用于隧道接缝的自复位式光纤光栅监测系统及监测方法

本发明属于轨道交通隧道结构健康监测，具体涉及用于隧道接缝的自复位式光纤光栅监测系统及监测方法，尤其适用于轻轨、河底隧道、盾构隧道、明挖隧道及地下交通结构在运营期的接缝开合、接缝错台、渗漏水及温度漂移的长期监测。

背景技术：

1、河底轻轨隧道在长期运营过程中受到水土压力、列车振动、潮汐水位变化、地层沉降、温湿度变化以及接缝密封材料老化等因素影响，隧道接缝处容易出现开合变形、环缝或纵缝错台、局部渗漏水等问题。上述问题不仅影响隧道结构的耐久性，还可能引起轨道平顺性降低、管片接缝密封失效、内部设施受潮腐蚀等运营安全隐患。

2、现有的隧道接缝监测手段主要包括机械位移计、裂缝计、百分表、三维位移计、湿度传感器、渗压传感器和光纤光栅传感器等。其中，常规位移计通常只能监测单一方向的开合量，难以同时识别接缝错台；普通渗漏监测装置往往只能判断有水或无水，难以与接缝变形响应建立定量关系；常规三维位移传感器体积较大，难以适应隧道接缝狭窄空间和长期运营维护要求；普通光纤光栅裂缝计虽然具有无源、抗电磁干扰和耐腐蚀等优点，但多用于单一开合方向监测，缺少开合、错台、渗漏和温度补偿的一体化机械解耦结构。

3、因此，有必要提出一种适用于河底轻轨隧道接缝长期监测的薄片式、多参量、可补偿、可维护的光纤光栅监测装置，使其能够在不刚性约束接缝正常变形的前提下，实现接缝开合量、错台量和渗漏状态的同步识别。

技术实现思路

1、针对上述问题之一，本发明提供用于隧道接缝的自复位式光纤光栅监测系统及监测方法，以解决现有的接缝监测装置存在的单参量监测、错台识别能力不足、渗漏状态难以与变形耦合判断、温度漂移影响明显以及装置难以长期安装维护的问题。

2、第一方面，用于隧道接缝的自复位式光纤光栅监测系统包括支撑单元、板簧、渗漏监测单元和光纤光栅单元，支撑单元包括两个基座和两个斜向肋，两个基座分别固定在隧道接缝两侧的结构件的外侧面上；两个斜向肋交叉形成x形，悬空架设在两个基座上且跨过隧道接缝；

3、板簧具有向上凸出的曲面，板簧横跨隧道接缝，板簧的两个端部分别连接对应的基座；

4、光纤光栅单元包括五根光纤光栅，第一光纤光栅沿着板簧的顶面布设，用于监测接缝开合引起的板簧应变变化；第二光纤光栅沿着第一斜向肋布设，第三光纤光栅沿着第二斜向肋布设，用于识别接缝错台量；第四光纤光栅连接渗漏监测单元，用于识别渗漏状态和渗漏等级；第五光纤光栅采用应变隔离封装，且沿着两个基座的长度方向布设，用于采集环境温度引起的光纤光栅波长漂移。

5、本发明通过在隧道接缝的两侧架设支撑单元，形成接缝处的检测光纤光栅的基础架构，通过桥梁式板簧的设计，实现接缝两侧的非刚性约束连接，便于放置各个检测用的光纤光栅。板簧曲面的设计，再配合板簧下方x形斜向肋的设计，实现了接缝处的上下两层光纤光栅的铺设，通过具有一定宽度的基座，还能再布设两根光纤光栅，从而实现了同一接缝处多光纤光栅的设置，进而能实时监测多个参数。板簧、渗漏监测单元和光纤光栅单元都设在隧道内混凝土或钢筋结构与隧道内壁之间，板簧、斜向肋和各条光纤光栅都跨越接缝，各光纤光栅互不接触、互不干涉，能同时监测接缝处多个参数。

6、当接缝开合或错台作用减小或消失时，板簧和斜向肋在自身弹性恢复力作用下回复至初始或接近初始的形态，使相应光纤光栅的应变响应同步恢复，从而实现监测系统的自复位和重复监测。

7、可选的，所述两个基座均为长条形的，两个基座的中心线处于同一直线上，基座的长度方向平行于隧道内结构件的长度方向（也平行于隧道的长度方向），基座的内侧面朝向结构件；所述隧道接缝垂直于基座的长度方向；

8、两个基座分别设在接缝的左右两侧，两个基座的相互靠近的一端不直接连接，避免形成跨隧道接缝的刚性约束，使得接缝处于两个基座之间。

9、可选的，所述板簧的纵截面为ω形的，板簧整体为长条形，板簧的长度方向顺应基座的长度方向；板簧以接缝为中心左右对称设置，板簧的最高处对应接缝中心，使得板簧中心优先与隧道内壁接触，从而有利于第一光纤光栅优先捕捉到应力变化；所述板簧由弹性材料制成，在接缝开合作用减小或消失后能够依靠自身弹性恢复力复位。

10、可选的，所述两个斜向肋的夹角为90度，斜向肋与基座的中心线的夹角为45度；两个斜向肋的交点对应下方的接缝的中部；

11、斜向肋为平直板材，顶面设有一道线槽，用于卡设对应的光纤光栅；至少一个斜向肋的靠近两个斜向肋交点的部分设有护板，当接缝处发生错台而引起斜向肋微量移动时，护板限制斜向肋上的光纤光栅移动，从而使得第二、第三光纤光栅能实时感知接缝错台引起的斜向肋受力变化。

12、可选的，所述渗漏监测单元设在任意一个基座的上表面，且处于压紧片的旁边；

13、渗漏监测单元包括主腔体以及主腔体内部的吸水膨胀芯和弹片，主腔体为立方体，其中心线平行于所处基座的中心线，主腔体的两个相对的侧面上分别设有开口，两个开口、吸水膨胀芯和弹片均处于主腔体的中心线上；

14、吸水膨胀芯的一端固定，另一端为活动端并与弹片抵接，第四光纤光栅贯穿主腔体且与弹片连接。

15、进一步可选的，所述主腔体的中部的底面上设有两个固定座，吸水膨胀芯为长条形，其末端固定连接第一固定座，始端为活动端且指向第二固定座；

16、所述弹片为长条形，弹片的一端固定连接第二固定座，另一端为自由端，吸水膨胀芯的活动端抵接弹片的自由端；

17、第四光纤光栅贯穿主腔体并与弹片连接，当吸水膨胀芯吸水膨胀时推动弹片变形，使第四光纤光栅的有效光栅段产生轴向应变。

18、第二方面，所述监测系统的监测方法包括：

19、s1：记录五条光纤光栅的初始中心波长，分别记为λ10、λ20、λ30、λ40和λ50；

20、s2：隧道运营期内，通过光纤解调仪获取各光纤光栅的实时中心波长，并确定各光纤光栅的原始波长变化量；

21、s3：根据第五光纤光栅的波长变化量，对其它四个光纤光栅的波长变化进行温度补偿；

22、s4：根据第一光纤光栅温度补偿后的轴向应变，确定隧道接缝的开合量；

23、s5：根据第二光纤光栅和第三光纤光栅温度补偿后的轴向应变差，确定隧道接缝的错台量；

24、s6：根据第四光纤光栅温度补偿后的波长变化量，确定渗漏状态和渗漏等级；

25、s7：根据接缝开合量、错台量和渗漏等级，判断渗漏与接缝变形之间的关联关系，并输出预警结果。

26、可选的，步骤s3中，利用第五光纤光栅的波长变化量，确定其它四个光纤光栅的温度补偿后的波长变化量，

27、

28、其中，i=1、2、3、4；δλci为第i个光纤光栅的温度补偿后的波长变化量，nm；δλi为第i个光纤光栅的原始波长变化量，nm；δλt为第五光纤光栅的波长变化量，nm；ηi为第i个光纤光栅与第五光纤光栅之间的温度响应修正系数，无量纲。

29、可选的，步骤s4中，当隧道接缝发生张开或闭合时，接缝两侧的两个基座产生相对位移，使跨设于两个基座之间的ω形板簧发生弹性变形，并使设置于板簧拱顶敏感区域的第一光纤光栅产生轴向应变变化；

30、以隧道接缝处于初始状态时作为零点状态，将初始接缝开合量和第一光纤光栅温度补偿后的轴向应变均设定为零，隧道接缝的开合量按照下式确定：

31、

32、其中，δu为接缝相对于初始状态的开合量，单位为mm，正值表示接缝张开，负值表示接缝闭合；εc1为第一光纤光栅温度补偿后的轴向应变，单位为με；ku为开合位移与应变转换系数，单位为mm/με。

33、可选的，步骤s5中，当隧道接缝两侧结构发生相对错台时，设置于两个斜向肋上的第二光纤光栅和第三光纤光栅产生方向相反或幅值不同的轴向应变响应，利用第二光纤光栅和第三光纤光栅温度补偿后的差分应变确定接缝错台量，

34、隧道接缝的错台量按照下式确定：

35、

36、其中，δs为接缝相对于初始状态的错台量，单位为mm，δs的正负表示接缝错台方向；ld为斜向肋的有效长度，单位为mm，所述有效长度为斜向肋上光纤光栅敏感段两端固定位置之间的长度；εc2和εc3分别为第二光纤光栅和第三光纤光栅温度补偿后的轴向应变，单位为με。