一种基于光纤光栅感测技术监测地面沉降区土体压缩的方法与流程

本发明属于地面沉降土体压缩监测应用领域。

背景技术：

城市地面沉降是在自然因素和人为因素作用下，由于地壳表层土压缩而导致城市区域性地面标高降低的一种城市环境地质现象。它是一种缓变的地质灾害，不仅对开发建设有严重影响，而且对现有城市建设、市政基础设施、农业生产、人民生活等造成直接损害，也造成运力下降、挡潮和排水等间接损害。伴随着近年来地面沉降范围的扩大，程度的加深，它对人类生存环境的影响也越来越大，使得一些城市尤其是沿海城市人们的正常生活受到影响，造成的经济损失也是巨大的，这引起了人们的广泛关注。

开展地面沉降调查与监测，掌握地面沉降现状，是有效开展地面沉降防治工作的基础。目前常用的地面沉降监测方法及特点有：(1)合成孔径干涉雷达自动化集成化程度高，信息获取全面，但成本较高，监测精度易受地面农作物等因素影响。(2)分层标与基岩标为点式测量，可实现不同地层的沉降压缩量监测，数据可靠性强，但建设成本较高，工艺复杂、施工难度大。(3)全球定位系统(gps)自动化集成化程度高，成本高，监测精度易受地面因素影响。(4)水准测量为面式测量，技术成熟，小范围内使用监测精度高，但自动化、集成化程度低，监测点失效可能性大。目前现有技术是对地面沉降监测进行面状测量，而纵深测量较少，已有的分层标为纵深测量，但安装工艺复杂、建设成本较高。结合各监测方法的特点，需探索一种集性能可靠、自动化程度高、观测精度高、数据量充足、监测效率高、施工简便和成本可控等为一体的新型传感监测技术。

光纤传感技术广泛应用于工程实践，如桥梁路面健康监测、大坝混凝土结构监测、隧道围岩监测、坡体变形监测等。其中准分布式光纤传感器即通过光纤将光栅串联起来，实现大范围内多点同时测量，具有监测精度高、频移清晰，采集精度高、采集设备类型多，耐腐蚀、抗干扰能力强、费用合理等优点。结合地面沉降土体监测项目的特点及采用准分布式光纤光栅传感技术开展地面沉降土体监测的实践应用，准分布式光纤光栅传感技术成为地面沉降监测的一种新型监测方法。

针对所申请发明创造的领域，与本申请应用方向接近的专利号为201310307719.5的一种地面沉降监测系统，其包括对该监测地区设置的各监测点的地下水位分别进行实时数据采集和监测的地下水位监测单元(11)，以及对各监测点的地下各土层的压缩量、膨胀量进行实时数据采集和监测的地下地层监测单元(12)。地下水位监测单元(11)水位监测装置为microdiver-di610微型地下水自动监测仪；地下地层监测单元(12)为各监测点开设的分层标孔内设置的分层标构成，分层标上设置对各土层的压缩量、膨胀量进行实时监测的传感器。各监测点的地下水位监测单元(11)和地下地层监测单元(12)将采集的数据输出至数据采集单元(20)进行存储和整理，数据采集单元(20)再输出数据至数据处理单元(30)对该地区的地面沉降进行分析和实时监控。数据处理单元(30)与显示单元(40)进行数据交换，显示单元(40)为用户的pc机构。具体结构图如图1所示。

分层标只能针对某一个钻孔一定深度以浅的土层开展土层的压缩量、膨胀量监测，其监测值只能反应一定层位土层的总变形量。若要获得不同层位的土体变形量，则需要在多个钻孔中设置不同层位的分层标，不仅需要占用较大面积的土地，而且钻孔施工的工作量大、分层标安装工艺复杂，造成多层位土体变形测量的建设成本高，难以推广使用。

技术实现要素：

相较于常用的地面沉降监测方法中存在的占用土地面积大、施工难度大、建设成本高、监测精度低、自动化程度低等不足，本发明采用准分布式光纤光栅传感技术进行地面沉降监测，具有监测精度高、自动化程度高、占地面积小、施工便捷、耐腐蚀、抗干扰性强、费用合理等优点。

本项目使用的光纤光栅应变光缆属于准分布式光纤传感技术。这种应变光缆的特点：(一)将布拉格光栅传感器(1)与光纤连接，因光纤(2)和光栅传感器自身脆弱，选用高强度、抗拉伸及剪切性能良好的玻璃纤维材质gfrp(3)作为光纤光栅外保护层，共同构成gfrp光纤光栅应变光缆(4)。(二)为尽可能降低因保护层过厚对光栅传感器应变监测效果的影响，gfrp材质(3)作为光纤光栅外保护层较薄，制成的光纤光栅应变光缆直径仅2mm，因此外界土体发生的压缩或膨胀变化更容易被内部光栅传感器(1)识别，可以避免保护层过厚降低光栅传感器对土体变形的敏感度。(三)土层压缩是局部土层纵向压缩的过程，对监测其变形的应变光缆会形成纵向挤压力，若使用一般光缆封装技术，线缆外保护层较软，光缆受挤压后会自身失稳变形，继而无法监测土层压缩量。gfrp材质(3)较硬，受挤压时不会发生线缆失稳变形。(四)此应变光缆可以根据实际情况定制，传感器(1)布局可因地制宜，可根据实际需求布设不同数量及不同量程的光栅传感器，光缆制作更加灵活。(五)钻孔底部原链路与回路连接段和钻孔外原链路引线段使用软质光缆连接(单芯铠装光缆)，便于光缆随形敷设，避免出现硬质光缆过度弯曲时光缆折断。光纤光栅应变光缆示意图见图2所示。

光纤光栅感测技术在地面沉降土体压缩监测中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

(1)光栅传感器两端加固

在光栅传感器两端安装加固模块，加固采用分段加固的方式，在光栅传感器两端1m范围内，至少间隔20cm使用加固模块加固一次，加固模块为橡胶管，2)安装过程需保证加固模块完整一体，加固过程中不能损伤加固模块；3)使用热熔胶填充应变光缆与加固模块空隙，并封堵加固模块两端，确保加固模块与应变光缆牢固连接。

(2)光纤光栅应变光缆底部与配重连接及保护

在应变光缆底部连接配重。要求配重总体为圆柱形，中空，顶部设有短接钢管，短接钢管内壁为反丝扣；底部切割成齿状，中空段底部封堵，便于扎入土层中，固定配重底部，同时土层不会进入配重内部；配重中上部焊连接管，连接管下部穿进配重内部，穿入段需打磨圆滑，用于将应变光缆穿进配重内；配重中部侧壁开窗，用于应变光缆原链路与回路连接及保护。

(3)光纤光栅应变光缆回路连接及保护

回路与原链路同时安装，二者通过连接管共同穿入配重内，回路与原链路固定于配重空腔内壁上。应变光缆原链路底端与应变光缆回路使用单芯铠装光缆连接，单芯铠装光缆固定于配重空腔内壁上，配重空腔内充填发泡胶，用于保护配重内光缆。

有益效果

本申请相对现有技术而言所具有的优点和效果如下：

1、光纤光栅传感器对土体变形反应灵敏，监测精度可达毫米级，该项技术的应用将有助于实现各土层内部变形量的精细化观测，准确掌握不同层位土层形变的特点，对于进一步分析区域地面沉降特点及变形机理大有裨益。

2、采用光纤光栅感测技术进行地面沉降监测时，可实现纵深大范围内多点同时测量，并且占地面积少、钻探工作量小、耐腐蚀、抗干扰性强、监测效率高、建设成本低。

附图说明

图1一种地面沉降监测系统

图2光纤光栅应变光缆示意图

图3加固后的光纤光栅应变光缆与配重连接

图4gfrp光纤光栅光缆加固(单位mm)

图5配重组成及尺寸(单位mm)

(a)配重侧视图

(b)配重俯视图

图6gfrp光纤光栅光缆回路连接

1.光栅传感器；2.光纤；3.玻璃纤维材质(gfrp)；4.gfrp光纤光栅应变光缆；5gfrp光纤光栅应变光缆回路；6.加固模块；7.连接管；8.短接钢管；9.内部反丝扣；10.配重中空段；11.侧壁开窗；12.配重底部齿状；13.配重底部挡板；14.单芯铠装光缆

具体实施方式

一种gfrp光纤光栅应变光缆，其特征在于：包括gfrp光纤光栅应变光缆原链路和gfrp光纤光栅应变光缆回路，在gfrp光纤光栅应变光缆原链路上设置加固模块，具体为在光栅传感器两侧分散固定若干加固模块，在传感器光栅传感器两端1m范围内，至少间隔20cm使用加固模块加固一次，光栅传感器两侧第一个加固模块与光栅传感器间距为10cm；加固模块为一体式橡胶管，外表面粗糙度ra不低于0.4；使用热熔胶填充应变光缆与加固模块空隙，并封堵加固模块两端。

gfrp光纤光栅应变光缆原链路和gfrp光纤光栅应变光缆回路均穿过配重，配重总体为圆柱形，中空，配重中部侧壁开窗；配重顶部设有短接钢管，短接钢管内壁为反丝扣，配重底部切割成齿状，且底部封堵；配重上部焊“连接管”，连接管下部开孔穿进钢管内部用于将应变光缆穿越配重内。

光纤光栅应变光缆安装的工艺

(1)光栅传感器两端加固

管土耦合是测量地面沉降有效与否的关键。gfrp光纤光栅应变光缆外保护层光滑，自身与回填土的摩擦力有限，二者耦合效果相对较差，而光纤光栅应变光缆与土体的耦合程度直接影响监测效果。为加大光纤光栅应变光缆与回填土摩擦，增强二者的耦合效果，保证应变光缆能够随土层变形而变形，需在光纤光栅传感器两端安装加固模块。

加固针对光纤光栅应变光缆中光栅传感器所在段，加固采用分段加固的方式，在光栅传感器两侧分散固定若干加固模块，增加应变光缆与土体的耦合效果。具体加固步骤如下：1)在传感器两端1m范围内，至少间隔20cm使用加固模块加固一次，光栅传感器两侧第一个加固模块与传感器间距为10cm。加固模块为一体式橡胶管，内径2.5mm、外径8mm、长度5cm，外表面粗糙，表面粗糙度ra不低于0.4；2)安装过程需保证加固模块完整一体，加固过程中不能损伤加固模块；3)使用热熔胶填充应变光缆与加固模块空隙，并封堵加固模块两端，确保加固模块与应变光缆牢固连接。

见图3、4。

(2)光纤光栅光缆底部与配重连接及保护

应变光缆自身重量较轻(约5kg/km)，仅靠自身重量难以下放到钻孔内，需在应变光缆底部连接配重。配重一方面可以辅助光纤垂直下放，另一方面配重底部切割成齿状，可以插入土体，能够保证光纤底部固定，确保监测有效。对于勘察钻常用的110mm孔径钻孔，要求配重总体为圆柱形，中空，总长800mm，最大外径76mm；顶部设有150mm长、直径50mm的短接钢管(内壁为反丝扣)，用于与钻杆连接下放及安装后与钻杆快速脱离；底部100mm切割成齿状，且底部封堵，便于扎入土层中，固定配重底部，同时土层不进入中空的配重内；配重上部焊“连接管”，管径10mm，连接管下部开孔穿进钢管内部，进入长度30mm，穿入段需打磨圆滑，用于将应变光缆穿进配重内；配重中部侧壁开窗(长150mm×宽76mm)，用于应变光缆原链路与回路连接及保护。

见图5。

(3)光纤光栅光缆回路连接及保护

gfrp光纤光栅应变光缆外被材质硬，大弯曲情况下容易发生折断。为防止光纤光栅应变光缆因损坏造成后端光栅传感器失效，在应变光缆底端增设光缆回路，回路与原链路使用单芯铠装光缆软连接，用于提高底部连接的柔性，便于随形保护，提高光纤光栅使用使用寿命。

回路与原链路同时安装，二者通过连接管共同穿入配重内，回路与原链路固定于配重空腔内壁上。光纤光栅应变光缆原链路与回路使用单芯铠装光缆软连接，连接处要使用铜管、热缩套保护。使用粘弹体胶带将单芯铠装光缆固定于配重空腔内壁上，空腔内充填发泡胶，做好防水、防挤压、防移动保护。

见图6。

(4)应变光缆下放

钻孔施工完毕，简单洗孔、测孔后，立即下放应变光缆。光缆前端配重与钻杆连接，通过钻杆将光缆顺入孔底。在孔口增加钻杆时，孔口处的钻杆卡钳不可扭转，以免应变光缆受扭损伤。下放时，光缆保持垂直，控制应变光缆下放速度，保持匀速下放(1m/s)。待配重到达孔底后，使用钻机通过钻杆将前端配重压入土层30m～40cm。做好孔口尾端应变光缆固定，防止应变光缆滑脱。该环节结束时需测试应变光缆，检验传感器是否正常。

(5)钻杆脱离、提取钻杆

按钻机钻进方向手动旋转钻杆2圈，同时监控光栅传感器数据，查看钻杆脱离过程中光栅传感器数据变化情况。判断钻杆与配重脱离后，上提钻杆。初始钻杆上提速度要缓慢(约0.1m/s)，同时监控数据变化情况，判断上提过程中各传感器数据无波动扰后，方可按照下放速度提取钻杆，提钻全程需监控数据变化情况。

(6)应变光缆预拉伸

待钻杆全部取出后，拉伸应变光缆顶部，实现对全孔各支光栅传感器预拉伸，以增大传感器测量范围。(7)光缆孔口固定、钻孔回填

预拉伸结束后，将应变光缆固定于孔口处。

(8)数据测试与传输

回填结束后检测各支传感器是否有效，并记录各支传感器数据。现场安装完毕后，将光纤光栅应变光缆地表部分与数据采集仪连接。各传感器的中心波长使用采集仪读取后，使用gprs模块连接到监控中心，实现监测数据自动采集与传输，完成数据采集仪与监控中心之间的数据交换任务。同时监控中心可远程调节现场设备，指定现场设备执行不同频率的数据采集。现场设备供电采用太阳能+蓄电池的方式。

1、本发明使用的光纤光栅应变光缆将布拉格光栅传感器封装在了内部，并且光缆外皮采用强度很高的gfrp材质。

2、在地面沉降土体压缩监测中，为了增大光纤光栅应变光缆与周围土体耦合作用，在传感器两端实施特殊加固的方法。

3、在地面沉降土体压缩监测中，使用光纤光栅应变光缆回路可以提高光栅传感器存活率。