[发明专利]隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法

权利要求书

1.一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将四条传感光纤十字形对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，在测管与钻孔之间的空隙中注入耦合剂使测管与围岩变形协调；测管底端置于隧道开挖影响范围之外，作为测管二维位移计算的基点；当隧道围岩产生变形，分布式光纤测管将随隧道围岩产生同步变形，测管上呈十字形对称分布的四条传感光纤随着测管的变形产生相应的应变，将测管上呈十字形对称布设的传感光纤的应变分布进行配准、做差、积分运算后就得到光纤测管横向的二维变形分布；分布式光纤传感技术将测管上下方向上的两条传感光纤串接、左右方向上的两条传感光纤串接，分别构成一条传感线路，以便于同步监测和数据处理，配准是将传感光纤的应变分布正射投影到测管上、下、左、右四条测线的初始位置即基准线上，即将每条光纤上应变点的位置与测管表面上、下、左、右四条测线上相应点的初始位置一一对应；做差是指将测管上同一横截面上、下两条测线或者左、右两条测线的应变值相减，分别得到沿测管竖向和水平向的二维差值应变分布；通过对差值应变分布沿测管长度进行两次计分运算得到测管上任意点相对于基点的位移；由上、下测线的差值应变分布可以计算得到测管的竖向位移，由左、右测线的差值应变分布可以计算得到测管的水平位移，从而得到测管的二维位移分布；为加快数据处理的速度，测管二维位移由数据处理与分析软件计算，依次进行配准、做差、积分运算；将隧道围岩中各个光纤测管上的传感光纤串接，由BOTDR布里渊光时域反射计同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，实现对隧道围岩二维位移的实时、分布式监测。

2.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述测管位移量的计算方法为：假设测管底端(基点)不发生偏转(既无转角也无位移)，则管身任意位置z处(图1)相对于基点O的位移ω(z)为：

ω(z)=∫0z∫0z1ρdzdz---(1)]]>

=∫0z∫0z-Δϵ(z)Ddzdz]]>

式中Δε(z)为测管上两条对称布设光纤的差值应变分布，ρ为曲率半径，D为测管直径。

3.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述光纤测管安装在隧道开挖工作面前方，用于监测隧道开挖过程中围岩位移。

4.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是：所述超前监测方法中测管实施的步骤如下：

a)管身切槽：将PP-R管(1)固定，在其外壁标记四条直线，四条直线在管横截面上呈十字形对称分布，然后用切割机沿四条直线在PP-R管表面切一矩形槽，开槽宽度2.5mm，深2mm；

b)光纤粘贴：在PP-R管表面四个矩形槽内粘贴传感光纤(2)，传感光纤为直径2mm的聚氨酯单模光纤；粘结剂为环氧树脂，粘贴方式为全面粘贴；

c)管身保护：传感光纤粘贴完成之后，沿管身粘贴强力胶带，然后再在测管上包裹热塑膜，用电热风枪均匀加热，使热塑膜收缩后紧密贴裹在PP-R管之上；

d)测管安装：测管封装保护完成之后，将其推入已施工完成的钻孔内；钻孔易采用回旋钻进，钻孔直径略大于测管直径，以可以顺利安装测管为准；

e)测管连接：将第一根测管Ⅰ(3)推入钻孔后，在钻孔孔口处连接第二根测管Ⅱ(5)，连接时要求两根测管表面的4个矩形槽一一对齐，接头采用PP-R材质的内接管(6)；两根测管矩形槽对齐后，在测管接头处打孔并用铆钉(4)将两根PP-R管固定，之后沿PP-R管的矩形槽继续布设传感光纤；重复上述b)～d)步骤，直至所需长度的分布式光纤测管封装完成，并全部安装在钻孔内；

f)耦合注浆：安装钻孔封孔装置，采用注浆机注入配制好的耦合剂浆液至浆液充满测管与孔壁之间空隙；

g)传感光纤引出：将PP-R管上的传感光纤由钻孔封孔装置盖板上的光纤引出孔(10)引出钻孔；

h)线路集成：将多个测管的传感光纤连接，组成分布式光纤监测网。