[发明专利]基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道监测系统，具体涉及一种利用分布式长标距光纤光栅传感器对隧道衬砌结构进行健康监测的方法，属于土木工程监测技术领域。

背景技术

隧道工程与其它工程相比具有隐蔽性，复杂性，不确定性等特点，隧道结构及其受力变形过程比较复杂，因而增大了施工过程中的难度和风险。同时，由于地质条件、外界环境、列车震动等诸多因素的影响，隧道结构的健康状况正随着运营时间的增长而逐步恶化。因此，加强隧道结构日常监控措施，及早发现隧道在日常运营期内各种破坏特征，对隧道结构进行及时有效的管养和维修，能够有效降低隧道结构在服役期内的总维修费用。

目前，隧道监测技术可分为两类传统：“点式”测量方法及分布式光纤传感技术。在盾构实际日常监测中，传统“点式”测量方法因测量点数量较少、相邻点间距较大无法覆盖隧道纵横向全截面，不能及时有效的发现局部不均匀沉降等变形问题。光纤光栅传感技术因其传感机理成熟，精度和灵敏度较高，易构建多点或分布式传感网络等优点，已越来越多的用于大坝、桥梁、隧道等结构物的健康监测中。从隧道长距离长期全面监控的角度而言，分布式传感技术确实是传统“点式”监测技术的有效补充，可以实现隧道的全面监测，提高监测可靠性，能够很好的满足隧道长期实时监测的要求。

光纤光栅传感器在混凝土结构中的布设安装可以分为埋入式和表面附着式两种方法。埋入的光纤传感器必须能够经受住混凝土浇筑过程中的恶劣环境，必须考虑并具有足够的强度及抗化学腐蚀的性能，并能有效地测量所要求的参量。表面附着式的方法可以避免由于施工的恶劣环境带来的损伤，存活率较高；且施工更方便快捷，并且该传感器可轻微弯曲，布设方式灵活多变，适用于不同结构（隧道，桥梁，大坝等）形状的全面监测。

虽然基于分布式光纤传感技术的隧道健康监测在理论上是一种非常优越的技术,而且在实际工程应用中也取得一些成果。但它应用于土木工程中的时间比较短,光纤监测网络的优化设计,分布式传感光纤快速、无损的铺设,隧道结构运营期间的健康状况的判断,检测数据的实时采集和分析等还存在一些需要解决的技术难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，对隧道结构施工期及运用期的全寿命监测，实现对隧道结构纵向沉降、净空收敛、接缝变形、管片内力、应变等的动态实时监控。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统，包括传感器和信息系统，所述传感器为分布式长标距光纤光栅传感器，包括：

第一传感器，位于隧道的拱顶及底部，且沿隧道的长度方向全长布置，用于监测隧道的沉降；

第二传感器，沿隧道衬砌结构的内表面环向布置，用于监测隧道的直径变化；

温度补偿光纤，嵌于隧道衬砌内，用于消除温度对结构应变测量的影响；

相邻的第二传感器连接形成传感器串联监测体系。所述信息系统用于采集、处理、传输、接收分布式光纤光栅传感器的数据。

所述分布式长标距光纤光栅传感器的标距包括套设于光纤光栅外部的隔胶管和两端的锚固段，所述标距的长度为0.1~2m，标距的选择应依据传感精度和量程综合考虑。可以使用光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)及基于布里渊散射机理的光纤传感器。

作为优选，为了更为精确地监测每个相邻管片的环向接缝宽度及环间接缝宽度，所述标距设置于管片的接缝处，用于监测传感器布设位置处的缝宽变化情况。

作为优选，还包括布设在外侧主筋位置上的管片应力传感器，每组测点由两个传感器并列构成。

作为优选，所述信息系统包括依次连接的现场监测子系统、远程监测子系统和远程用户。可以实现全寿命期隧道结构的实时、无线监测。

本发明同时提出上述基于分布式长标距光纤光栅的隧道结构监测系统的监测方法，包括以下步骤：放线→清理表层混凝土→清除表面灰尘→安装传感器→连接光纤信号线→封闭传感器→作保护标识→数据采集、传输和分析。

该技术的核心思想是在监测范围内沿隧道轴向及横断面全面布设分布式光纤光栅传感器，监测隧道的纵向沉降及盾构隧道各环接缝的变化情况，确保隧道在满足使用安全性的同时，预警渗漏水/混凝土拉裂等病害的产生，保证线路的运营安全。并且通过对量测结果的分析整理，对可能发生的安全隐患或事故进行分析和判断，采取相应的保护措施，消除安全隐患。