[發明專利]基于分布式長標距光纖光柵的隧道結構監測系統及其監測方法

在審

• 申請號: 201410762513.6
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN104374433A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 陶津;徐會杰;李金濤;宋國俠;王佳妮
• 申請（專利權）人: 東南大學;北京市地鐵建筑安裝工程公司;北京特希達科技有限公司
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李曉

技術領域

本發明涉及一種隧道監測系統，具體涉及一種利用分布式長標距光纖光柵傳感器對隧道襯砌結構進行健康監測的方法，屬于土木工程監測技術領域。

背景技術

隧道工程與其它工程相比具有隱蔽性，復雜性，不確定性等特點，隧道結構及其受力變形過程比較復雜，因而增大了施工過程中的難度和風險。同時，由于地質條件、外界環境、列車震動等諸多因素的影響，隧道結構的健康狀況正隨著運營時間的增長而逐步惡化。因此，加強隧道結構日常監控措施，及早發現隧道在日常運營期內各種破壞特征，對隧道結構進行及時有效的管養和維修，能夠有效降低隧道結構在服役期內的總維修費用。

目前，隧道監測技術可分為兩類傳統：“點式”測量方法及分布式光纖傳感技術。在盾構實際日常監測中，傳統“點式”測量方法因測量點數量較少、相鄰點間距較大無法覆蓋隧道縱橫向全截面，不能及時有效的發現局部不均勻沉降等變形問題。光纖光柵傳感技術因其傳感機理成熟，精度和靈敏度較高，易構建多點或分布式傳感網絡等優點，已越來越多的用于大壩、橋梁、隧道等結構物的健康監測中。從隧道長距離長期全面監控的角度而言，分布式傳感技術確實是傳統“點式”監測技術的有效補充，可以實現隧道的全面監測，提高監測可靠性，能夠很好的滿足隧道長期實時監測的要求。

光纖光柵傳感器在混凝土結構中的布設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受住混凝土澆筑過程中的惡劣環境，必須考慮并具有足夠的強度及抗化學腐蝕的性能，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，布設方式靈活多變，適用于不同結構（隧道，橋梁，大壩等）形狀的全面監測。

雖然基于分布式光纖傳感技術的隧道健康監測在理論上是一種非常優越的技術,而且在實際工程應用中也取得一些成果。但它應用于土木工程中的時間比較短,光纖監測網絡的優化設計,分布式傳感光纖快速、無損的鋪設,隧道結構運營期間的健康狀況的判斷,檢測數據的實時采集和分析等還存在一些需要解決的技術難題。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于分布式長標距光纖光柵的隧道結構監測系統，對隧道結構施工期及運用期的全壽命監測，實現對隧道結構縱向沉降、凈空收斂、接縫變形、管片內力、應變等的動態實時監控。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明提供的基于分布式長標距光纖光柵的隧道結構監測系統，包括傳感器和信息系統，所述傳感器為分布式長標距光纖光柵傳感器，包括：

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，用于監測隧道的沉降；

第二傳感器，沿隧道襯砌結構的內表面環向布置，用于監測隧道的直徑變化；

溫度補償光纖，嵌于隧道襯砌內，用于消除溫度對結構應變測量的影響；

相鄰的第二傳感器連接形成傳感器串聯監測體系。所述信息系統用于采集、處理、傳輸、接收分布式光纖光柵傳感器的數據。

所述分布式長標距光纖光柵傳感器的標距包括套設于光纖光柵外部的隔膠管和兩端的錨固段，所述標距的長度為0.1~2m，標距的選擇應依據傳感精度和量程綜合考慮。可以使用光纖布拉格光柵(Fiber?Bragg?Grating,?FBG)及基于布里淵散射機理的光纖傳感器。

作為優選，為了更為精確地監測每個相鄰管片的環向接縫寬度及環間接縫寬度，所述標距設置于管片的接縫處，用于監測傳感器布設位置處的縫寬變化情況。

作為優選，還包括布設在外側主筋位置上的管片應力傳感器，每組測點由兩個傳感器并列構成。

作為優選，所述信息系統包括依次連接的現場監測子系統、遠程監測子系統和遠程用戶。可以實現全壽命期隧道結構的實時、無線監測。

本發明同時提出上述基于分布式長標距光纖光柵的隧道結構監測系統的監測方法，包括以下步驟：放線→清理表層混凝土→清除表面灰塵→安裝傳感器→連接光纖信號線→封閉傳感器→作保護標識→數據采集、傳輸和分析。

該技術的核心思想是在監測范圍內沿隧道軸向及橫斷面全面布設分布式光纖光柵傳感器，監測隧道的縱向沉降及盾構隧道各環接縫的變化情況，確保隧道在滿足使用安全性的同時，預警滲漏水/混凝土拉裂等病害的產生，保證線路的運營安全。并且通過對量測結果的分析整理，對可能發生的安全隱患或事故進行分析和判斷，采取相應的保護措施，消除安全隱患。