分布式光纖監測隧道沉降的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開一種分布式光纖監測隧道沉降的裝置和方法。本發明的監測裝置包括兩個相同的監測單元。監測單元包括分布式光纖、卡槽板。卡槽板為半圓形厚板，圓弧面開有斜槽，保證分布式光纖能卡入。卡槽板固定在每個隧道管片中線上，且相鄰兩個卡槽板連線與隧道縱向呈30°的夾角。分布式光纖沿卡槽板圓弧面從隧道一端到另一端折線布設，之后轉向直線返回到起點。將卡槽板與分布式光纖用膠粘固定，一個監測單元制作完成。在已有上述監測單元的隧道管片上，再布置一個相同的監測單元，使得這兩個監測單元沿隧道縱向中線對稱，即完成監測裝置的制作。本發明的監測裝置與數據采集儀連接，可實現地鐵隧道全天候實時自動的沉降監測，傳感數據溫度自補償，精度可達mm級，在遇到隧道內突發情況可及時發出報警。
【專利說明】分布式光纖監測隧道沉降的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種土木工程安全監測，具體涉及一種分布式光纖監測隧道沉降的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]據統計，近幾年來有將近30個城市已經獲批建設地鐵工程。而地鐵工程多建于地下巖土體介質中，工程地質條件和水文地質條件復雜，具有很多不確定性，隨著運營年限的增多或其它特定因素，會出現沉降變形過大及其次生病害。地鐵車站多采用樁基礎，沉降變形通常很小；而地鐵隧道區間采用天然地基，沉降變形相對較大，且歷時多年甚至幾十年，特別軟土地區。
[0003]地鐵隧道過量沉降變形是地鐵區間隧道工程的常見病癥，特別是沿海沿江軟土地區或軟硬地層交錯地帶。它會引發結構開裂、管片嚴重錯臺、密封失效、地下水滲漏、螺栓銹蝕、道床脫空、鐵軌下凹(沉降槽)、軌頂上調超限等次生病害。如不及時發現或預警，很可能誘發運行搖晃撞擊、洞內卡車、受電不良停車等安全事故。
[0004]目前對地鐵區間隧道的沉降觀測還是用通常的工程測量手段，即沿隧道縱向每間隔幾十米設置一個觀測點，利用水準儀或全站儀進行逐點觀測，經計算分析得到各點的沉降量(單次沉降量及累計沉降量)，判斷其是否超限，是否影響地鐵運營及其影響程度。
[0005]但是地鐵隧道不同于地面工程，采用通常的工程測量手段往往很難滿足目前地鐵隧道沉降的觀測工作。相對于地面沉降觀測，地鐵隧道沉降觀測通常面臨以下問題:(1)隧道內通視條件差。即使在開燈條件下也是光線昏暗，不利于水準儀或全站儀觀測。(2)洞內觀測的“時間窗口”短暫。地鐵屬于“封閉空間”，非停運時段不得進入，一般只能在凌晨I點至4點才準許進入。(3)洞內觀測只能從一端到另一端延續進行。洞內都屬于沉降變形區，不像地面可以沿線設置幾個基準點，可以多段進行。(4)洞內沉降觀測分點進行。沉降觀測點間距通常20-40米，特定條件下可加密至10米。同時觀測點未必能設置在沉降最大點處。(5)每次觀測時間持續較長。地鐵隧道區間多為Ikm左右，一次觀測需要2-3天。
[6]即使目前的自動化監測(“測量機器人”或靜力水準觀測)，也是對固定的觀測點(間距十幾米至幾十米)進行觀測，投資巨大，同時也是不能實行沿線連續性沉降觀測。鑒于上述特點，目前地鐵隧道沉降觀測多限于已經發現明顯沉降病害的區間段落，沉降觀測數據在縱向上不具備測點連續性(觀測點間距很小)特征，不利于沉降變形的全面了解和整體把握，容易導致險情遺漏。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種分布式光纖監測隧道沉降的裝置和方法，通過使用具有精度高、耐久性好、抗電磁干擾優良的分布式光纖傳感技術，實現地鐵隧道全天候實時自動的沉降監測以及突發情況的及時報警。
[0007]實現本發明目的的技術解決方案為:[0008]監測裝置包括兩個相同的監測單元。監測單元包括分布式光纖、卡槽板。卡槽板為半圓形厚板，半徑在8~IOcm,平面中心開有圓孔用于固定，圓弧面開有斜槽，保證分布式光纖能卡入。卡槽板固定在每個隧道管片中線上，且相鄰兩個卡槽板連線與隧道縱向呈30°的夾角。分布式光纖沿卡槽板圓弧面從隧道一端到另一端折線布設，之后轉向直線返回到起點。將卡槽板與分布式光纖用膠粘固定，一個監測單元制作完成。在已有上述監測單元的隧道管片上，再布置一個相同的監測單元，使得這兩個監測單元沿隧道縱向中線對稱，即完成監測裝置的制作。
[0009]本發明的監測裝置的安裝方法，包括以下幾個步驟:
[0010](al)將卡槽板固定在每個隧道管片中線上，且相鄰兩個卡槽板連線與隧道縱向呈30°的夾角；
[0011](a2)分布式光纖沿卡槽板圓弧面從隧道一端到另一端折線布設，保證每一折線段分布式光纖與隧道縱向呈30°夾角，之后轉向直線返回到起點；
[0012](a3)將卡槽板與分布式光纖用膠粘固定，一個監測單元制作完成；
[0013](a4)在已有上述監測單元的隧道管片上，再布置一個相同的監測單元，使得這兩個監測單元沿隧道縱向中線對稱，即完成監測裝置的安裝。
[0014]本發明的工作原理和方法如下:
[0015]當兩個相鄰隧道管片發生相對沉降時，監測裝置中兩條分布式光纖分別監測到的應變數據為h、S2，其中由于溫度影響產生的應變數據均為％，由于兩個相鄰隧道管片發生相對沉降產生的應變數據分別為e lx、e 2x。由上可得e F e t+ e lx，e 2= e t+ e 2x。已知一塊管片長度為L，分布式光纖一個折線段的高度為H，長度為L1，則根據三角關系，上述兩個
相鄰隧道管片發生相對沉降
【權利要求】
1.一種分布式光纖監測隧道沉降的裝置，其特征在于:監測裝置包括兩個相同的監測單元。監測單元包括分布式光纖(I)、卡槽板(2);卡槽板(2)為半圓形厚板，半徑在8~IOcm,平面中心開有圓孔用于固定，圓弧面開有斜槽,保證分布式光纖(I)能卡入。卡槽板(2)固定在每個隧道管片(3)中線上，且相鄰兩個卡槽板(2)連線與隧道縱向呈30°的夾角；分布式光纖(I)沿卡槽板(2)圓弧面從隧道一端到另一端折線布設，之后轉向直線返回到起點；將卡槽板(2)與分布式光纖(I)用膠粘固定，一個監測單元制作完成；在已有所述監測單元的隧道管片(3)上，再布置一個相同的監測單元，使得這兩個監測單元沿隧道縱向中線對稱，即完成監測裝置的制作。
2.一種基于權利要求1所述的分布式光纖監測隧道沉降的裝置的安裝方法，其特征在于，包括以下幾個步驟: al、將卡槽板(2)固定在每個隧道管片(3)中線上，且相鄰兩個卡槽板(2)連線與隧道縱向呈30°的夾角； a2、分布式光纖(I)沿卡槽板(2)圓弧面從隧道一端到另一端折線布設，保證每一折線段分布式光纖(I)與隧道縱向呈30°夾角，之后轉向直線返回到起點； a3、將卡槽板(2)與分布式光纖(I)用膠粘固定，一個監測單元制作完成；a4、在已有所述監測單元的隧道管片(3)上，再布置一個相同的監測單元，使得這兩個監測單元沿隧道縱向中線對稱，即完成監測裝置的安裝。
3.基于權利要求1所述的分布式光纖監測隧道沉降的裝置，其特征在于，其工作原理和方法如下: 當兩個相鄰隧道管片(3)發生相對沉降時，監測裝置中兩條分布式光纖(I)分別監測到的應變數據為h、e2，其中由于溫度影響產生的應變數據均為％，由于兩個相鄰隧道管片(3)發生相對沉降產生的應變數據分別為elx、e2x;由上可得S1= e t+ e lx, e2 =e t+ e 2x ;已知一塊管片長度為L,分布式光纖(I)一個折線段的高度為H,長度為L1,則根據三角關系，上述兩個相鄰隧道管片(3)發生相對沉降
【文檔編號】G01C5/00GK103591930SQ201310611472
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】丁勇, 俞設, 董雪花, 姚慶雄 申請人:丁勇