高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装结构及安装方法与流程

本发明属于岩土工程安全监测技术领域，具体涉及高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装结构及其安装方法。

背景技术：

在岩土工程中必须安装安全监测仪器对现场的各个环节进行监测，以便在出现异常时进行预警从而及时采取对应手段。安全监测仪器如钢筋计、应变计、渗压计等一般采用差动电阻式、振弦式等电式传感器。近年来，随着长距离输调水工程的实施以及光纤光栅传感及解调技术的发展，基于光纤bragg光栅（fiberbragggrating,简称fbg）传感器在引水工程中逐步得到应用，这是由于光纤光栅仪器具有长距离信号传输、灵活组网、抗电磁干扰、绝缘要求低等等优势。

在隧道施工中安装监测仪器一直属于施工中的难点，因为隧道距离长、空间小、施工也较粗放，这就导致隧道施工对安全监测仪器的安装、保护难度相对其他工程来说要大，甚至根本无法安装，有时即使安装到位，但在隧洞浇筑过程中，也易对监测仪器造成损坏。而且，隧洞衬砌浇筑过程中的数据完全无法采集。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装结构及其具体的安装方法，能够实现在长隧洞之中对安全监测仪器的快速稳定安装。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装方法，包括如下步骤：

步骤一，开挖清基完成后，开始绑扎钢筋，在钢筋绑扎完成前在本仓内同步安装模板台车轨道，同时模板台车在邻仓混凝土位置装配完成，在同一隧洞监测断面钢筋上沿圆周方向安装多个光纤光栅监测仪器，在隧洞底部钢筋上固定易拆除的临时保护木箱，所述多个光纤光栅监测仪器接出的尾缆自临时保护木箱开口处引入临时保护木箱内；

步骤二，监测仪器尾缆进入临时保护木箱后，将这些尾缆逐个串联起来，保护木箱开口处与线缆之间的空隙采用膨胀泡沫密封，避免混凝土砂浆进入；

步骤三，将各光纤光栅监测仪器串接后与引到下仓混凝土的临时光缆连接，采用便携式光纤光栅解调仪测试是否能正常采集连接的全部监测仪器波长，如有波长重叠，则调整串接方式，直至正常测量；

步骤四，模板台车沿隧道轴向方向的轨道移入混凝土浇筑部位，在各项工作完后，模板台车展开，在其他异形部位用木模封闭后浇筑混凝土，在模板台车进入仓面后浇筑混凝土时，按要求的数据采集频次测量；

步骤五，混凝土完成初凝后，移走模板台车，将预埋的保护木箱挖出，连接仪器的引出尾缆直接在监测断面的仰拱部位逐个采集数据；

步骤六，衬砌施工完成后，拆除临时保护木箱并将其取出，将光缆熔接保护盒安装在临时保护木箱在衬砌内留下的空间，将光纤光栅监测仪器串联或并联后熔接到主光缆，调试完成后最后全部用混凝土回填。

进一步的，同一个监测断面的同一组内的光纤光栅仪器的波长测值不重复。

进一步的，光纤光栅监测仪器设至少1个光栅，当设置2个及以上光栅时，每2个光栅间设缓冲区0.5nm。

进一步的，所述步骤二中串联数量小于5个传感器或10个波长。

高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装结构，包括若干隧洞监测断面埋设安装单元，所述隧洞监测断面埋设安装单元包括临时保护木箱以及若干埋设在同一隧洞监测断面圆周上的光纤光栅监测仪器，各光纤光栅监测仪器均连接有尾缆，各光纤光栅仪器彼此串联或并联，所述临时保护木箱为梯形，其顶部具有可打开的盖板，一侧具有隧洞中长渠侧面相适应的斜面，箱体上设置有开口，各光纤光栅监测仪器接出的线缆均通过所述开口引入至临时保护木箱内，所述线缆用于连接临时光缆或主传输光缆。

进一步的，所述线缆外套设有保护管。

进一步的，所述保护管为pe管。

进一步的，所述临时保护木箱埋设在隧洞底部平台内，其顶面高度小于或等于平台顶面高度。

进一步的，所述开口设置在保护盒底面上。

进一步的，同一隧洞断面埋设安装单元内各光纤光栅监测仪器通过法兰串联用于进行施工期观测。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.有效保护监测仪器引出尾缆，提高仪器埋设完好率，同时可采集到衬砌浇筑后至模板台车移走这段时间内的监测数据，提高了监测资料的完整性，准确取得基准值，大大提高了其后数据监测的精确性。

2.同一个监测断面的光纤光栅仪器的波长测值尽量不重复，提高系统波分复用效率。

附图说明

图1为本发明隧洞立体示意图。

图2为隧洞监测断面示意图。

图3为临时保护木箱结构示意图。

图4为模板台车展开状态下隧洞断面示意图。

图5为光纤光栅传感器串联波长分布示意图，图中：①:应变波长区；②：缓冲区；③：温度波长区；④：缓冲区。

附图标记列表：

1-隧洞，2-临时光缆，3-监测断面，4-临时保护木箱，401-开口，402-斜面，403-盖板，5-光纤光栅仪器，6-尾缆，7-模板台车，8-模板台车支撑，9-混凝土衬砌，10-便携式光纤光栅解调仪，11-长渠。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装方法，包括如下步骤：

步骤一，开挖清基完成后，开始绑扎钢筋用于浇筑隧洞1，在钢筋绑扎完成前在本仓内同步安装模板台车轨道，同时模板台车7在邻仓混凝土位置装配完成，在同一隧洞监测断面3钢筋上沿圆周方向捆扎多个光纤光栅监测仪器5，这些仪器接出的尾缆6外套设pe管（也可采用其他具有一定强度的材料替换pe）作为保护，pe管用塑料扎带绑扎而不用铅丝，避免混凝土振捣时铅丝割断保护管及仪器引出尾缆，确保尾缆不受损伤。隧洞监测断面3大部分为扇形，隧洞底部为平台，平台中部设置有贯通整个隧洞的长渠11，长渠内用于设置主传输光缆，长渠截面为上大下小的梯形。在隧洞底部钢筋上捆扎临时保护木箱4。临时保护木箱截面为梯形，顶部宽30cm，底部宽40cm，高度为25cm，长度为100cm。临时保护木箱顶部设置有可打开的盖板403，底部设置有开口401，开口尺寸为20×30cm。上述多个光纤光栅监测仪器5接出的尾缆6沿断面扇形钢筋绕行后牵引向断面底部（如图2所示），并自开口处引入临时保护木箱内。临时保护木箱为木制，在隧洞断面浇筑完成后容易拆除取出。固定后的临时保护木箱的顶面高度应等于或略小于隧洞底部将要成型的混凝土平台的顶面高度，方便挖出临时保护木箱。需要说明的是，本发明所指隧洞监测断面沿隧洞轴向具有一定长度，通常为1至2m。

串联的fbg传感器阵列包含多个传感光栅，解调仪通过反射光波长“寻址”每一个光栅，因此串联的光栅波长应该具有唯一性，即传感器的波长在整个量程内要避免重叠，订货时要求同一个监测断面中同一组内的光纤光栅仪器的波长测值不重复，提高系统波分复用效率。光纤光栅应变计或钢筋计内一般设2个光栅（应变、温度光栅各1个），应变、温度光栅在传感器量程范围内波长变化幅度在1～3nm间。当然，也可以根据需要仅设置一个或设置更多数量的光栅。为提高解调仪根据波长寻址的可靠性，在每2个光栅间建议设缓冲区0.5nm，避免相邻的光栅在传感器量程范围内变化时波长重叠，波长分布一般如图5所示。

步骤二，监测仪器尾缆进入临时保护木箱后，打开盖板403，这些监测仪器应分成若干组，同一组中监测仪器的尾缆逐个用法兰进行串联从而串联各个监测仪器，一般串联数量小于5个传感器或10个波长，同一组内的光纤光栅仪器的波长测值不重复。各组串联后的监测仪器尾缆自木箱缝隙或木箱开孔引出木箱外，盖上盖板并进行固定，临时保护木箱箱体缝隙及其开口、开孔与尾缆之间的空隙均采用膨胀泡沫密封，避免混凝土砂浆进入。

步骤三，将各光纤光栅监测仪器分组串接后的尾缆接上临时光缆2，将临时光缆引到本仓混凝土之外，临时光缆与便携式光纤光栅解调仪10连接，如图1所示，这样在混凝土衬砌施工时可以正常进行数据采集。采用便携式光纤光栅解调仪能够测试是否能正常采集连接的全部监测仪器波长，如有波长重叠，则调整串接方式，直至正常测量。

经过上述步骤之后，高水头长隧洞中安全监测仪器的埋设安装结构已安装完成。如图1、图2所示，该结构包括若干隧洞监测断面埋设安装单元，每个断面埋设安装单元包括临时保护木箱4以及多个埋设在同一隧洞监测断面圆周上的光纤光栅监测仪器5，各光纤光栅监测仪器5均连接有线缆，各光纤光栅监测仪器5彼此串联或并联。如图3所示，临时保护木箱4为梯形，顶部设置有可打开的盖板403，其一侧具有隧洞中长渠侧面11相适应的斜面402，箱体上设置有开口401（开口以设置在底部为佳，但根据需要也可改变开口设置的具体位置），各光纤光栅监测仪器接出的线缆均通过该开口引入至临时保护木箱内，各光纤光栅监测仪器接出的线缆用于连接临时光缆或主传输光缆。

步骤四，模板台车沿隧道轴向方向的轨道移入混凝土浇筑部位，在各项工作完后，模板台车展开，如图4所示形成一个完整的扇形。在其他异形部位用木模封闭后浇筑混凝土。在模板台车进入仓面后浇筑混凝土时，应按要求的数据采集频次利用光纤光栅解调仪进行测量。浇筑完成后，断面埋设安装单元中的临时保护木箱以及光纤光栅监测仪器都被埋入混凝土中。

上述浇筑混凝土的步骤如下：

采用钢管泵送方式，从模板台车的活动窗口将混凝土送入。混凝土采用水平分层、对称泵送入仓浇筑。混凝土模板台车振捣采用附着式振捣器振捣，进料窗周边插入式振捣器振捣辅助。混凝土泵送软管从模板台车的进料窗口(从最底一级窗口逐渐上移)处注入混凝土。仓内薄层平铺，两侧边墙对称下料，单侧一次连续浇筑高度不超过1m，防止模板整体变形，认真平仓，防止骨料分离，确保连续浇筑，避免出现冷缝。

作为优选，混凝土振捣采用人工振捣棒和平板振捣器相结合的振捣方式，底部第2层窗口以下采用人工振捣，以上部位采用均匀布置的8个平板振捣器振捣。这样混凝土浇筑更为均匀。

步骤五，一般在混凝土浇筑后2-3天，混凝土完成初凝，模板台车移走，将预埋的保护木箱挖出，露出仪器的引出尾缆就可直接在监测断面的仰拱部位逐个采集数据。

步骤六，混凝土衬砌9施工完成后，光纤光栅监测仪器需要串联或并联后熔接到主光缆，此时可以拆除临时保护木箱并将其取出，将光缆熔接保护盒安装在临时保护木箱在衬砌内留下的空间，原有临时保护木箱内的线缆置入光缆熔接保护盒内，并根据需要对各线缆进行串联或并联，调试完成后最后全部用混凝土回填。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。