基于分布式長標(biāo)距光纖光柵的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隧道監(jiān)測系統(tǒng)，具體涉及一種利用分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測的方法，屬于土木工程監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道工程與其它工程相比具有隱蔽性，復(fù)雜性，不確定性等特點(diǎn)，隧道結(jié)構(gòu)及其受力變形過程比較復(fù)雜，因而增大了施工過程中的難度和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于地質(zhì)條件、外界環(huán)境、列車震動(dòng)等諸多因素的影響，隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況正隨著運(yùn)營時(shí)間的增長而逐步惡化。因此，加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)日常監(jiān)控措施，及早發(fā)現(xiàn)隧道在日常運(yùn)營期內(nèi)各種破壞特征，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)有效的管養(yǎng)和維修，能夠有效降低隧道結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的總維修費(fèi)用。
[0003]目前，隧道監(jiān)測技術(shù)可分為兩類傳統(tǒng):“點(diǎn)式”測量方法及分布式光纖傳感技術(shù)。在盾構(gòu)實(shí)際日常監(jiān)測中，傳統(tǒng)“點(diǎn)式”測量方法因測量點(diǎn)數(shù)量較少、相鄰點(diǎn)間距較大無法覆蓋隧道縱橫向全截面，不能及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)局部不均勻沉降等變形問題。光纖光柵傳感技術(shù)因其傳感機(jī)理成熟，精度和靈敏度較高，易構(gòu)建多點(diǎn)或分布式傳感網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多的用于大壩、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物的健康監(jiān)測中。從隧道長距離長期全面監(jiān)控的角度而言，分布式傳感技術(shù)確實(shí)是傳統(tǒng)“點(diǎn)式”監(jiān)測技術(shù)的有效補(bǔ)充，可以實(shí)現(xiàn)隧道的全面監(jiān)測，提高監(jiān)測可靠性，能夠很好的滿足隧道長期實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。
[0004]光纖光柵傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)中的布設(shè)安裝可以分為埋入式和表面附著式兩種方法。埋入的光纖傳感器必須能夠經(jīng)受住混凝土澆筑過程中的惡劣環(huán)境，必須考慮并具有足夠的強(qiáng)度及抗化學(xué)腐蝕的性能，并能有效地測量所要求的參量。表面附著式的方法可以避免由于施工的惡劣環(huán)境帶來的損傷，存活率較高；且施工更方便快捷，并且該傳感器可輕微彎曲，布設(shè)方式靈活多變，適用于不同結(jié)構(gòu)(隧道，橋梁，大壩等)形狀的全面監(jiān)測。
[0005]雖然基于分布式光纖傳感技術(shù)的隧道健康監(jiān)測在理論上是一種非常優(yōu)越的技術(shù)，而且在實(shí)際工程應(yīng)用中也取得一些成果。但它應(yīng)用于土木工程中的時(shí)間比較短，光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分布式傳感光纖快速、無損的鋪設(shè)，隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間的健康狀況的判斷，檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析等還存在一些需要解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于分布式長標(biāo)距光纖光柵的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道結(jié)構(gòu)施工期及運(yùn)用期的全壽命監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降、凈空收斂、接縫變形、管片內(nèi)力、應(yīng)變等的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0007]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于分布式長標(biāo)距光纖光柵的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器和信息系統(tǒng)，所述傳感器為分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器，包括:
[0008]第一傳感器，位于隧道的拱頂及底部，且沿隧道的長度方向全長布置，用于監(jiān)測隧道的沉降；
[0009]第二傳感器，沿隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面環(huán)向布置，用于監(jiān)測隧道的直徑變化；
[0010]溫度補(bǔ)償光纖，嵌于隧道襯砌內(nèi)，用于消除溫度對結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的影響；
[0011]相鄰的第二傳感器連接形成傳感器串聯(lián)監(jiān)測體系。所述信息系統(tǒng)用于采集、處理、傳輸、接收分布式光纖光柵傳感器的數(shù)據(jù)。
[0012]所述分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感器的標(biāo)距包括套設(shè)于光纖光柵外部的隔膠管和兩端的錨固段，所述標(biāo)距的長度為0.l~2m，標(biāo)距的選擇應(yīng)依據(jù)傳感精度和量程綜合考慮?？梢允褂霉饫w布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)及基于布里淵散射機(jī)理的光纖傳感器。
[0013]作為優(yōu)選，為了更為精確地監(jiān)測每個(gè)相鄰管片的環(huán)向接縫寬度及環(huán)間接縫寬度，所述標(biāo)距設(shè)置于管片的接縫處，用于監(jiān)測傳感器布設(shè)位置處的縫寬變化情況。
[0014]作為優(yōu)選，還包括布設(shè)在外側(cè)主筋位置上的管片應(yīng)力傳感器，每組測點(diǎn)由兩個(gè)傳感器并列構(gòu)成。
[0015]作為優(yōu)選，所述信息系統(tǒng)包括依次連接的現(xiàn)場監(jiān)測子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程用戶?？梢詫?shí)現(xiàn)全壽命期隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、無線監(jiān)測。
[0016]本發(fā)明同時(shí)提出上述基于分布式長標(biāo)距光纖光柵的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟:放線一清理表層混凝土一清除表面灰塵一安裝傳感器一連接光纖信號線一封閉傳感器一作保護(hù)標(biāo)識一數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析。
[0017]該技術(shù)的核心思想是在監(jiān)測范圍內(nèi)沿隧道軸向及橫斷面全面布設(shè)分布式光纖光柵傳感器，監(jiān)測隧道的縱向沉降及盾構(gòu)隧道各環(huán)接縫的變化情況，確保隧道在滿足使用安全性的同時(shí)，預(yù)警滲漏水/混凝土拉裂等病害的產(chǎn)生，保證線路的運(yùn)營安全。并且通過對量測結(jié)果的分析整理，對可能發(fā)生的安全隱患或事故進(jìn)行分析和判斷，采取相應(yīng)的保護(hù)措施，消除安全隱患。
[0018]分布式光纖光柵傳感器布設(shè)在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面，包括環(huán)向和縱向布設(shè)的光纖光柵傳感器，縱向布設(shè)傳感器位于隧道的拱頂及底部，且沿隧道的長度方向全長布置，推求沉降的變化。相鄰環(huán)頂部和底部傳感器之間用熔接機(jī)進(jìn)行熔接，形成傳感器串聯(lián)監(jiān)測體系。這樣可得監(jiān)測范圍內(nèi)各管片環(huán)縱向應(yīng)變的變化情況，以及各傳感器布設(shè)位置處的縫寬變化情況，通過已開發(fā)的應(yīng)變-變形計(jì)算方法即可得到隧道豎向沉降變形。環(huán)向布設(shè)的傳感器沿結(jié)構(gòu)環(huán)向安裝，通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布反向推求直徑變化。為了消除溫度對結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量的影響，本發(fā)明在隧道襯砌內(nèi)布設(shè)溫度補(bǔ)償光纖。隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力、應(yīng)變的監(jiān)測，傳感器布設(shè)在外側(cè)主筋位置上，布設(shè)完畢后將傳輸光纜通過直徑20mm?30mm直徑的PVC管保護(hù)后引出至管片內(nèi)表面接線盒處并固定。以上各種內(nèi)力和變形的監(jiān)測，兩個(gè)傳感器之間需要冗余光纖用于熔接，連接兩端光纖傳感器。最后通過鎧裝光纜將傳感器光纖頭尾引出至布設(shè)在隧道下部的接線盒，作為解調(diào)儀連接接頭。
[0019]分布式光纖傳感器測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)是相對值，即相對于隧道結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力場。因此為得到隧道襯砌結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)，需在施工過程中在襯砌結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部埋入傳感元件(壓力傳感器、鋼筋應(yīng)變計(jì)及混凝土應(yīng)變計(jì))，獲取隧道結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力應(yīng)變場，并在襯砌主體施工完成后立即埋入傳感光纖進(jìn)行監(jiān)測，通過上述布置可獲取隧道全壽命期間的完整健康監(jiān)測數(shù)據(jù)。對于運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，可以使用傳統(tǒng)的光學(xué)測量(全站儀、水準(zhǔn)儀、收斂儀等)進(jìn)行隧道性能指標(biāo)初始值的量測，得到隧道結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，為分布式光纖光柵傳感提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。可以根據(jù)現(xiàn)有理論和計(jì)算方法，如考慮軸壓的共軛梁模型，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0020]有益效果:本發(fā)明監(jiān)測系統(tǒng)具有以下顯著的特點(diǎn):
[0021](I)單根光纖既作為傳感元件又為信號傳輸通道，不需額外導(dǎo)線，對數(shù)據(jù)采集傳輸和施工是較為方便的，具有經(jīng)濟(jì)，方便，抗干擾，耐久性優(yōu)良、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等多方面優(yōu)勢；
[0022](2)傳感器可串聯(lián)使得大規(guī)模布設(shè)時(shí)數(shù)據(jù)采集和引出都較為簡便易行，可用于監(jiān)測項(xiàng)目多，大規(guī)模監(jiān)測成本低；
[0023](3)常規(guī)傳感器大規(guī)模布設(shè)時(shí)種類較多，每種傳感器都要配上相應(yīng)的信號解調(diào)、放大、濾波等裝置，因此整套系統(tǒng)的接收裝置數(shù)量就很大，相應(yīng)電源配置也較為麻煩。分布式光纖布置簡單，采集裝置僅需一臺解調(diào)儀，測量采集相對簡單；
[0024](4)使用分布式光纖可以克服傳統(tǒng)傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)測的時(shí)間同步問題；
[0025](5)考慮到地鐵隧道變形主要是豎向位移和水平位移造成的，采用分布式傳感器進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以測定結(jié)構(gòu)全程的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，保障隧道施工的安全，并根據(jù)監(jiān)測得到的反饋信息及早發(fā)現(xiàn)隧道在日常運(yùn)營期內(nèi)的各種破壞特征，據(jù)此對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)有效的管養(yǎng)和維修，能夠有效降低隧道結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的總維修費(fèi)用，對于預(yù)測防止災(zāi)害、保證居民生命和財(cái)產(chǎn)安全也有十分重要的意義；
[0026](6)自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測，不僅適用于隧道施工期監(jiān)測，也適用于運(yùn)營期監(jiān)測，一次布設(shè)，長期使用。
[0027]與目前其它分布式光纖光柵傳感隧道監(jiān)測系統(tǒng)相比，本發(fā)明的監(jiān)測方法具有以下突出的特點(diǎn):
[0028](I)針對現(xiàn)有光纖光柵監(jiān)測方法所存在的問題，提出了一種分布式長標(biāo)距光纖光柵傳感技術(shù)的隧道監(jiān)測系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的適用范圍較廣，可以用于傳統(tǒng)礦山法隧道襯砌結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)法隧道的管片，對于隧道長期運(yùn)營條件下的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行長期監(jiān)測，可以實(shí)現(xiàn)隧道全壽命期的實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)有效的掌握隧道的工作狀態(tài)以保證隧道結(jié)構(gòu)安全。
[0029](2)監(jiān)測系統(tǒng)的適用性強(qiáng)，且部分監(jiān)測項(xiàng)目可以共用一個(gè)監(jiān)測斷面，經(jīng)濟(jì)有效性高。如對于盾構(gòu)法隧道，可以進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)的混凝土內(nèi)力、應(yīng)變、縱向沉降、凈空收斂、盾構(gòu)環(huán)內(nèi)接縫寬度和環(huán)間接縫寬度的監(jiān)測，凈空收斂和環(huán)縫寬度變化可以共用一個(gè)斷面。
[0030](3)針對運(yùn)營地鐵可利用的施工時(shí)間短的特點(diǎn)，與其他布設(shè)方法相比，本發(fā)明的傳感器布設(shè)施工時(shí)間短，可以快速方便的施工，有利于隧道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和維修。
[0031](4)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、在線、自動(dòng)監(jiān)測，比較迅速地