[发明专利]隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法。

背景技术

我国正处于大规模基础建设时期，在交通、国防、水利等各个领域出现了大量的深埋、长大隧道工程，在设计理论、施工技术中出现了许多新的问题，施工面临的风险加剧。在隧道施工过程中，隧道开挖面前方围岩的力学性状不断地发生变化，提前探知围岩变形特征及发展趋势，获取隧道开挖面前方各变形阶段的地层位移信息，并采取超前预处理施工措施，对于充分调动围岩自承能力，节约投资、规避风险具有重要意义。

目前，在岩土工程监测技术领域，特别是与隧道工程施工期监测相关的技术方法主要有地中土体沉降监测技术、土体测斜技术、地表沉降监测技术等，仪器设备多采用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等。这些技术方法均具有点式测量特点，测点稀疏，难以实现对被测对象的全方位监控。常规的监测技术多数仍不能实现实时监测，且传感原理多种多样，数据种类多，难以集成大规模实时监测系统。因此，有必要研究开发适用于隧道工程的新型围岩变形超前实时监测方法和技术，以满足日益增长的隧道施工安全监测的要求和理论研究的需要。基于布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time DomainReflectormeter，缩写：BOTDR)的分布式传感技术是近年来国际上在光电信息领域兴起的一项尖端技术，它除了具有一般光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，还具有分布式(超高密度连续测点)、实时在线测量、可直接测量光纤上任意点的应变和温度信息等优点；根据隧道围岩变形的特点，还可以计算得到应力、位移等多项物理指标。

BOTDR分布式光纤传感技术已用于通讯、土木、水利、能源、交通等领域，在桩基、隧道结构、边坡、基坑等监测方面也有大量工程应用。但是，由于地下工程具有隐蔽性、地质条件复杂，而且BOTDR设备昂贵，监测系统设计较为复杂，造成BOTDR技术还未应用于隧道围岩等典型的地下工程中。特别是在隧道围岩超前变形监测方面，还没有较完善的技术手段。

发明内容

针对隧道常规监测方法和手段的不足，本发明的目的在于，提出一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法。

本发明实现其发明目的采取的技术方案是：

一种隧道围岩变形分布式光纤监测方法，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积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分布式监测。

本发明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处相对于基点的挠度(即位移)ω(z)为