沉管隧道變形監測及受力分析系統及其使用方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及基礎設施結構安全健康監測領域，具體而言是一種基于光纖傳感的沉管隧道變形監測及受力分析系統及其使用方法和用途。
【背景技術】
[0002]由于在經濟和技術上的獨特優點，尤其是水下連接和基礎處理的突破性進展，沉管隧道越來越受到工程界的青睞。與礦山隧道相比，沉管隧道受力上有其獨特之處，除了要受上覆靜荷載和過車荷載作用外，沉管隧道還受到浪動荷載以及水中離子的侵蝕，且大部分沉管隧道都修建在軟土海域或水域地區，對沉降和變形非常敏感。現階段對沉降問題研宄的很多，對應變研宄的較少。對沉降的控制只能反映管節豎向變形，不能完整反映管節內外受力情況。應變是材料與結構的重要物理特征參量，最能反映局部結構特征、便于結構安全評價和損傷定位。因此，沉管隧道運營期間管節段應變監測顯得尤為重要。
[0003]目前，大部分沉管隧道沉降變形監測及健康診斷都由水準儀或全站儀完成，而少有對沉管隧道管片應變的實時測試及沉降和力的動態計算。本發明正是基于這一現狀，提出了一套采用光纖傳感技術測試沉管隧道應變的系統。其原理是使光纖光柵與管片監測點產生同步應變，由此使得光柵間距產生變化，同時由于光纖光柵的光彈效應，光纖光柵的折射率發生改變，這會使得探測光的反射波長較入射波長發生變化，由此可測的監測點處的應變。本發明具有結構緊湊、穩定性好、靈敏度高、抗電磁干擾、環境適應能力強等優點，另外發明可同時對隧道多斷面多點位進行監測，是一個沉管隧道變形的網狀監測及力的分析計算系統。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有的沉管隧道變形監測及內力計算的不足，提供一種基于光纖傳感的沉管隧道變形監測及受力分析系統，對沉管隧道施工及后期運營過程產生變形提供高精度的實時監測，并反演計算管片所受變形和外力情況。
[0005]一種沉管隧道變形監測及受力分析系統，包括至少一個安裝在沉管隧道斷面的光纖光柵傳感器組、光纖光柵解調儀和監控主機，光纖光柵傳感器組與光纖光柵解調儀通過傳輸光纖連接，光纖光柵解調儀通過無線遠端連接至監控主機，每個光纖光柵傳感器組包括6個用于監測沉管隧道斷面各監測點應變的光纖光柵應變傳感器和I個用于溫度校正的光纖光柵溫度傳感器，每個光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器分別與支路傳輸光纖相熔接，支路傳輸光纖匯集于干路總傳輸光纖，干路總傳輸光纖連接至光纖光柵解調儀，形成一套多斷面多點位的實時監測系統；所述光纖光柵解調儀發出探測光經傳輸光纖入射至測試區所有的光纖光柵傳感器中，由光纖光柵反射回的反射光又經光纖光柵解調儀解調，得到各傳感器反射光的波長信號；監控主機通過無線遠程數據傳輸網絡與光纖光柵解調儀進行數據傳輸，并對數據進行處理，以得到各監測點的應變；
[0006]所述光纖光柵應變傳感器的光纖光柵是采用相位掩模法制得，所述相位掩模法為:將光敏光纖貼緊于相位光柵掩模板，利用相位光柵掩模近場衍射所產生的干涉條紋在光纖中形成周期性擾動的折射率，從而形成光纖光柵，其中所述相位光柵掩模板的槽形深度為234±10nm、占寬比為0.5 ；
[0007]所述監控主機數據處理為:首先將原數據繪制成光譜圖，后經高斯擬合將原本離散的數據擬合為若干單峰譜曲線疊加而成，可得到各光纖光柵傳感器反射光的波長時程圖，利用公式A-Aci= CrfAB(l-p。)εΓ(λ為光纖光柵應變傳感器所測得波長值、Aci為光纖光柵布拉格波長、(；<為光纖與銅片間的粘貼系數，P。光纖有效光彈系數)，即可換算出得到各監測點的應變時程曲線。
[0008]所述監控主機數據處理還包括:將所測應變值帶入沉管隧道計算模型中，可反算出沉管隧道下臥層地基的地基剛度；通過對沉管隧道管片結構應變的監測，可根據管片的本構方程推知管片底部外表面的應力值，再采用分層總和法可算出基礎層及下部土層總最終沉降量S1= h !P1ZEsl, S2= h 2P2/Es2⑶為基礎層最大沉降量、S 2為土層最大沉降量、h ^基礎層厚度、h2為土層厚度、P i為基礎層上覆荷載、P 2為土體上覆荷載、E sl為基礎層壓縮模量、Es2為土體壓縮模量)；結合太沙基固結沉降理論可知截面t時刻的理論沉降量為S (t)= SfUzS2 (Uz為土體固結度)，然后截面下任意時刻地基剛度K⑴=?1/3(0，利用1((0再采用彈性地基梁法，即可計算出每個斷面的沉降差，也可計算出沉管隧道沉降隨時間的變化；再根據變形協調關系，進而可以反算出沉管隧道內力、外力隨著時間變化的大小。
[0009]所述光纖光柵應變傳感器是由光纖光柵粘貼于敏感元件線槽內再經封裝制得，當所述敏感元件受拉或受壓時，粘貼在線槽內的光纖光柵將隨之縱向拉伸或壓縮，光纖光柵中的應變將引起反射光波長教原來入射光發生漂移，由此來實現對監測點應變的測量；所述光纖光柵溫度傳感器是將光纖光柵置于傳感器盒預留的小槽內，再在小槽的兩端用固定膠將光纖光柵固定，待兩端固定后再往小槽內填充不固化的導熱膏，加蓋封裝制得，槽內的光纖光柵的變形只受溫度影響，因此測得的數據可用于對光纖光柵應變傳感器所測數據進行溫度修正。
[0010]所述光纖光柵解調儀包括:
[0011]I)鑰匙電源開關:插入鑰匙后順時針旋轉30度電源接通，回位后電源斷開；
[0012]2)電源指示燈:系統工作時常亮；
[0013]3)系統故障指示燈:系統內部發生故障時常亮；
[0014]4)網絡通信指示燈:以太網絡通訊是閃爍；
[0015]5)數據采集指示燈:系統通電自檢后常亮，表示可以采集數據；
[0016]6)通道指示燈:指示各通道當前工作狀況；
[0017]7)八路外接光纖通道:接口類型為FC/APC，外接各種光柵傳感器；
[0018]8)以太網絡接口:與無線調制解調器相連，發射代碼轉變為無線信號傳送至中央數據庫；
[0019]9)繼電器擴展接口:控制外圍設備；
[0020]10)系統調試接口:用于對系統進行調試；
[0021]11)通訊串口:和別的設備通訊；
[0022]12) SIM卡插口:通過SM卡將監測數據轉變為發射代碼；
[0023]13)電源線插口:連接外接電源，給光纖光柵解調器供電。
[0024]光纖光柵解調儀與監控主機之間的數據傳輸是通過無線遠程傳輸系統以無線遠程數據傳輸網絡媒介傳輸的，所述無線遠程傳輸系統由依次串聯的現場監測站的客戶端無線調制解調器、光纖光柵解調儀內客戶端傳輸程序、中央數據庫、用戶端無線調制解調器、監控主機內傳輸程序組成，每個監測點的監測數據都通過無線網絡傳輸到中央數據庫，中央數據庫對數據信息進行預處理和錄入，保證數據的準確有效性，監控主機獲取權限后可對中央數據庫內的數據進行訪問。
[0025]監控主機對中央數據庫數據訪問下載后，將原數據變換為各監測點的應變值，監控主機的分析系統再將所測應變值帶入沉管隧道計算模型中，即可反演推算出管片所受外力值。
[0026]另外，本發明還提供了沉管隧道變形監測及受力分析系統的使用方法，包括以下步驟:
[0027]I)測試元件制備:光纖光柵采用相位掩模法進行制備，制備過程中，控制相位掩模板的槽形深度為234±10nm和占寬比為0.5，所得光纖光柵的零級衍射效率可低至2%，且±1級的衍射效率也可達36% ;
[0028]2)測試儀器的安裝:選定沉管隧道監測斷面若干，每一個監測斷面布置有6個監測點，每個監測點固定一個光纖光柵應變傳感器，每個斷面固定I個光纖光柵溫