[发明专利]一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统

说明书

本发明公开了一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，包括多个单位光纤光栅传感器、光纤传感器连接管、传输光缆、接线盒、波长解调仪、上位机。通过在隧道相邻管片裂缝处、隧道顶部以及隧道环向断面处依次安装光纤光栅传感器并制成传输光缆以便铺设。当隧道结构发生变化时，预拉过的光纤光栅张力将会发生变化引起波长漂移，通过解调仪将监测到的波长数据传输到上位机中处理，得出相应整体隧道直径收敛、隧道纵断面沉降以及盾构环间接缝宽度等变化量。该系统可实现实时在线监测隧道结构健康，避免了人工监测隧道结构的不便与危险性，提高了隧道结构健康监测的实时性和准确性。

技术领域

本发明属于隧道安全技术领域，更具体地说，涉及一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统。

背景技术

随着城市建设的高速发展，城市地铁和地下隧道公路建设数量和规模都在不断扩大。然而在隧道施工阶段以及后期在自然环境和使用环境中受到外界重力的影响，隧道的顶部、隧道内壁以及隧道管片之间的裂缝将会出现下沉、变形或是管片之间裂缝增大的情况。隧道沉降、变形可能会引起隧道塌方，造成交通事故，极大威胁到施工人员以及后期使用过程中人民群众的生命安全。目前隧道沉降的监测方式主要是采用人工监测，这种方式无法实现实时监测，同时存在较大的测量误差。因此提出一种可实时、准确监测隧道沉降的方法显得尤为重要。

近年来光纤传感技术发展迅速，在工业生产和城市建设等各个方面被广泛使用。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)感测技术是近年来兴起的工程监测领域一类新的监测技术和手段，具有准分布式、精度高、自动化、抗干扰抗腐蚀性强等特点，可用于隧道结构等大型线性工程的实时在线监测。在被测大型结构上，安装大量具有不同中心波长的FBG传感器，将各FBG传感器通过光纤连接在一起，形成了光纤传感网络，采用波分复用技术，构成准分布式光纤光栅传感系统进行多点测量，并通过计算机对传感信号进行远程监控，可以实现对大型建筑物内部状态的连续实时的准分布式监测。

申请号201510816515.3的发明提供了一种利用光纤光栅传感器测量隧道顶部沉降和收敛位移的方法。该方法可通过测量基于剖面变形的坐标点移动距离和角位移，实现精确地测定收敛位移及顶部沉降。但是该发明内容忽略了隧道沉降是一个整体变化，没有监测隧道内壁两侧在沉降过程中的变化量。存在局部测量隧道沉降的缺点，没有做到全方位监测隧道沉降。

申请号202010030488.8的发明提供了一种隧道底板沉降监测装置及方法。其中，隧道底板装置主要包括光纤光栅传感器、光纤光栅沉降管和解调仪。该方法可实现长距离监测隧道沉降的情况，但存在监测到的是数据只是单个方向上的应力变化，同时没有构成光纤传感技术的分布式测量，存在监测数据不完整的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明是提出一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，由于光纤传感器在传输过程中具有长距离、低损耗、耐腐蚀和电绝缘性等特点，可作为应变、位移、湿度以及温度等物理参量的探测元件，并且测量灵敏度高和精度高。采用本监测系统可实现隧道结构健康的多方位实时监测，提高了施工期间和后期使用过程中的安全性，解决了人工监测的局限性，提高了隧道沉降监测的实时性和精确度，保证了施工人员的人身安全。

本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤传感的多方位隧道结构健康在线监测系统，包括：

多个单位光纤光栅传感器、光纤传感器连接管、传输光缆、接线盒、波长解调仪、计算机；

其中，所述传输光缆固定于隧道内壁，多个单位光纤光栅传感器串置于传输光缆上，采用三路单位光纤光栅传感器，与传输光缆构成分布式传感网络；每一单位光纤光栅传感器通过一光纤传感器连接管包覆进行保护；所述分布式传感网络用于同时监测隧道中纵向、横向以及断面直径的沉降变化情况，以及盾构环间接缝宽度变化情况；所述传输光缆通过波长解调仪连接计算机，通过计算机进行数据处理，综合分析得出隧道沉降位移量、断面直径变化量以及盾构环间接缝宽度大小变化量。