基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的制作方法

本技术属于隧道沉降监测，具体涉及基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置。

背景技术：

1、由于施工扰动和地层差异，隧道结构在运营期间不可避免的会出现不均匀的沉降，影响隧道结构的安全。目前，对于隧道结构的沉降监测主要采用全站仪和静力水准仪来实现，而这些方式存在布点离散、监测效率低且监测成本高等问题。为了实现隧道结构的自动化监测、提高隧道沉降的监测效率，亟需寻找一种更为合适的监测方式。

2、光纤传感技术在尺寸、成本、寿命、分辨率、抗电磁干扰能力和抗恶劣工况能力等方面具有诸多优势，受到了国内外学者和工程师的广泛关注。目前也有相应的基于光纤传感技术的隧道监测方法，如中国实用新型专利，公开号cn104807414a，公开了一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道沉降变形监测方法，但该方法在隧道沉降监测中存在以下问题：(1)与材料力学假设不符，结构不能作为线弹性材料；(2)该算法需要边界条件，而实际工程中这些边界条件并不明确；(3)计算模型为纯弯模型，而实际中会存在侧摩阻力和剪力干扰计算结果。又如中国实用新型专利，公开号cn103591930a，公开了一种分布式光纤监测隧道沉降的装置和方法，但是该方法没有考虑隧道水平张合对光纤应变测试结果的影响，导致所监测的数据为水平张合和竖向沉降的共同影响下的变形，会造成沉降监测的不准确，不能通过相关规范设计值进行预警，此外，该方法存在布线复杂、对布设人员的要求较高等问题，不利于实际隧道监测的应用。又如中国实用新型专利，公开号cn113483731a，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，该监测系统不仅没有考虑隧道水平张合对监测结果的影响，还排除了温度对应变监测结果的影响，这将造成所监测的数据完全不能反映隧道的沉降变形。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置。

2、为实现上述目的，达到上述技术效果，本实用新型采用的技术方案为：

3、基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置，包括测量支座、光纤和分布式光纤解调仪，所述光纤敷设于测量支座上，所述光纤与分布式光纤解调仪相连。

4、进一步的，所述测量支座呈工字型，设置有若干个，所述测量支座之间首尾相连，连续布设。

5、进一步的，所述测量支座包括平行设置的两根伸缩杆、六个基板和一根限位杆，每根伸缩杆相对的两端对称设置基板，每根伸缩杆中部设置有一个基板，所述伸缩杆与基板同轴设置，所述限位杆设置于测量支座的中心位置，所述限位杆相对的两端分别与位于伸缩杆中部的基板相连，所述限位杆上设有弹簧。

6、进一步的，所述测量支座中位于其中一个伸缩杆中部的基板和位于余下一个伸缩杆相对两端的基板上设置第一固定支座和第二固定支座，余下的所有基板上只设置第二固定支座，所述第一固定支座上连接有光纤的应变感测光纤一，所述第二固定支座上连接有光纤的温度感测光纤和应变感测光纤二。

7、进一步的，所述第一固定支座包括第一卡扣、第一基座、第一环形橡胶和第一外壳，所述第二固定支座包括第二卡扣、第二基座、第二环形橡胶和第二外壳，所述第一基座和第二基座上分别设有螺孔，所述第一环形橡胶和第二环形橡胶分别与第一外壳和第二外壳同轴设置，所述第一固定支座上设有弧形凹槽，所述第二固定支座上设有线形凹槽。

8、进一步的，所述光纤包括温度感测光纤和应变感测光纤，所述温度感测光纤呈一字型布设在测量支座表面，所述应变感测光纤呈三角型布设在测量支座表面。

9、进一步的，所述应变感测光纤包括应变感测光纤一和应变感测光纤二，所述应变感测光纤一和应变感测光纤二围成三角形结构，所述应变感测光纤二呈一字型敷设在测量支座表面。

10、进一步的，所述温度感测光纤采用通讯光缆，所述应变感测光纤采用分布式紧包应变感测光缆或密集分布式应变感测光缆。

11、与此同时，本技术还公开了如上所述的基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的安装方法，具体包括以下步骤：

12、步骤一：根据隧道管片的大小，确定测量支座的布设位置，通过基板上的螺孔，采用铆钉或螺栓将测量支座固定在隧道管片上；

13、步骤二：采用三角型和一字型分别敷设应变感测光纤一和应变感测光纤二，敷设的同时对其进行预拉伸，预拉至设定值后分别通过第一卡扣和第二卡扣将应变感测光纤一和应变感测光纤二固定，待应变感测光纤布设完毕后，按一字型布设温度感测光纤，使其保持松弛状态，然后采用第二卡扣将温度感测光纤与第二固定支座固定，根据测量范围，依次完成所有测量支座和其上光纤的布设工作；

14、步骤三：将所布设的应变感测光纤一、应变感测光纤二、温度感测光纤进行串联，并通过光纤跳线接入分布式光纤解调仪，通过所建立的隧道沉降与光纤应变之间的等式关系，自动实现隧道沉降的监测。

15、基于分布式光纤传感技术的盾构式隧道沉降自动监测装置的监测方法，包括以下步骤：

16、相邻三个第一固定支座与应变感测光纤一围成三角形结构，应变感测光纤一的长度记为l，位于同一水平线上的两个第一固定支座之间的水平距离记为2d，位于同一水平线上的两个第一固定支座与余下的一个第一固定支座之间的垂直距离记为s；伸缩杆的伸缩量与隧道管片的长度呈正比；

17、当两个相邻隧道管片发生仅相对沉降时，相邻第一固定支座间的应变感测光纤一所产生的应变为ε1，温度感测光纤所产生的应变为εt，则通过相似三角形原理，隧道的沉降表示为：

18、

19、当相邻隧道管片不仅发生相对沉降还产生水平方向张合时，应变感测光纤一、应变感测光纤二所监测的应变分别为ε3和ε2，温度感测光纤所监测的应变为εt；由于竖向的沉降，使应变感测光纤一所产生的应变为εs1，而使应变感测光纤二所产生的应变可忽略不计；由于水平张合，使应变感测光纤一所产生的应变为εh1，而使应变感测光纤二所产生的应变为εh2；由于温度变化，使应变感测光纤一、应变感测光纤二所产生的应变均为εt；

20、因此，由于竖向的沉降使应变感测光纤一所产生的应变εs1表示为：

21、εs1＝ε3-εt-εh1

22、其中，

23、则隧道的沉降表示为：

24、

25、任一隧道管片的沉降量表示为：

26、

27、其中，式中yn-1为相邻上一隧道管片的沉降量。

28、与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

29、1)本实用新型通过建立隧道沉降量与光纤应变之间的等式关系，将隧道的沉降转化为光纤的应变变化，通过对光纤应变的测量即可确定相邻隧道管片间的相对沉降，可实现盾构式隧道沉降的自动化监测，提高盾构式隧道沉降监测的效率并降低监测成本。

30、2)本实用新型设计了可调节的测量支座，降低了光缆布设难度并增加了光缆灵敏度的可调节范围。

31、3)本实用新型不仅考虑了水平张合量对沉降计算的影响，而且考虑了温度变化所导致的差异，可实现温度自补偿和水平张合量补偿，提高隧道沉降监测结果精度。