CN216899216U - 一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，在隧道主体内具有形成于隧道主体底部的隧道回填层以及形成于隧道回填层上的无砟轨道，无砟轨道包括轨道底座、道床板以及布置在道床板上的钢轨单元，在钢轨单元、道床板、轨道底座以及隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆，纵向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆并且沿轨道纵向在隧道内连续布设。本实用新型可以获得列车通过等情况下钢轨单元、道床板、轨道底座和隧道主体中振动沿轨道纵向的传播和衰减规律，利于工务部门对隧道各部分结构的健康监控，同时也能实时地监控隧道内存在的异物入侵等异常情况，便于能及时地排除安全隐患。

Description

一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统

技术领域

本实用新型属于轨道交通工程技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统。

背景技术

在高速铁路、城际铁路、市域铁路、城市轨道交通等铁路系统中，受地形条件、各地区经济发展等众多因素影响，铁路不可避免会穿越长大山区、城市地下等区域，铁路隧道结构的安全状态直接影响到列车运行的平稳性及安全性，铁路隧道能够保证良好的运营状态，对于保障铁路运行意义重大。铁路隧道的安全监测涉及项目众多，振动及噪声、板间错台、钢轨断轨、扣件弹出等项目均是运营方的关注重点，以上问题均可通过对监测的振动数据反演来实现预警预报。为了解决上述问题，相关部门采用了针对局部薄弱地段进行振动监测的方法，虽然能掌握特定地段监测点的相关技术指标参数，但这种监测方法为点式监测，而铁路线路具有带状特点，绵延上百公里，传统的监测手段无法实现全线全时域不间断的监测，判断可依据的信息基础较差，存在漏判、误判等问题，不利于工务部门针对性地、及时地开展检测维护。

实用新型内容

本实用新型涉及一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本实用新型涉及一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，在隧道主体具有形成于隧道主体底部的隧道回填层以及形成于所述隧道回填层上的无砟轨道，所述无砟轨道包括轨道底座、道床板以及布置在所述道床板上的钢轨单元，在所述钢轨单元、所述道床板、所述轨道底座以及所述隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆，所述纵向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆并且沿轨道纵向在隧道内连续布设。

作为实施方式之一，所述钢轨单元上的纵向振动监测光缆布设在钢轨轨底面处。

作为实施方式之一，所述道床板上的纵向振动监测光缆布设在两条钢轨之间。

作为实施方式之一，在所述道床板上开设第一纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆，所述第一纵向监测槽采用混凝土填充。

作为实施方式之一，所述轨道底座上的纵向振动监测光缆布设在轨道底座顶面，并且距离轨道底座侧缘的间距为0.08～0.15m。

作为实施方式之一，在所述轨道底座上开设第二纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆，所述第二纵向监测槽采用混凝土填充。

作为实施方式之一，在所述隧道主体的侧壁上开设第三纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆，所述第三纵向监测槽采用混凝土填充。

作为实施方式之一，所述隧道回填层上也布设有所述纵向振动监测光缆。

作为实施方式之一，隧道围岩内也布设有所述纵向振动监测光缆。

作为实施方式之一，各所述纵向振动监测光缆所含光纤光栅振动传感器的分布形式以及密度均相同。

本实用新型至少具有如下有益效果：

本实用新型提供的隧道结构，通过在钢轨单元、道床板、轨道底座以及隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆，可以获得列车通过等情况下钢轨单元、道床板、轨道底座和隧道主体中振动沿轨道纵向的传播和衰减规律，利于工务部门对隧道各部分结构的健康监控，例如能较好地掌握扣件状态、钢轨状态等；同时也能实时地监控隧道内存在的异物入侵等异常情况，便于能及时地排除安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的纵向振动监测光缆的布置示意图；

图2为实用新型实施例提供的横向振动监测光缆的布置示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图1，本实用新型实施例提供一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，在隧道主体内具有形成于隧道主体底部的隧道回填层13以及形成于所述隧道回填层13上的无砟轨道，所述无砟轨道包括轨道底座12、道床板 11以及布置在所述道床板11上的钢轨单元，在所述钢轨单元、所述道床板11、所述轨道底座12以及所述隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆3，所述纵向振动监测光缆3为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆并且沿轨道纵向在隧道内连续布设。

上述纵向振动监测光缆3为单根光缆内集成有多个光纤光栅振动传感器的缆线，其轴线平行于轨道纵向，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点，具体结构此处不作赘述。

一般地，上述隧道结构需配置数据解调仪，用于接收纵向振动监测光缆3 发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。数据解调仪也为现有设备，一般采用光纤光栅振动解调仪；其与后台处理器之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。当上述隧道长度较长时，例如为地铁隧道，上述数据解调仪优选为设置多个，以保证监测数据的准确性和可靠性；各数据解调仪在轨道纵向上依次间隔布置，其中，优选地，相邻两台数据解调仪之间的各纵向振动监测缆线均与该两台数据解调仪连接，也即每台数据解调仪可以对区间内各纵向振动监测光缆3传输的振动信息进行解调处理。优选地，每个车站布置有一台数据解调仪。

在其中一个实施例中，所述钢轨单元上的纵向振动监测光缆3布设在钢轨轨底面处，例如该纵向振动监测光缆3直接被钢轨底面压紧，或者被各钢轨单元的扣件组件中的铁垫板底面压紧。

在其中一个实施例中，在所述道床板11上开设第一纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3，所述第一纵向监测槽采用混凝土填充，保证对纵向振动监测光缆3的固定，优选为采用高强、快凝混凝土填充第一纵向监测槽。优选地，所述道床板11上的纵向振动监测光缆3布设在两条钢轨之间，优选为布置在道床板11的中央，也即两条钢轨相对于该纵向振动监测光缆3对称，保证其监测结果的准确性。

在其中一个实施例中，在所述轨道底座12上开设第二纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3，所述第二纵向监测槽采用混凝土填充。优选地，所述轨道底座12上的纵向振动监测光缆3布设在轨道底座12顶面，并且距离轨道底座12侧缘的间距为0.08～0.15m。

在其中一个实施例中，在所述隧道主体的侧壁上开设第三纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3，所述第三纵向监测槽采用混凝土填充。(优选地，距离)

在进一步优选的方案中，所述隧道回填层13上也布设有所述纵向振动监测光缆3，同样可在隧道回填层13上开设第四纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3。

在进一步优选的方案中，隧道围岩内也布设有所述纵向振动监测光缆3，该纵向振动监测光缆3可在隧道施工时预埋在隧道围岩内。

本实施例提供的隧道结构，通过在钢轨单元、道床板11、轨道底座12以及隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆3，可以获得列车通过等情况下钢轨单元、道床板11、轨道底座12和隧道主体中振动沿轨道纵向的传播和衰减规律，利于工务部门对隧道各部分结构的健康监控，例如能较好地掌握扣件状态、钢轨状态等；同时也能实时地监控隧道内存在的异物入侵等异常情况，便于能及时地排除安全隐患。

对于在隧道围岩内也布设纵向振动监测光缆3的情况，相应地，可通过隧道围岩内的纵向振动监测光缆3获取隧道周围工程施工产生的振动信息，以便于对隧道进行保护；尤其地，当隧道围岩内还布设有横向振动监测光缆2时，通过隧道围岩内的横向振动监测光缆2与纵向振动监测光缆3配合，能灵敏地、准确地感知隧道围岩周边扰动，有效地提高隧道运营安全性。

进一步优选地，各所述纵向振动监测光缆3所含光纤光栅振动传感器的分布形式以及密度均相同，具体地，各纵向振动监测光缆3的第N个光纤光栅振动传感器位于同一隧道横断面上，也即各纵向振动监测光缆3的第1个光纤光栅振动传感器位于同一隧道横断面上，各纵向振动监测光缆3的第2个光纤光栅振动传感器位于同一隧道横断面上...。基于该设计，可在隧道不同横断面上分别获得钢轨单元-道床板11-轨道底座12-隧道主体等的振动信息，能一定程度地对隧道振动横向传播和衰减特性进行监测分析，利于隧道的健康监测。

实施例二

本实施例对上述实施例一中提供的隧道结构进一步优化。

如图2，该隧道结构还配置有振动横向传播特性监测系统，该振动横向传播特性监测系统包括横向振动监测光缆2以及与所述横向振动监测光缆2连接的数据解调仪，所述数据解调仪用于接收所述横向振动监测光缆2发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；所述横向振动监测光缆2为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆；所述横向振动监测光缆2的轴线垂直于隧道纵向，其自道床板11顶面横向延伸，依次布设经过道床板11侧面、轨道底座12的表面、隧道回填层13的表面和隧道侧壁。

上述光纤光栅阵列振动光缆为单根光缆内集成有多个光纤光栅振动传感器的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点，具体结构此处不作赘述。

为便于区分，定义上述实施例一中所采用的数据解调仪为第一光纤光栅振动解调仪，本实施例中为横向振动监测光缆2所配置的数据解调仪为第二光纤光栅振动解调仪。

可以理解地，上述横向振动监测光缆2布设在隧道的横断面上，可在隧道内选取一关注断面作为监测目标，在该关注断面上布设上述的横向振动监测光缆2。当轨道底座12的宽度大于道床板11的宽度时，上述横向振动监测光缆2 自道床板11侧面向下延伸至轨道底座12的顶面，再沿该轨道底座12顶面横向延伸至该轨道底座12的侧面，并自轨道底座12的侧面延伸至隧道回填层13的表面；同样地，隧道回填层13的宽度大于轨道底座12的宽度时，上述横向振动检测光缆自轨道底座12的侧面向下延伸至隧道回填层13的顶面，再沿该隧道回填层13的顶面横向延伸至该隧道回填层13的侧面，并自隧道回填层13的侧面延伸至隧道侧壁上。由于钢轨处是隧道内主要的振动源，因此横向振动监测光缆2宜经过钢轨的正下方；可选地，该横向振动监测光缆2经过钢轨底面，或者布置在扣件组件中的铁垫板底面。

在其中一个实施例中，在轨道结构上和隧道结构上相应地开设振动监测槽以埋设所述横向振动监测光缆2，上述振动监测槽优选为采用混凝土填充，保证对横向振动监测光缆2的固定，优选为采用高强、快凝混凝土填充振动监测槽。相应地，在道床板11顶面、道床板11侧面、轨道底座12顶面、轨道底座12 侧面、隧道回填层13顶面、隧道回填层13侧面以及隧道侧壁上分别开设振动监测槽，这些振动监测槽依次连通，以便于横向振动监测光缆2的布设。上述振动监测槽在轨道结构和隧道结构的表面开设，开浅槽布线即可，可选地，振动监测槽的槽深在15～25mm范围内。

本实施例中，通过在隧道横断面上布设光纤光栅阵列振动光缆，该光纤光栅阵列振动光缆在道床板11、轨道底座12、隧道回填层13和隧道侧壁上延伸布设，可实现沿振动横向传播路径的全路径连续振动监测，监测数据具有全面性、丰富性和实时有效性，能可靠地分析获得隧道地段振动横向传播和衰减特性，利于工务部门对隧道横断面的健康监控；并且能实时地掌握隧道内异常波动发生情况，保证能及时地排除安全隐患。

进一步优选地，如图2，所述横向振动监测光缆2还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上。相应地，可采用在隧道围岩中钻孔等方式以布设横向振动监测光缆2，隧道围岩中的布线孔可采用灌注浆等填充。从而，可获取轨道-隧道-土体-地面的横向振动传播路径，便于掌握隧道振动横向传播至地面的传播和衰减特性，便于相关部门掌握铁路振动对沿线建筑物的影响，从而能采取相应措施以减少或消除这种影响，达到保护隧道沿线建筑物的目的。

在其中一个实施例中，所述第二光纤光栅振动解调仪布置在地面上并与所述横向振动监测光缆2的地面端连接。在另外的实施例中，所述第二光纤光栅振动解调仪布置在隧道侧壁上，布设在隧道内的管内缆段以及在隧道围岩中布设并伸入至隧道主体内的管外缆段分别与所述第二光纤光栅振动解调仪连接。

横向振动监测光缆2内的光纤光栅振动传感器的密度可根据具体情况进行设定，例如相邻两个光纤光栅振动传感器之间的间距在0.1～0.2m范围内。

进一步优选地，沿隧道纵向布设有多根所述横向振动监测光缆2，可对隧道的多个横断面进行振动监测，进一步提高对隧道振动监测的全面性和准确性。

本实施例通过采集丰富的振动信息，可为车辆-轨道-隧道-土体耦合动力分析理论模型边界条件的研究提供数据和参考。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，在隧道主体内具有形成于隧道主体底部的隧道回填层以及形成于所述隧道回填层上的无砟轨道，所述无砟轨道包括轨道底座、道床板以及布置在所述道床板上的钢轨单元，其特征在于：在所述钢轨单元、所述道床板、所述轨道底座以及所述隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆，所述纵向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆并且沿轨道纵向在隧道内连续布设。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：所述钢轨单元上的纵向振动监测光缆布设在钢轨轨底面处。

3.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：所述道床板上的纵向振动监测光缆布设在两条钢轨之间。

4.如权利要求1或3所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：在所述道床板上开设第一纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆，所述第一纵向监测槽采用混凝土填充。

5.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：所述轨道底座上的纵向振动监测光缆布设在轨道底座顶面，并且距离轨道底座侧缘的间距为0.08～0.15m。

6.如权利要求1或5所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：在所述轨道底座上开设第二纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆，所述第二纵向监测槽采用混凝土填充。

7.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：在所述隧道主体的侧壁上开设第三纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆，所述第三纵向监测槽采用混凝土填充。

8.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：所述隧道回填层上也布设有所述纵向振动监测光缆。

9.如权利要求1所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：隧道围岩内也布设有所述纵向振动监测光缆。

10.如权利要求1、8或9所述的基于光纤光栅阵列的轨道及隧道结构振动监测系统，其特征在于：各所述纵向振动监测光缆所含光纤光栅振动传感器的分布形式以及密度均相同。

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