一种井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测装置及方法与流程

本发明涉及井下工程结构安全监测，具体涉及一种井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测装置及方法。

背景技术：

1、在煤矿、金属矿山采空区支护，以及地下巷道、交通隧道等深部地下工程中，钢管混凝土（cfst）墩柱因其承载力高、抗震性能好、施工简便等显著优势，被广泛用作核心的垂直承重与安全支护结构。然而，地下工程长期处于高地应力、岩层运动、强烈动载荷（如采动冲击、爆破震动）以及高湿度、涌水等恶劣复杂的力学与物理环境中。

2、在轴向高压或非均匀侧向围岩压力的持续作用下，钢管混凝土墩柱极易发生偏心受压。当局部应力超过其屈服极限时，钢管外壁会产生局部的屈曲失稳变形，即鼓曲现象（通常表现为轴向中部的弯曲屈曲，或柱脚/柱顶处的“象足破坏”）。由于钢管内部的核心混凝土处于三向受压状态，一旦外部钢管发生局部的鼓曲剥离，钢管对混凝土的约束效应将瞬间减弱甚至丧失，导致整个墩柱的极限承载能力发生骤降。这种局部失稳往往具有突发性，极易引发大面积冒顶、巷道塌方等灾难性支护失效事故。因此，实现对井下钢管混凝土墩柱鼓曲变形的实时、高精度、全方位健康监测，对于保障矿山和地下工程的安全生产具有极其重大的工程意义。

3、目前，针对矿山及地下工程结构物的变形监测，现有方案主要包括以下几种，但它们在面对钢管混凝土墩柱的鼓曲监测时，均存在明显的局限性：

4、（1）传统点式电学传感器监测（如电阻应变片、振弦式应变计等）；

5、该监测方案通常将电阻应变片或振弦式应变计粘贴在墩柱的关键受力部位，属于典型的点式监测。然而墩柱的鼓曲变形是一种随机发生、尺度通常在厘米级的局域性突变。如果鼓曲发生的位置未能在传感器贴装的点位上，系统将无法感知。若要实现全覆盖，则需要布置极其密集的传感器和复杂的电信号传输线缆，这在空间受限、环境恶劣且存在防爆要求的井下环境中难以实现，且极易造成漏检。

6、（2）准分布式光纤监测（如光纤光栅传感器）；

7、通过在单根光纤上串联多个光栅，贴附在墩柱表面，实现串联式的多点应变测量。该传感器虽然解决了电磁干扰和线缆冗余问题，但本质上依然是点式拓扑。其空间分辨率受限于光栅的刻写间隔（通常在数十厘米到米级），在面对瞬时发生、空间跨度微小的初期鼓曲变形时，由于空间采样率不足，也容易产生监测盲区，无法精确定位鼓曲的边缘及形变中心。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出一种井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测装置及方法。本发明可实现对井下钢管混凝土墩柱的全形貌鼓曲监测。

2、本发明所采用的技术解决方案是：

3、一种井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测方法，包括以下步骤：

4、s1、将多组传感光纤分别布设于钢管混凝土墩柱轴向不同高度处，传感光纤通过传导光纤和光频域反射计连接；

5、s2、在无外界载荷或围岩应力影响的初始状态下，控制光频域反射计对布设的多组传感光纤通路进行全线扫描，采集并存储初始光学回波信号，将其作为参考信号；在后续服役过程中，光频域反射计以设定频率动态采集实时光学回波信号，将其作为测量信号；

6、s3、基于s2获取的参考信号和测量信号，得到每组传感光纤所对应高度截面的分布式环向应变测量结果；

7、s4、基于s3得到的分布式环向应变测量结果，求解得到井下钢管混凝土墩柱全域连续的三维径向形变场，实现井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测。

8、本发明还提供一种井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测装置，用于实现如上所述的方法，包括传感光纤、传导光纤和光频域反射计，传感光纤设置多组，分别布设于钢管混凝土墩柱轴向不同高度处，传感光纤通过传导光纤和光频域反射计连接。

9、上述传感光纤沿钢管混凝土墩柱的径向周圈布设，每组传感光纤处于同一水平面内；传感光纤共设置五组，将五组传感光纤使用粘接剂分别固定于钢管混凝土墩柱轴向高度1/6、2/6、3/6、4/6、5/6处，并在传感光纤的表面涂覆硅胶；使用传导光纤连接五组传感光纤，并连接至光频域反射计的发射端，在传导光纤的表面也涂覆有硅胶。

10、本发明的有益技术效果是：

11、本发明通过将多组传感光纤分别布设在钢管混凝土墩柱轴向不同高度处，再通过传导光纤和光频域反射计连接，从而可得到每组传感光纤所对应高度截面的分布式环向应变测量结果，后续再通过局域突变特征提取和三维位移场重构，得到全域连续的三维径向形变场，进而可实现井下钢管混凝土墩柱鼓曲监测。本发明可实现对井下钢管混凝土墩柱的全形貌鼓曲监测，而且监测精度高。

12、具体地，体现在以下方面：

13、（1）彻底消除空间监测盲区，实现了厘米级初期鼓曲的精确定位；

14、传统的点式或伪分布式（如fbg）传感器由于测点离散，极易在测点之间产生监测盲区。本发明利用光频域反射计的超高空间分辨率（达毫米级），将贴附在墩柱外壁的传感光纤转化为连续的光学传感网络。配合针对性的 1/6 至 5/6 五个高度截面的环向绕圈布设，能够对承压过程中可能发生在圆周任意方位的厘米级局部早期鼓曲进行高精度捕捉，实现了空间维度的全无盲区监测。

15、（2）有效解决了高应变梯度下的解调失锁问题，形变测量量程与精度大幅提升；

16、在墩柱发生严重偏心受压或鼓曲时，局部区域会产生剧烈的瞬态大变形和高应变梯度，传统光频域反射计全线谱互相关算法极易因光谱严重畸变而导致解调跑飞或数据断裂。本发明通过在距离域精准截取五段有效传感数据，并在局域引入滑动窗口进行快速逆傅里叶变换（ifft）再做一维互相关计算，从而抵抗了光谱畸变与峰值退化。在保持毫米级高空间分辨率的同时，拓宽了在大变形工况下的测量量程，保障了临界破坏数据的稳定提取。

17、（3）实现了从抽象应变点数据到三维结构形态可视化的直观量化重构；

18、以往的监测手段仅能输出零星离散点的数字应变值，工程人员难以直观判断墩柱整体的失稳形态。本发明通过解调获取的五组全周长分布式应变场剖面，结合局域突变特征提取和三维位移场重构进行曲面拟合，能够在终端动态重建出墩柱的三维可视化鼓曲形态示意图。这使得井下核心支护组件的“象足破坏”或“中部屈曲”等形变演化过程能够以直观的几何形貌进行立体呈现，大幅提升了防灾预警的直观性和决策效率。

19、（4）具备极佳的井下环境适应性与长期服役高可靠性；

20、本发明监测装置在布设时，光纤在钢管壁表面采用粘接剂全线贴装，并额外涂覆了硅胶保护层。这种结构在物理层面上既保证了应变由钢管向光纤的高保真传递，又赋予了传感网络优异的防潮、防水、抗剪切和耐井下挤压的硬度。而且系统无任何电学器件进入支护区，满足矿山井下的本质安全与防爆要求，极大地延长了监测装置的安全服役寿命。

21、（5）降低了系统施工复杂度与线缆冗余成本；

22、若要使用传统技术达到本发明同等密度的空间覆盖率，需要布置成百上千个点式传感器和海量的信号传输电缆，这在狭窄的井下巷道内根本无法实施。本发明仅利用单根传感光纤通过空间串联拓扑便实现了数万个传感点的感知效能，极大地简化了现场注浆和布线工序，节省了硬件及后期维护成本。