基于阵列光栅的盾构隧道结构监测系统及方法与流程

1.本发明属于隧道安全技术领域，具体涉及一种基于阵列光栅的盾构隧道结构监测系统及方法。


背景技术：

2.目前，盾构隧道的纵向沉降监测多采用精密水准仪、全站仪的人工监测或静力水准测量系统的无人自动测量。常见的监测传感器主要是电阻式、钢弦式及电感式等点式传感器，该类型传感器普遍存在布设困难、抗干扰能力差、抗腐蚀性差、容易破坏、数据易失真等缺点，无法满足现代地铁隧道施工监测的要求。


技术实现要素：

3.本发明涉及一种基于阵列光栅的盾构隧道结构监测系统及方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
4.本发明涉及一种基于阵列光栅的盾构隧道结构监测系统，包括至少一组位移监测模块，所述位移监测模块包括两条位移监测光缆，所述位移监测光缆为集成有多个光纤光栅应变传感器的光纤光栅阵列应变缆线；所述位移监测光缆沿盾构隧道的管壁敷设，两条位移监测光缆均在隧道纵向上呈波形分布并且两条位移监测光缆的波形反相。
5.作为实施方式之一，每条位移监测光缆的波峰和波谷沿隧道纵向依次分布在盾构隧道的各个管片环上，并且分别通过固定装置与盾构隧道的管壁固连。
6.作为实施方式之一，所述位移监测光缆呈锯齿波形分布。
7.作为实施方式之一，所述位移监测模块中，其中一条位移监测光缆的波峰与另一条位移监测光缆的波谷通过同一固定装置固定。
8.作为实施方式之一，各位移监测光缆均敷设在盾构隧道的内侧管壁上。
9.作为实施方式之一，所述位移监测模块有多组，包括沉降监测模块和水平位移监测模块，所述沉降监测模块设于隧道腰部，所述水平位移监测模块设于隧道顶部或隧道底部。
10.本发明还涉及基于上述盾构隧道结构监测系统的盾构隧道结构监测方法，包括：
11.通过所述位移监测光缆实时采集应变信息，通过光纤光栅数据解调仪接收所述位移监测光缆发送的应变信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；
12.所述后台处理器根据解调信号分析判断盾构隧道的结构健康状况，以指导工务部门及时对盾构隧道进行检测维护。
13.作为实施方式之一，每条位移监测光缆的波峰和波谷沿隧道纵向依次分布在各个管片环上，并且分别通过固定装置与盾构隧道的管壁固连；沿隧道纵向对各管片环依次进行编号；每组位移监测模块的两条位移监测光缆中，第一位移监测光缆的波峰与第二位移监测光缆的波谷相互远离；以第一位移监测光缆的各波峰所在管片环为监测基准，判断盾构隧道的结构健康状况。
14.作为实施方式之一，所述方法具体包括：
15.采集第一位移监测光缆的波峰相邻两侧的应变监测值分别为ε
n-a
和ε
n-b
、第二位移监测光缆的波谷相邻两侧的应变监测值分别为ε
n-c
和ε
n-d
，其中，n为第一位移监测光缆的波峰所在管片环的编号；
16.当ε
n-a
和ε
n-b
增大、ε
n-c
和ε
n-d
减小时，判断n号管片环发生正向位移，所述正向位移为第一位移监测光缆的波峰凸出方向；反之则判断n号管片环发生负向位移；
17.当ε
n-b
和ε
(n 2)-a
减小、ε
n-d
和ε
(n 2)-c
增大时，判断n 1号管片环发生正向位移；反之则判断n 1号管片环发生负向位移；
18.当ε
n-a
和ε
(n 2)-c
增大、ε
n-c
和ε
(n 2)-a
减小时，判断n号及n 1号管片环发生正向位移；反之则判断二者发生负向位移；
19.当ε
n-b
和ε
(n-2)-d
增大、ε
n-d
和ε
(n-2)-b
减小时，判断n号及n-1号管片环发生正向位移；反之则判断二者发生负向位移；
20.当ε
n-a
、ε
n-b
和ε
(n 2)-a
均增大并且ε
n-b
的增值最大，并且ε
n-c
和ε
(n 2)-c
减小时，判断n号管片环与n 1号管片环发生错位位移，并且其中n号管片环发生正向位移；反之判断n号管片环与n 1号管片环发生错位位移，并且其中n号管片环发生负向位移；
21.当ε
n-a
、ε
n-b
和ε
(n-2)-b
均增大并且ε
n-a
的增值最大，并且ε
n-d
和ε
(n-2)-d
减小时，判断n号管片环与n-1号管片环发生错位位移，并且其中n号管片环发生正向位移；反之判断n号管片环与n-1号管片环发生错位位移，并且其中n号管片环发生负向位移。
22.本发明至少具有如下有益效果：
23.本发明中，位移监测光缆采用光纤光栅阵列应变缆线，光纤光栅应变传感器的信号传输线路统一、一致性高，能提高监测结果的准确性。
24.通过位移监测光缆的特殊布设，可以实现对单个管片环位移、多个管片环位移以及相邻管片环错位位移等情况的可靠监测，可以将位移监测光缆监测到的数据进行计算并最终反演出盾构隧道的多方位位移情况，具有适用性强，操作简便等显著优势。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
26.图1为本发明实施例提供的位移监测模块的布置示意图；
27.图2-图5为位移监测模块的几种监测状态示意图；
28.图6为本发明实施例提供的盾构隧道结构监测系统的布置示意图；
29.图7为本发明实施例提供的盾构隧道结构监测系统的控制示意图；
30.图8为本发明实施例提供的固定装置的结构示意图。
具体实施方式
31.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技
术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例一
33.如图1，本发明实施例提供一种基于阵列光栅的盾构隧道结构监测系统，包括至少一组位移监测模块200，所述位移监测模块200包括两条位移监测光缆201，所述位移监测光缆201为集成有多个光纤光栅应变传感器的光纤光栅阵列应变缆线；所述位移监测光缆201沿盾构隧道1的管壁敷设，两条位移监测光缆201均在隧道纵向上呈波形分布并且两条位移监测光缆201的波形反相。
34.上述位移监测模块200可以用于监测盾构隧道1的沉降情况，基于该需求时，可将位移监测模块200设置在隧道腰部；上述位移监测模块200也可用于监测盾构隧道1的水平位移情况，基于该需求时，可将位移监测模块200设置在盾构隧道1的顶部和/或底部。优选地，位移监测模块200有多组，包括沉降监测模块2和水平位移监测模块3200，所述沉降监测模块2设于隧道腰部，所述水平位移监测模块3200设于隧道顶部或隧道底部。
35.上述光纤光栅阵列应变缆线为单根光缆内集成有多个光纤光栅应变传感器的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点。采用光纤光栅阵列应变缆线，可实现盾构隧道1的全线连续监测，而且各光纤光栅应变传感器的信号传输线路统一、一致性高，能提高监测结果的准确性。
36.对于上述监测系统，一般还配置有光纤光栅数据解调仪61，其用于接收位移监测光缆201发送的应变信息，并解调成解调信号发送给后台处理器62。光纤光栅数据解调仪61也为现有设备；其与后台处理器62之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。
37.在其中一个实施例中，如图1，每条位移监测光缆201的波峰和波谷沿隧道纵向依次分布在盾构隧道1的各个管片环11上，该位移监测光缆201的波峰和波谷分别通过固定装置7与盾构隧道1的管壁固连。能够将光缆固定在盾构管片上的固定装置7均适用于本实施例中，例如该固定装置7采用线扣、线夹等，此处不作一一例举。进一步优选地，每条位移监测光缆201中，相邻两个固定装置7之间的缆段不与隧道管壁固连，但呈伸直状态，相应地，所述位移监测光缆201呈锯齿波形分布；在该设计中，相邻两个固定装置7之间的缆段能够快速地、准确地响应管片环11的位置变化；相邻两个固定装置7之间的缆段内包括至少一个光纤光栅应变传感器。
38.优选地，如图1，所述位移监测模块200中，其中一条位移监测光缆201的波峰与另一条位移监测光缆201的波谷通过同一固定装置7固定。在该结构中，既便于两条位移监测光缆201的布设，更为重要地，使同一位移监测模块200中的两条位移监测光缆201相邻布设，二者的应变响应范围和响应速度接近，能提高对相应位置处的位移监测的准确性。
39.优选地，各位移监测光缆201均敷设在盾构隧道1的内侧管壁上，便于位移监测光缆201的布设和检修，并且能避免安装在隧道外壁上时易受到外界土体等的影响。
40.进一步地，本发明实施例还涉及盾构隧道结构监测方法，该方法基于上述盾构隧道结构监测系统实现，具体地，该方法包括：
41.通过所述位移监测光缆201实时采集应变信息，通过光纤光栅数据解调仪61接收所述位移监测光缆201发送的应变信息，并解调成解调信号发送给后台处理器62；
42.所述后台处理器62根据解调信号分析判断盾构隧道1的结构健康状况，以指导工务部门及时对盾构隧道1进行检测维护。
43.进一步优选地，沿隧道纵向对各管片环11依次进行编号，例如从盾构隧道1的一端向另一端对各管片环11依次编号为1号环、2号环、2号环...n号环...；每组位移监测模块200的两条位移监测光缆201中，定义其中一条位移监测光缆201为第一位移监测光缆201，另一条位移监测光缆201为第二位移监测光缆201，第一位移监测光缆201的波峰与第二位移监测光缆201的波谷相互远离，第一位移监测光缆201的波谷与第二位移监测光缆201的波峰相互靠近(例如二者共用一个固定装置7)；以第一位移监测光缆201的各波峰所在管片环11为监测基准，判断盾构隧道1的结构健康状况。
44.进一步地，所述方法具体包括：
45.采集第一位移监测光缆201的波峰相邻两侧的应变监测值分别为ε
n-a
和ε
n-b
、第二位移监测光缆201的波谷相邻两侧的应变监测值分别为ε
n-c
和ε
n-d
，其中，n为第一位移监测光缆201的波峰所在管片环11的编号；
46.如图2，当ε
n-a
和ε
n-b
增大、ε
n-c
和ε
n-d
减小时，判断n号管片环11发生正向位移，所述正向位移为第一位移监测光缆201的波峰凸出方向；反之则判断n号管片环11发生负向位移；其中，一般地，ε
n-a
和ε
n-b
的增加值相同，ε
n-c
和ε
n-d
的减小值相同；n号管片环11的位移量为k1δε
n-a
，k1为标定系数。
47.如图3，当ε
n-b
和ε
(n 2)-a
减小、ε
n-d
和ε
(n 2)-c
增大时，判断n 1号管片环11发生正向位移；反之则判断n 1号管片环11发生负向位移；其中，一般地，ε
n-b
和ε
(n 2)-a
的减小值相同，ε
n-d
和ε
(n 2)-c
的增加值相同；n号管片环11的位移量为k2δε
n-d
，k2为标定系数。
48.如图4，当ε
n-a
和ε
(n 2)-c
增大、ε
n-c
和ε
(n 2)-a
减小时，判断n号及n 1号管片环11发生正向位移；反之则判断二者发生负向位移。其中，当n号管片环11和n 1号管片环11同步位移时，ε
n-b
和ε
n-d
不变，ε
n-a
和ε
(n 2)-c
的增加值相同，ε
n-c
和ε
(n 2)-a
的减小值相同；n号管片环11的位移量为k3δε
n-a
，k3为标定系数。当n号管片环11和n 1号管片环11的位移量不同时，ε
n-a
和ε
(n 2)-c
的增加值会有差异，ε
n-c
和ε
(n 2)-a
的减小值也会有差异，ε
n-b
会有一定程度的增减(视n号管片环11发生正向位移还是负向位移)但增加幅度小于ε
n-a
/减小幅度小于ε
n-c
，ε
n-d
会有一定程度的增减但增加幅度小于ε
n-a
/减小幅度小于ε
n-c
；在此基础上，通过ε
n-a～
ε
n-d
、ε
(n 2)-a
、ε
(n 2)-c
等的增减情况可以准确地判断n号管片环11和n 1号管片环11之间的位移量差异。
49.同样地，当ε
n-b
和ε
(n-2)-d
增大、ε
n-d
和ε
(n-2)-b
减小时，判断n号及n-1号管片环11发生正向位移；反之则判断二者发生负向位移。其中，当n号管片环11和n-1号管片环11同步位移时，ε
n-a
和ε
n-c
不变，ε
n-b
和ε
(n-2)-d
的增加值相同，ε
n-d
和ε
(n-2)-b
的减小值相同；当n号管片环11和n-1号管片环11的位移量不同时，ε
n-b
和ε
(n-2)-d
的增加值会有差异，ε
n-d
和ε
(n-2)-b
的减小值也会有差异，ε
n-a
会有一定程度的增减(视n号管片环11发生正向位移还是负向位移)但增加幅度小于ε
n-b
/减小幅度小于ε
n-d
，ε
n-c
会有一定程度的增减但但增加幅度小于ε
n-b
/减小幅度小于ε
n-d
；在此基础上，通过ε
n-a～
ε
n-d
、ε
(n-2)-b
、ε
(n-2)-d
等的增减情况可以准确地判断n号管片环11和n-1号管片环11之间的位移量差异。
50.如图5，当ε
n-a
、ε
n-b
和ε
(n 2)-a
均增大并且ε
n-b
的增值最大，并且ε
n-c
和ε
(n 2)-c
减小时，判断n号管片环11与n 1号管片环11发生错位位移，并且其中n号管片环11发生正向位移，n
1号管片环11发生负向位移；反之判断n号管片环11与n 1号管片环11发生错位位移，并且其中n号管片环11发生负向位移，n 1号管片环11发生正向位移。其中，n号管片环11的位移量为k4ε
n-b
，k4为标定系数。ε
n-d
可能呈现出多种变化情况，例如，当n号管片环11先于n 1号管片环11发生位移/n号管片环11后于n 1号管片环11发生位移时，ε
n-d
一般会呈先减小后增大趋势，当n号管片环11与n 1号管片环11同步发生位移时，ε
n-d
一般会呈减小趋势，另外，当n号管片环11和n 1号管片环11的位移速度不同时，也会呈现出另外的应变变化情况，可见，在此基础上，通过ε
n-a
～ε
n-d
、ε
(n 2)-a
、ε
(n 2)-c
等的增减情况可以准确地判断n号管片环11和n-1号管片环11之间的位移量差异。
51.同样地，当ε
n-a
、ε
n-b
和ε
(n-2)-b
均增大并且ε
n-a
的增值最大，并且ε
n-d
和ε
(n-2)-d
减小时，判断n号管片环11与n-1号管片环11发生错位位移，并且其中n号管片环11发生正向位移，n-1号管片环11发生负向位移；反之判断n号管片环11与n-1号管片环11发生错位位移，并且其中n号管片环11发生负向位移，n-1号管片环11发生正向位移。其中，ε
n-c
可能呈现出多种变化情况，具体此处不作一一分析。
52.可见，本实施例中，可以实现对单个管片环11位移、多个管片环11位移以及相邻管片环11错位位移等情况的可靠监测，上述算法可以将位移监测光缆201监测到的数据进行计算并最终反演出盾构隧道1的多方位位移情况，具有适用性强，操作简便等显著优势。
53.实施例二
54.本发明实施例提供一种基于阵列光栅的盾构隧道结构监测系统，可对上述实施例一进行补充和优化。
55.如图6，该盾构隧道结构监测系统包括沉降监测模块2、水平位移监测模块3200、区域裂缝监测模块5和收敛监测模块4。
56.沉降监测模块2和/或水平位移监测模块3200可采用上述实施例一中的位移监测模块200，该位移监测模块200的具体结构此处不作赘述。
57.在其中一个实施例中，区域裂缝监测模块5包括至少一条裂缝监测光缆，所述裂缝监测光缆为集成有多个光纤光栅应变传感器的光纤光栅阵列应变缆线；所述裂缝监测光缆沿隧道纵向直线布设在盾构隧道1的管壁上。有多条裂缝监测光缆时，优选地，各裂缝监测光缆沿隧道周向依次间隔布设。
58.其中，裂缝监测光缆可仅在重点区域布设，也可沿盾构隧道1全长连续布设。裂缝监测光缆优选为布设在盾构隧道1的内侧管壁上，便于裂缝监测光缆的布设和检修，并且能避免安装在隧道外壁上时易受到外界土体等的影响。优选地，如图6，上述裂缝监测光缆通过多个光缆安装单元与盾构隧道1的管壁固连；能够将光缆固定在盾构管片上的光缆安装单元均适用于本实施例中，例如该光缆安装单元采用线扣、线夹等，此处不作一一例举；各光缆安装单元优选为沿隧道纵向依次分布在各盾构管片环11上，进一步优选地，每条裂缝监测光缆中，相邻两个光缆安装单元之间的缆段不与隧道管壁固连，但呈伸直状态，能够快速地、准确地感应管片环11的裂缝产生情况；在该设计中，相邻两个光缆安装单元之间的缆段内包括至少一个光纤光栅应变传感器。
59.在其中一个实施例中，收敛监测模块4包括至少一条收敛监测光缆，所述收敛监测光缆为集成有多个光纤光栅应变传感器的光纤光栅阵列应变缆线；所述收敛监测光缆沿隧道周向环形布设在盾构隧道1的管壁上。有多条收敛监测光缆时，优选地，各收敛监测光缆
沿隧道纵向依次间隔布设。
60.其中，收敛监测光缆优选为布设在盾构隧道1的内侧管壁上，便于收敛监测光缆的布设和检修，并且能避免安装在隧道外壁上时易受到外界土体等的影响。上述收敛监测光缆宜贴合在隧道管壁上，可以收敛监测光缆粘接在隧道管壁上或者采用其他固定安装方式，或者在隧道管壁上开设监测槽、将收敛监测光缆埋设在监测槽内再采用混凝土固结。
61.本实施例提供的盾构隧道结构监测系统，可实时监测盾构隧道管片沉降、水平位移、管片间裂缝及净空收敛等情况，提高盾构隧道1服役安全性，便于工务部门对盾构隧道1的检修维护；沉降监测模块2、水平位移监测模块3200、区域裂缝监测模块5和收敛监测模块4均采用光纤光栅阵列应变缆线，光纤光栅应变传感器的信号传输线路统一、一致性高，能提高监测结果的准确性。
62.进一步优选地，如图6和图7，沉降监测模块2、水平位移监测模块3200、区域裂缝监测模块5和收敛监测模块4的各光纤光栅阵列应变缆线均与光纤光栅数据解调仪61连接，该光纤光栅数据解调仪61用于接收各光纤光栅阵列应变缆线发送的应变信息，并解调成解调信号发送给后台处理器62。
63.进一步优选地，如图7，上述盾构隧道结构监测系统还包括程控报警终端64，该程控报警终端64可通过线缆与后台处理器62连接或者通过无线传输模块63与后台处理器62无线连接。上述后台处理器62在分析处理解调信号后，判断是否向程控报警终端64发送报警指令；上述程控报警终端64用于在收到后台处理器62发送的报警指令信息后，进行报警，其可配置声光报警器等报警器件。
64.可见，本实施例提供的盾构隧道结构监测系统，可以实现对盾构隧道结构安全的监测和预警，便于将监测到的风险信息及时地精确反馈，便于处置联动机制的实施。
65.实施例四
66.本实施例提供一种内固定式光纤光栅保护装置，可用于上述各实施例中，用于将监测光缆布置在隧道管壁上，例如用作其中的固定装置7。
67.如图8，该保护装置包括保护壳体，所述保护壳体上设有光纤光栅入口和光纤光栅出口，所述保护壳体内设有防护梁73，所述防护梁73为适于将光纤光栅201中的传感器2011围护于内的环形梁并且于梁上设有光纤光栅穿入孔和光纤光栅穿出孔。
68.在其中一个实施例中，上述保护壳体包括底板71和盖板72，所述防护梁73安设于所述底板71上，所述盖板72可拆卸盖合在所述底板71上，可以将待保护的光纤光栅201围护在由盖板72与底板71围合形成的壳腔内，保护效果较好。其中，可选地，上述光纤光栅入口和光纤光栅出口均开设在底板71上。
69.对于底板71与盖板72之间的可拆卸连接，可以采用螺钉等螺纹紧固件进行连接；当然，卡扣连接等方式也为可行方案。
70.优选地，上述底板71上设有安装部，以便于安装至监测点位处，该安装部可以是安装孔等。
71.在使用时，光纤光栅201依次穿过上述光纤光栅入口、光纤光栅穿入孔、光纤光栅穿出孔和光纤光栅出口，优选地，所述光纤光栅入口、所述光纤光栅出口、所述光纤光栅穿入孔以及所述光纤光栅穿出孔同轴设置，可使光纤光栅201笔直地穿过上述保护装置，保证监测结果的准确性和可靠性。
72.在其中一个实施例中，上述防护梁73为弹性梁体，在遇到强拉压变形时，防护梁73首先受力，弹性梁体能较好地起到消能和减振作用，对光纤光栅201的保护效果更好。
73.在其中一个实施例中，如图8，所述防护梁73为菱形梁。采用菱形梁，结构稳定性高、受力性能更为可靠，可进一步提高对光纤光栅201的保护效果。进一步地，所述光纤光栅穿入孔和所述光纤光栅穿出孔相对设于所述菱形梁的两个角部上。
74.进一步优化上述保护装置，如图8，在所述光纤光栅入口处同轴连接有弹簧套管75。该弹簧套管75用于与外部结构连接，可以较好地起到减振缓冲的作用，提高保护壳体的保护效果；而且，光纤光栅201从该弹簧套管75内穿入保护壳体，可进一步加强对光纤光栅201的保护。其中，优选地，上述弹簧套管75包括套管管体以及收容在套管管体内的弹簧，套管管体可对弹簧进行约束和保护，该套管管体可以采用金属软管、橡胶管等材质。上述弹簧套管75与保护壳体之间的连接方式包括但不限于是螺纹连接、螺栓固定、过盈配合连接、焊接等。
75.进一步优化上述保护装置，如图8，在所述光纤光栅出口处设有铠装管16，可加强对光纤光栅201的保护，可根据不同的监测对象进行光纤熔接，从而实现实时测量工程所需要的多种物理量监测目的。
76.优选地，所述防护梁73可拆卸安装于所述保护壳体内，便于安装和维护。在其中一个实施例中，如图8，上述防护梁73安装在一安装挡板74上，该安装挡板74可拆卸固定在保护壳体内，例如通过固定销实现安装挡板74与保护壳体之间的连接。基于上述结构，使防护梁73构成为悬臂梁，避免了防护梁73直接与保护壳体连接，可进一步延长力的传递路径，减少变形、荷载、振动等对光纤光栅201的影响。在另外的实施例中，也可通过上述安装挡板74和限位结构配合，将防护梁73固定在底板71上，上述限位结构例如可以是采用多个限位销等。
77.本实施例提供的保护装置，对光纤光栅201进行全包围、内固定式防护，能有效地保证对光纤光栅201的保护效果，使光纤光栅201的状态保持稳定，提高监测结果的准确性和可靠性。上述保护装置结构简单、安装方便，能较好地适应工程安装要求。
78.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。