基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的制作方法

1.本发明属于隧道沉降监测技术领域，具体涉及基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置。


背景技术：

2.由于施工扰动和地层差异，隧道结构在运营期间不可避免的会出现不均匀的沉降，影响隧道结构的安全。目前，对于隧道结构的沉降监测主要采用全站仪和静力水准仪来实现，而这些方式存在布点离散、监测效率低且监测成本高等问题。为了实现隧道结构的自动化监测、提高隧道沉降的监测效率，亟需寻找一种更为合适的监测方式。
3.光纤传感技术在尺寸、成本、寿命、分辨率、抗电磁干扰能力和抗恶劣工况能力等方面具有诸多优势，受到了国内外学者和工程师的广泛关注。目前也有相应的基于光纤传感技术的隧道监测方法，如中国发明专利，公开号cn104807414a，公开了一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法，但该方法在隧道沉降监测中存在以下问题：(1)与材料力学假设不符，结构不能作为线弹性材料；(2)该算法需要边界条件，而实际工程中这些边界条件并不明确；(3)计算模型为纯弯模型，而实际中会存在侧摩阻力和剪力干扰计算结果。又如中国发明专利，公开号cn103591930a，公开了一种分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法，但是该方法没有考虑隧道水平张合对光纤应变测试结果的影响，导致所监测的数据为水平张合和竖向沉降的共同影响下的变形，会造成沉降监测的不准确，不能通过相关规范设计值进行预警，此外，该方法存在布线复杂、对布设人员的要求较高等问题，不利于实际隧道监测的应用。又如中国发明专利，公开号cn113483731a，公开了一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，该监测系统不仅没有考虑隧道水平张合对监测结果的影响，还排除了温度对应变监测结果的影响，这将造成所监测的数据完全不能反映隧道的沉降变形。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置。
5.为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
6.基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，包括测量支座、光纤和分布式光纤解调仪，所述光纤敷设于测量支座上，所述光纤与分布式光纤解调仪相连。
7.进一步的，所述测量支座呈工字型，设置有若干个，所述测量支座之间首尾相连，连续布设。
8.进一步的，所述测量支座包括平行设置的两根伸缩杆、六个基板和一根限位杆，每根伸缩杆相对的两端对称设置基板，每根伸缩杆中部设置有一个基板，所述伸缩杆与基板同轴设置，所述限位杆设置于测量支座的中心位置，所述限位杆相对的两端分别与位于伸缩杆中部的基板相连，所述限位杆上设有弹簧。
9.进一步的，所述测量支座中位于其中一个伸缩杆中部的基板和位于余下一个伸缩杆相对两端的基板上设置第一固定支座和第二固定支座，余下的所有基板上只设置第二固定支座，所述第一固定支座上连接有光纤的应变感测光纤一，所述第二固定支座上连接有光纤的温度感测光纤和应变感测光纤二。
10.进一步的，所述第一固定支座包括第一卡扣、第一基座、第一环形橡胶和第一外壳，所述第二固定支座包括第二卡扣、第二基座、第二环形橡胶和第二外壳，所述第一基座和第二基座上分别设有螺孔，所述第一环形橡胶和第二环形橡胶分别与第一外壳和第二外壳同轴设置，所述第一固定支座上设有弧形凹槽，所述第二固定支座上设有线形凹槽。
11.进一步的，所述光纤包括温度感测光纤和应变感测光纤，所述温度感测光纤呈一字型布设在测量支座表面，所述应变感测光纤呈三角型布设在测量支座表面。
12.进一步的，所述应变感测光纤包括应变感测光纤一和应变感测光纤二，所述应变感测光纤一和应变感测光纤二围成三角形结构，所述应变感测光纤二呈一字型敷设在测量支座表面。
13.进一步的，所述温度感测光纤采用通讯光缆，所述应变感测光纤采用分布式紧包应变感测光缆或密集分布式应变感测光缆。
14.基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的安装方法，包括以下步骤：
15.步骤一：根据隧道管片的大小，确定测量支座的布设位置，通过基板上的螺孔，采用铆钉或螺栓将测量支座固定在隧道管片上；
16.步骤二：采用三角型和一字型分别敷设应变感测光纤一和应变感测光纤二，敷设的同时对其进行预拉伸，预拉至设定值后分别通过第一卡扣和第二卡扣将应变感测光纤一和应变感测光纤二固定，待应变感测光纤布设完毕后，按一字型布设温度感测光纤，使其保持松弛状态，然后采用第二卡扣将温度感测光纤与第二固定支座固定，根据测量范围，依次完成所有测量支座和其上光纤的布设工作；
17.步骤三：将所布设的应变感测光纤一、应变感测光纤二、温度感测光纤进行串联，并通过光纤跳线接入分布式光纤解调仪，通过所建立的隧道沉降与光纤应变之间的等式关系，自动实现隧道沉降的监测。
18.基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的监测方法，包括以下步骤：
19.相邻三个第一固定支座与应变感测光纤一围成三角形结构，应变感测光纤一的长度记为l，位于同一水平线上的两个第一固定支座之间的水平距离记为2d，位于同一水平线上的两个第一固定支座与余下的一个第一固定支座之间的垂直距离记为s；伸缩杆的伸缩量与隧道管片的长度呈正比；
20.当两个相邻隧道管片发生仅相对沉降时，相邻第一固定支座间的应变感测光纤一所产生的应变为ε1，温度感测光纤所产生的应变为ε
t
，则通过相似三角形原理，隧道的沉降表示为：
[0021][0022]
当相邻隧道管片不仅发生相对沉降还产生水平方向张合时，应变感测光纤一、应
变感测光纤二所监测的应变分别为ε3和ε2，温度感测光纤所监测的应变为ε
t
；由于竖向的沉降，使应变感测光纤一所产生的应变为ε
s1
，而使应变感测光纤二所产生的应变可忽略不计；由于水平张合，使应变感测光纤一所产生的应变为ε
h1
，而使应变感测光纤二所产生的应变为ε
h2
；由于温度变化，使应变感测光纤一、应变感测光纤二所产生的应变均为ε
t
；
[0023]
因此，由于竖向的沉降使应变感测光纤一所产生的应变ε
s1
表示为：
[0024]
ε
s1
＝ε
3-ε
t-ε
h1
[0025]
其中，
[0026]
则隧道的沉降表示为：
[0027][0028]
任一隧道管片的沉降量表示为：
[0029][0030]
其中，式中y
n-1
为相邻上一隧道管片的沉降量。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0032]
1)本发明通过建立隧道沉降量与光纤应变之间的等式关系，将隧道的沉降转化为光纤的应变变化，通过对光纤应变的测量即可确定相邻隧道管片间的相对沉降，可实现盾构式隧道沉降的自动化监测，提高盾构式隧道沉降监测的效率并降低监测成本。
[0033]
2)本发明设计了可调节的测量支座，降低了光缆布设难度并增加了光缆灵敏度的可调节范围。
[0034]
3)本发明不仅考虑了水平张合量对沉降计算的影响，而且考虑了温度变化所导致的差异，可实现温度自补偿和水平张合量补偿，提高隧道沉降监测结果精度。
附图说明
[0035]
图1为本发明的结构示意图；
[0036]
图2为本发明的测量支座和光纤的结构示意图；
[0037]
图3为本发明的第一固定支座的结构示意图；
[0038]
图4为本发明的第二固定支座的结构示意图；
[0039]
图5为本发明的沉降计算原理图；
[0040]
图6为本发明的室内试验结果图；其中，图6a为在位移工况为(1,2mm)、(2,4mm)、(3,4mm)、(4,4mm)、(5,2mm)、(6,2mm)、(7,4mm)、(8,4mm)、(9,2mm)、(10,0mm)、(11,3mm)、(12,6mm)、(13,6mm)、(14,3mm)、(15,3mm)、(16,6mm)、(17,6mm)、(18,6mm)、(19,3mm)的情况下完成的室内试验结果图，图6b为在位移工况为(1,0mm)、(2,-2mm)、(3,2mm)，(4,-2mm)、(5,2mm)、(6,0mm)、(7,2mm)、(8,-2mm)、(9,2mm)，(10,0mm)，(11,0mm)、(12,3mm)、(13,-3mm)、(14,3mm)(15,0mm)、(16,3mm)、(17,-3mm)、(18,3mm)、(19,-3mm)、(19,0mm)的情况下完成的室内试验结果图；
[0041]
图7为本发明的现场试验结果图；其中，图7a为在2022年7月初的监测结果图，图7b为在2022年7月中旬的监测结果对比图。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0043]
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0044]
如图1-7所示，基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，包括测量支座1、光纤2和分布式光纤解调仪3，测量支座1呈工字型，设有若干个，测量支座1之间首尾相连，连续布设，测量支座1与隧道结构之间采用铆钉或螺栓固定，光纤2与测量支座1的固定支座之间采用卡扣固定，光纤2与测量支座1的环形橡胶内切，光纤2与分布式光纤解调仪3相连，光纤2包括温度感测光纤21和应变感测光纤22，温度感测光纤21采用通讯光缆，呈一字型布设在测量支座1表面，温度感测光纤21保证充裕的松弛量，大于隧道的最大变形，应变感测光纤22保证一定的预拉量，预拉量随监测报警值变化，应变感测光纤22采用分布式紧包应变感测光缆或密集分布式应变感测光缆，包括应变感测光纤一221和应变感测光纤二222，应变感测光纤一221和应变感测光纤二222围成三角形结构，应变感测光纤二222呈一字型敷设在测量支座1表面。
[0045]
测量支座1包括伸缩杆11、基板12和限位杆13，伸缩杆11设置有两根，且平行间隔设置，伸缩杆11相对的两端对称设置基板12，每根伸缩杆11中部设置有一个基板12，伸缩杆11与基板12同轴相连，基板12共设置有六个，限位杆13设置有一根，置于测量支座1的中心位置，限位杆13相对的两端对称连接基板12，限位杆13上设有弹簧，可通过拉伸弹簧改变“三角形”布设光纤的夹角，增加光纤感测竖向沉降的灵敏度，位于其中一个伸缩杆11中部的基板12和位于余下一个伸缩杆11相对两端的基板12上设置第一固定支座121和第二固定支座122，余下的所有基板12上只设置第二固定支座122，第一固定支座121上连接有应变感测光纤一221，第二固定支座122上连接有温度感测光纤21和应变感测光纤二222，第一固定支座121由第一卡扣1211、第一基座1212、第一环形橡胶1213和第一外壳1214组成，第二固定支座122由第二卡扣1221、第二基座1222、第二环形橡胶1223和第二外壳1224组成，第一基座1212和第二基座1222上设有螺孔，第一环形橡胶1213和第二环形橡胶1223分别与第一外壳1214和第二外壳1224同轴设置，第一固定支座121上设有弧形凹槽，可避免“三角形”布设应变感测光纤一221时使其弯折产生光损造成无法测量或结果测量不准的问题，第二固定支座122上设有线形凹槽。
[0046]
基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的安装方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤一：根据管片4的大小，确定测量支座1的布设位置，通过基板12上的螺孔，采用铆钉或螺栓将测量支座1固定在管片4上；
[0048]
步骤二：采用三角型和一字型分别敷设应变感测光纤一221和应变感测光纤二222，敷设的同时对其进行预拉伸，预拉至设定值后分别通过第一卡扣1211和第二卡扣1221将应变感测光纤一221和应变感测光纤二222固定，待应变感测光纤22布设完毕后，按一字型布设温度感测光纤21，使其保持松弛状态，然后采用第二卡扣1221将温度感测光纤21与
第二固定支座122固定，根据测量范围，依次完成所有支座和其上光纤2的布设工作，测量支座1和相应光纤的布设可通过工厂加工完成；
[0049]
步骤三：将所布设的应变感测光纤一221、应变感测光纤二222、温度感测光纤21进行串联，并通过光纤跳线接入分布式光纤解调仪3。
[0050]
基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的监测方法，包括以下步骤：
[0051]
相邻三个第一固定支座121与应变感测光纤一221围成三角形结构，应变感测光纤一221的长度记为l，位于同一水平线上的两个第一固定支座121之间的水平距离记为2d，位于同一水平线上的两个第一固定支座121与余下的一个第一固定支座121之间的垂直距离记为s；伸缩杆11的伸缩量与隧道管片4的长度呈正比；
[0052]
当两个相邻隧道管片4发生仅相对沉降时，相邻第一固定支座121间的应变感测光纤一221所产生的应变为ε1，温度感测光纤21所产生的应变为ε
t
，则通过相似三角形原理，隧道的沉降可以表示为：
[0053][0054]
实际应用中，隧道结构不仅会产生竖向的沉降还会有水平的张合，因此，当相邻隧道管片4不仅发生相对沉降还产生水平方向张合时，应变感测光纤一221、应变感测光纤二222所监测的应变分别为ε3和ε2，温度感测光纤21所监测的应变为ε
t
。由于竖向的沉降，使应变感测光纤一221所产生的应变为ε
s1
，而使应变感测光纤二222所产生的应变可忽略不计。由于水平张合，使应变感测光纤一221所产生的应变为ε
h1
，而使应变感测光纤二222所产生的应变为ε
h2
。由于温度变化，使应变感测光纤一221、应变感测光纤二222所产生的应变均为ε
t
。因此，仅由沉降使应变感测光纤一221所产生的应变为ε
s1
，表示为ε
s1
＝ε
3-ε
t-ε
h1
，其中，将其代入公式(1)，则隧道的沉降可以表示为：
[0055][0056]
任一隧道管片4的沉降量可以表示为：
[0057][0058]
其中，式中y
n-1
为相邻上一隧道管片4的沉降量。
[0059]
图6为采用本发明的室内试验结果图，图中虚线代表本装置中分布式光纤解调仪3所测试的沉降数据，实线代表实际移动的位移，其中，图6a是在位移工况为(1,2mm)、(2,4mm)、(3,4mm)、(4,4mm)、(5,2mm)、(6,2mm)、(7,4mm)、(8,4mm)、(9,2mm)、(10,0mm)、(11,3mm)、(12,6mm)、(13,6mm)、(14,3mm)、(15,3mm)、(16,6mm)、(17,6mm)、(18,6mm)、(19,3mm)的情况下完成的，括号中第一个数字代表管片编号，第二个数字代表实际移动的位移量；图6b是在位移工况为(1,0mm)、(2,-2mm)、(3,2mm)，(4,-2mm)、(5,2mm)、(6,0mm)、(7,2mm)、(8,-2mm)、(9,2mm)，(10,0mm)，(11,0mm)、(12,3mm)、(13,-3mm)、(14,3mm)(15,0mm)、(16,3mm)、(17,-3mm)、(18,3mm)、(19,-3mm)、(19,0mm)的情况下完成的，括号中第一个数字代表
管片编号，第二个数字代表实际移动的位移量。
[0060]
图7为采用本发明的现场试验结果图，图中虚线代表采用全站仪监测的结果，实线代表本装置中分布式光纤解调仪3所测试的沉降数据，其中，图7a是在2022年7月初的监测结果图，图7b是在2022年7月中旬的监测结果对比图，两图存在差异的原因在于隧道结构一直在变形。
[0061]
本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。
[0062]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，包括测量支座、光纤和分布式光纤解调仪，所述光纤敷设于测量支座上，所述光纤与分布式光纤解调仪相连。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述测量支座呈工字型，设置有若干个，所述测量支座之间首尾相连，连续布设。3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述测量支座包括平行设置的两根伸缩杆、六个基板和一根限位杆，每根伸缩杆相对的两端对称设置基板，每根伸缩杆中部设置有一个基板，所述伸缩杆与基板同轴设置，所述限位杆设置于测量支座的中心位置，所述限位杆相对的两端分别与位于伸缩杆中部的基板相连，所述限位杆上设有弹簧。4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述测量支座中位于其中一个伸缩杆中部的基板和位于余下一个伸缩杆相对两端的基板上设置第一固定支座和第二固定支座，余下的所有基板上只设置第二固定支座，所述第一固定支座上连接有光纤的应变感测光纤一，所述第二固定支座上连接有光纤的温度感测光纤和应变感测光纤二。5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述第一固定支座包括第一卡扣、第一基座、第一环形橡胶和第一外壳，所述第二固定支座包括第二卡扣、第二基座、第二环形橡胶和第二外壳，所述第一基座和第二基座上分别设有螺孔，所述第一环形橡胶和第二环形橡胶分别与第一外壳和第二外壳同轴设置，所述第一固定支座上设有弧形凹槽，所述第二固定支座上设有线形凹槽。6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述光纤包括温度感测光纤和应变感测光纤，所述温度感测光纤呈一字型布设在测量支座表面，所述应变感测光纤呈三角型布设在测量支座表面。7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述应变感测光纤包括应变感测光纤一和应变感测光纤二，所述应变感测光纤一和应变感测光纤二围成三角形结构，所述应变感测光纤二呈一字型敷设在测量支座表面。8.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，其特征在于，所述温度感测光纤采用通讯光缆，所述应变感测光纤采用分布式紧包应变感测光缆或密集分布式应变感测光缆。9.根据权利要求1-8任一所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据隧道管片的大小，确定测量支座的布设位置，通过基板上的螺孔，采用铆钉或螺栓将测量支座固定在隧道管片上；步骤二：采用三角型和一字型分别敷设应变感测光纤一和应变感测光纤二，敷设的同时对其进行预拉伸，预拉至设定值后分别通过第一卡扣和第二卡扣将应变感测光纤一和应变感测光纤二固定，待应变感测光纤布设完毕后，按一字型布设温度感测光纤，使其保持松弛状态，然后采用第二卡扣将温度感测光纤与第二固定支座固定，根据测量范围，依次完成
所有测量支座和其上光纤的布设工作；步骤三：将所布设的应变感测光纤一、应变感测光纤二、温度感测光纤进行串联，并通过光纤跳线接入分布式光纤解调仪，通过所建立的隧道沉降与光纤应变之间的等式关系，自动实现隧道沉降的监测。10.根据权利要求1-8任一所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：相邻三个第一固定支座与应变感测光纤一围成三角形结构，应变感测光纤一的长度记为l，位于同一水平线上的两个第一固定支座之间的水平距离记为2d，位于同一水平线上的两个第一固定支座与余下的一个第一固定支座之间的垂直距离记为s；伸缩杆的伸缩量与隧道管片的长度呈正比；当两个相邻隧道管片发生仅相对沉降时，相邻第一固定支座间的应变感测光纤一所产生的应变为ε1，温度感测光纤所产生的应变为ε
t
，则通过相似三角形原理，隧道的沉降表示为：当相邻隧道管片不仅发生相对沉降还产生水平方向张合时，应变感测光纤一、应变感测光纤二所监测的应变分别为ε3和ε2，温度感测光纤所监测的应变为ε
t
；由于竖向的沉降，使应变感测光纤一所产生的应变为ε
s1
，而使应变感测光纤二所产生的应变可忽略不计；由于水平张合，使应变感测光纤一所产生的应变为ε
h1
，而使应变感测光纤二所产生的应变为ε
h2
；由于温度变化，使应变感测光纤一、应变感测光纤二所产生的应变均为ε
t
；因此，由于竖向的沉降使应变感测光纤一所产生的应变ε
s1
表示为：ε
s1
＝ε
3-ε
t-ε
h1
其中，则隧道的沉降表示为：任一隧道管片的沉降量表示为：其中，式中y
n-1
为相邻上一隧道管片的沉降量。

技术总结
本发明公开了基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，包括测量支座、光纤和分布式光纤解调仪，测量支座呈工字型，依据隧道监测范围设有多个，首尾相连，连续布设，光纤包括温度感测光纤和应变感测光纤，应变感测光纤包括应变感测光纤一和应变感测光纤二，温度感测光纤呈一字型布设在测量支座表面，应变感测光纤一和应变感测光纤二围成三角形结构，应变感测光纤二呈一字型敷设在测量支座表面，光纤与分布式光纤解调仪相连。本发明不仅考虑了水平张合量对沉降计算的影响，且考虑了温度变化所导致的差异，监测精度提高，通过建立隧道沉降量与光纤应变之间的等式关系，可实现盾构式隧道沉降的自动化监测，提高监测效率并降低监测成本。效率并降低监测成本。效率并降低监测成本。


技术研发人员：贾立翔 张劲峰 王宇 魏广庆 施斌
受保护的技术使用者：苏州南智传感科技有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/7