[发明专利]基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地铁隧道沉降变形监测方法，尤其是涉及一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法。

背景技术

随着工程测量技术、电子仪器技术、信息技术的发展，地铁隧道变形监测的理论和方法也取得了极大地发展。目前，地铁监测的内容主要集中在地铁隧道内的垂直位移监测(沉降监测)、水平位移监测(位移监测)、和收敛监测等，所采用的监测仪器和技术方法各不相同，其中自动化监测与多传感器融合是地铁隧道安全监测研究发展的重要方向。目前来说，传统的监测手段，如自动全站仪、静力水准仪和电子水平尺系统，相对来说比较成熟，但是这些方法具有共同的缺点：1)布点式监测：这样的监测方式布点具有离散性，关键或者危险的位置可能被漏测，存在监测盲区，不能全面把握地铁隧道的实际变形情况；2)成本高：传统的监测方法速度比较慢，一般都需要专业技术人员辅助，监测效率比较低，而且隧道工程环境通常比较复杂，仪器设备对温度、湿度、电磁场和其他环境因素比较敏感，常因仪器受潮或者生锈而导致设备出现故障，其维修与运行的成本较高；3)难以实现长距离和大范围的监测：隧道工程常常长达数百公里，要求监测区域的距离长、范围广，对这种长距离和大范围的监测对象，传统点式监测技术和手段通常无能为力；4)系统的集成化程度低：通常情况下，各种监测方法自成一体，彼此独立，集成化程度不高，严重影响了隧道监测工程的工作效率。

分布式光纤传感技术是近些年才发展起来的新型先进监测技术，也是近年来国内外工程领域广泛研究的热点课题，但是基于该技术的研究与应用目前还停留在关于隧道结构的应变场和温度场层面。近年来，学者们致力于找到应变与变形之间的转换关系，致力于探索盾构隧道结构变形间接监测的方式方法，目前使用最多的是应变二次积分法。由于二次积分法是力学里比较经典的计算结构变形的方法，因此使用范围很广，使用的领域也很多。但是二次积分法计算繁琐，需要求解微分方程，还要找到边界条件，确定积分常数。对于长距离的地铁隧道结构来说，若采用分布式光纤传感技术监测隧道结构的变形，使用应变二次积分的方法计算时需要对从起始边界点到监测点的一定长度内所有的平均应变数据进行积分，而这些平均应变数据都是带有测量误差的数据。随着监测距离的增加，积分数据的累积误差也随之变大，那么对于距离边界点较远的监测点来说，在积分过程中，由于使用了大量的带有误差的平均应变数据，这样势必会导致计算的结果偏离“真实情况”，那么监测的结果也就不再可靠，因此二次积分法在长距离地铁隧道结构监测中的应用会受到一定的限制，必须要找到一种更加合理的方法来计算结构变形值。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法，采用的应变与变形转换的算法，适用性更好，计算的结果也更加可靠。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明以材料力学共轭梁法计算变形为核心原理，通过合理的测段划分，降低了原始应变数据的误差累积影响，在此基础上对控制点的沉降值进行了等权分配，优化并改进了整个变形计算的算法，使计算出的结构变形结果更加接近实际变形。本发明算法的实质是利用实梁的位移曲线近似微分方程与虚梁的弯矩函数和荷载的密度函数之间的微分方程相似且边界条件相对应的关系进行计算。

一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法，具体包括以下步骤：

(1)先根据位移曲线近似微分方程，确定位移值与弯矩分布之间的关系；

(2)再根据材料力学共轭梁法，确定应变与沉降变形之间的转换关系，找到两者之间的显式线性方程；

(3)最后考虑控制点的沉降，通过等权分配将各控制点的沉降分配到每一个监测点，最终得到每个监测点的沉降值。

所述的步骤(1)具体为：

在计算位移时，有三个假定条件：1)结构处于弹性介质上，满足小变形的条件；2)材料特性均为线弹性；3)计算时剔除掉温度对原始应变数据的影响；

根据位移曲线近似微分方程可知，位移v、转角θ与弯矩M的微分关系式为：