邻网格单元扩展为影响区段，确定相邻网格单元是否发生异常变化。

6.如权利要求3所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，以不同的颜色分别标记监测数据对应的安全阈值以及不同等级的预警阈值，并展示于网格单元内。

7.如权利要求1所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，根据当前超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元的相互位置关系，预测出隧道损伤类型。

8.如权利要求7所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，根据预测出的隧道损伤类型，推测出损伤蔓延走向，加快对超出安全阈值的网格单元、异常变化的关联网格单元以及损伤蔓延走向上的网格单元的监测数据采集频率，并分析监测数据的变化，更新预测的隧道损伤情况。

9.如权利要求7所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，调取监测的历史数据，确定出超出安全阈值的网格单元及异常变化的关联网格单元发生异常变化的起始点，从发生异常变化的起始点开始对监测数据进行线性拟合，得出拟合公式，根据拟合公式的后续变化推测出隧道危险升级的时间点。

10.如权利要求9所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，

依据当前超出安全阈值的网格单元及异常变化的网格单元数量之和占影响区段所有关联网格单元的总数量的比例作为依据划分出第一类警告级别；

将相邻的超出安全阈值的网格单元及异常变化的网格单元作为异常组合体，将网格单元数量最多的异常组合体作为最大组合体，以最大组合体的网格单元数量作为依据划分出第二类警告级别；

以超出安全阈值的网格单元以及异常变化的网格单元的历史监测数据的变化率作为依据划分出第三类警告级别；

依据预测出隧道损伤类型的危险程度作为依据划分出第四类警告级别；

以第一类警告级别、第二类警告级别、第三类警告级别以及第四类的警告级别中的最高级别作为隧道损伤评价的级别或者以第一类警告级别、第二类警告级别、第三类警告级别和第四类的警告级别的综合评级作为隧道损伤评价的级别。

11.如权利要求1所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，采取温度补偿措施，修正网格单元对应的分布式定点光缆的监测数据。

12.如权利要求1所述的基于隧道变形监测的隧道损伤预测方法，其特征在于，所述分布式定点光缆通过往复弯折的方式布置于监测区域内。

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