盾构隧道管片接缝定点感测光缆二维变形监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分布式定点感测技术的盾构隧道接缝二维变形监测方法，利用分布式光纤采集变形(应变)信息；通过相邻管片上以正交和斜交方式安装的定制的感测光缆，测定相邻两个管片接缝之间的二维变形情况，从而得到隧道整体变形及局部管片变形情况；感测光缆作为传感器，通过感测光缆感知相邻固定夹具之间的距离及变形的变化实现盾构隧道的二维变形监测，根据解调技术及不同的监测施工环境选择不同的感测光缆。系统包括感测光缆、固定夹具、保护套管、信号传输光缆以及光信号解调仪组成。本发明可以对盾构隧道管片接缝变形进行实时分布式测量，具有分布式监测、监测范围大、感测装置简便、安装方便以及自动化监测等特点。
【专利说明】
盾构隧道管片接缝定点感测光缆二维变形监测方法
技术领域
[0001] 本发明属于隧道工程、岩土工程、测量工程领域，尤其涉及一种可以将盾构管片接 缝的拉伸、收缩变形错台实时测试出来的分布式监测方法。
【背景技术】
[0002] 盾构法施工以其自动化程度高、施工速度快、不受气候影响、对地面建筑物和地面 交通影响小等优点，成为城市地铁建设施工常见的一种施工形式。盾构隧道的健康监测是 涉及列车运行安全及人们生命财产安全的一项必不可少的工作。
[0003]由预制管片拼接而成的盾构隧道，其结构刚度明显低于管片刚度，因此隧道整体 变形往往集中在管片接头处的张开、闭合或者错位上。管片隧道变形监测通常采用的方法 是全站仪整体观测和接触式位移计局部监测。
[0004] 采用全站仪对隧道进行整体变形沉降监测，其原理是定期人工测试隧道外部不动 点及隧道内一定距离点的相对高程来确定隧道的变形情况。然而，这种方法只能确定隧道 的整体变形，不能监测到局部管片接缝间的张开、闭合错位等变形。另外，全站仪测试需要 人工现场测试，不利于系统集成，同时测点的增加也伴随着监测成本的成倍增加。
[0005] 采用接触式位移计对隧道管片变形进行监测，虽然可以准确高精度地测试得到每 个管片接缝的张开、闭合，但是对每个管片都进行监测实施的可能性很小:一是因为测线的 冗杂；二是因为解调仪器负荷过重。同时，该技术不能监测到管片的错位变形，管片的错位 变形也会对传感器造成一定的损害。
[0006] 以上两种方法除了成本高昂、难以系统集成、易于受电磁干扰以外，它们都不能达 到真正意义上的分布式测量。而分布式光纤感测技术近年来得到了迅速发展，其分布式、长 距离、防腐蚀、抗干扰等突出优点，使这类技术在实际工程监测中不断得到推广和应用。其 中，基于先进的布里渊光时域反射测量技术(B0TDR)、布里渊光时域分析技术(B0TDA)、布里 渊光频域分析技术(B0FDA)等分布式光纤应变测量系统，在基坑、隧道、输油管道、各类粧基 系统中已得到广泛应用。
[0007] 本发明针对全站仪及位移计对盾构隧道管片变形监测的不足，尝试用光纤监测技 术的分布式优点，结合特殊的感测光缆的布设方式，来达到系统监测盾构隧道管片接缝的 二维变形的目的。尤其是盾构隧道管片接缝定点感测光缆二维变形监测。
【发明内容】
[0008] 本发明目的是，提供一种分布式、长期、长距离、实时的盾构管片二维变形监测方 法。尤其是盾构隧道管片接缝定点感测光缆二维变形监测方法与系统。
[0009] -种基于分布式定点感测技术的盾构隧道接缝二维变形监测方法，利用分布式光 纤采集变形(应变)信息;通过相邻管片上以正交和斜交方式安装的定制的感测光缆，测定 相邻两个管片接缝之间的二维变形情况，从而得到隧道整体变形及局部管片变形情况；
[0010] 感测光缆作为传感器，通过感测光缆感知相邻固定夹具之间的距离及变形的变化 实现盾构隧道的二维变形监测，根据解调技术及不同的监测施工环境选择不同的感测光 缆。
[0011]连续布设多个定点夹具固架，适用于长距离大范围监测，实现分布式监测管片接 缝变形。
[0012]定点夹具与管片的固定，夹具通过冲击钻打孔、铆钉枪锚固在盾构管片上，打孔深 度为5mm-10mm，夹具随着管片的变形而产生应变；
[0013]感测光缆与定点夹具采用保护套管通过螺丝旋紧压合的方式相固定，夹具的移动 将引起感测光缆的拉伸或压缩；
[0014] 固定夹具之间的距离大于相应分布式感测解调技术的最小分辨率;管片与管片之 间的固定夹具之间的距离小于l〇cm ·
[0015] 定点夹具和感测光缆之间设有护套，用以减小金属夹具对感测光缆的破坏；
[0016] 可按照要求设置测试频率及测试参数，并通过远程将测试数据发送至数据处理软 件中，直接得到隧道管片接缝二维变形结果。
[0017] 本发明基本原理:盾构隧道管片接缝定点感测光缆二维变形监测方法的基本原理 是利用安装于管片上的定点光缆变形来测定管片变形。进一步解释为:管片的二维变形可 通过相邻管片上以正交和斜交方式安装的定制光缆变形测定，即通过对感测光缆的监测应 变进行积分计算和三角变换即可得到相邻两定点间的相对位移情况，进一步得到相邻两个 管片接缝之间的二维变形情况。正交布设光缆受拉则表明两端的管片接缝在张开，受压则 表明光缆两端的管片在闭合;斜交布设的光缆受拉、受压表明两端管片在剪切平错变形。通 过测量正交和斜交光缆的变形，据此来监测管片接缝的二维变形，如图1所示。
[0018] 光纤的应变大小与管片接缝张开、闭合量的关系（附图1中的U的大小)可表示为：
[0019] Li = e . L (1)
[0020] 式中1^为管片接缝张开、闭合的大小，数值为正表示管片接缝张开，数值为负表示 管片接缝闭合；ε为测试得到的光纤应变值，数值为正表示光纤拉伸，数值为负表示光纤压 缩;L为两个固定夹具之间的距离，此距离要大于光纤解调仪的空间分辨率。
[0021] 光纤的应变大小与管片接缝错台量的关系可表示为：
[0022] (L2+e · L2)2 = L2+(L+1)2 (2)
[0023] 式中L2为附图1中两定点夹具之间的距离，为一固定值；ε为测试得到的光纤应变 值，数值为正表示光纤拉伸，数值为负表示光纤压缩;L为L1两端夹具之间距离；1为管片接 缝错台量，数值为正表示垂直方向上相对远离，数值为负表示垂直方向上相对靠近。整理 后，管片接缝错台量1可表示为：
[0025] 由LdPl综合即可得到管片二维变形情况，同时根据光纤应变发生位置可实现对 管片的定位。
[0026] 本发明的盾构隧道管片接缝二维变形监测特征：
[0027] (1)分布式感测特征:解调仪采用分布式光纤感测技术，即各定点夹具固定点间的 感测光缆可感知连续伸缩缝(如发生)的二维变形信息。
[0028] (2)二维变形感知:可采用一根的特殊布设来实现管片接缝拉伸、压缩及错台变形 的同步监测。
[0029] (3)定点式监测：该监测系统获取的是固定夹具之间的相对距离变化信息，可通过 确定定点夹具的位置获得管片接缝二维变形的发生位置及变形的大小。
[0030] 本发明的有益效果：
[0031] (1)分布式监测，一根光缆即可实现对监测范围内每个管片接缝二维变形的连续 实时监测，不仅能够监测到隧道的整体变形情况，而且能够捕捉到每个管片的细节变化特 征。
[0032] (2)长期监测，感测光缆耐腐蚀抗老化，传感器件不会因时间太长而失效，符合隧 道工程服役时间长、变形发展慢的监测要求。
[0033] (3)监测系统安装简便，定点夹具的安装和感测光缆固定在定点夹具上是监测系 统安装的主要内容，相对点式感测装置的布设，该系统可在较短时间内完成大面积的布设。
[0034] (4)自动化监测，可通过光纤解调仪实现无人值守自动化监测数据采集，同时亦可 实现远程控制监测数据采集传输，实时获取隧道变形信息。
【附图说明】
[0035] 图1是基于光纤定点监测技术的盾构管片接缝二维变形监测系统整体示意图； [0036]图2是固定夹具及公片(2A、2B)和保护套管示意图（2C);
[0037] 图3是光纤解调仪得到的光纤应变结果与实际位移大小的关系图。
【具体实施方式】
[0038] 图1、2中，1-盾构隧道;2-盾构隧道管片；3-管片接缝;4-测试光缆;5-分布式解调 仪;6-显示器;7-数据处理系统;U为管片接缝张开闭合测试段;U为管片接缝错台测试段， L2为管片接缝错台测试段。。11-螺纹孔；12-光缆固定卡槽；13-夹具公片；14-铆固孔;15-夹 具母片；16-保护套管。基于光纤定点监测技术的盾构管片接缝二维变形监测系统整体示意 图。
[0039] 监测系统简述:该监测系统涉及的监测装置由感测光缆、固定夹具、保护套管、信 号传输光缆、光纤解调仪和数据处理软件等组成。固定夹具根据监测要求布设于待监测的 管片接缝上，感测光缆贯穿各固定夹具上，相邻夹具之间的感测光缆以被拉伸的形态固定， 测试光缆通过信号传输光缆引出隧道，由分布式光纤解调仪解调出光纤应变信息，数据处 理软件则根据应变信息计算得到管片的二维变形信息。当监测区间内管片发生变形时，两 端的固定夹具之间的光缆产生相应的拉伸或者压缩，从而通过光缆的应变信息及应变发生 位置，计算得出管片的二维变形及发展情况。
[0040] 监测系统安装特征：（1)盾构管片上打孔应尽量减小对管片本身的损害，孔深以 5mm-10mm为宜，既不会影响管片本身，又可以把夹具固定住。
[0041] (2)固定夹具点，通过确定夹具的位置以达到日后监测过程中管片接缝位置定位 的目的；通过确定夹具架之间的距离，达到日后通过感测光缆应变计算夹具之间距离变化 量。
[0042] (3)保护套管安装，通过保护套管的安装可以尽量减小金属夹具对感测光缆的破 坏。
[0043] (4)夹具与管片固定，将夹具通过铆钉枪锚固在管片上，以确定夹具与相应位置的 管片同步变形移动。
[0044] (5)夹具与感测光缆固定，感测光缆与夹具之间用螺丝旋紧以保证夹具的移动变 形引起感测光缆的拉伸(压缩）。感测光缆施加预拉力，使夹具之间的感测光缆在初始状态 处于受拉状态，从而确保日后相邻夹具相靠近移动时的监测效果。
[0045] 基于分布式光纤感测技术的盾构隧道管片接缝二维变形监测系统，其实施的重点 是固定夹具的安装和感测光缆的布设，并且要保证感测光缆与固定夹具之间充分固定，从 而使得光纤的固定点与隧道管片接缝变形一致。光纤与固定夹具之间需要用保护套管保 护，使光纤不受金属夹具的损害。具体布设步骤为：
[0046] a)根据盾构隧道监测现场的实际情况以及监测要求合理选取监测区带，标明监测 区带的端点；
[0047] b)监测区间管片上采用激光打线仪标识直线，以保证沿监测方向保持固定夹具呈 直线，避免歪扭。
[0048] c)确定固定夹具位置，用记号笔在管片相应位置做记号。
[0049] d)将冲击钻在上述记号处打孔，采用与固定夹具母片配套的Φ 5的钻头，深度5mm-l〇mm为宜。用铆钉将夹具母片固定在打孔处。建议将所有母片固定好以后再统一固定光缆。
[0050] e)将所有母片固定好以后，在保持预拉力的情况下，预应力保持在能将光纤拉伸 2000με为宜。将光缆固定在固定夹具的卡槽内，同时盖上夹具公片，用平头螺丝旋紧固定。 [0051] f)将固定好的测线通过熔接机整合，通过信号传输光缆将测线引出隧道。
[0052] g)根据监测前对隧道本身健康状况评估，确定监测周期。光纤解调仪可按照即设 参数进行测试，将结果远程传输至数据处理软件中处理，直接得出隧道管片接缝变形情况。
【主权项】
1. 一种基于分布式定点感测技术的盾构隧道接缝二维变形监测方法，其特征是利用分 布式光纤采集变形信息;通过相邻管片上以正交和斜交方式安装的定制的感测光缆，测定 相邻两个管片接缝之间的二维变形情况，从而得到隧道整体变形及局部管片变形情况； 感测光缆作为传感器，通过感测光缆感知相邻固定夹具之间的距离及变形的变化实现 盾构隧道的二维变形监测，根据解调技术及不同的监测施工环境选择不同的感测光缆。2. 根据权利要求1所述的监测方法，其特征是连续布设多个定点夹具固架，适用于长距 离大范围监测，实现分布式监测管片接缝变形。3. 根据权利要求1所述的监测方法，其特征是定点夹具与管片的固定，夹具通过冲击钻 打孔、铆钉枪锚固在盾构管片上，打孔深度为5mm-10mm，夹具随着管片的变形而产生应变。4. 根据权利要求前所述的监测方法，其特征是感测光缆与定点夹具采用保护套管通过 螺丝旋紧压合的方式相固定，夹具的移动将引起感测光缆的拉伸或压缩。5. 根据权利要求1所述的所述的监测方法，其特征是固定夹具之间的距离大于相应分 布式感测解调技术的最小分辨率;管片与管片之间的固定夹具之间的距离小于l〇cm。6. 根据权利要求1所述的所述的监测方法，其特征是定点夹具和感测光缆之间设有护 套，用以减小金属夹具对感测光缆的破坏。7. 根据权利要求1所述的所述的监测方法，其特征是按要求设置测试频率及测试参数， 并通过远程将测试数据发送至数据处理软件中，直接得到隧道管片接缝二维变形结果。
【文档编号】G01B11/16GK106091975SQ201610642502
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月5日 公开号201610642502.3, CN 106091975 A, CN 106091975A, CN 201610642502, CN-A-106091975, CN106091975 A, CN106091975A, CN201610642502, CN201610642502.3
【发明人】施斌, 王兴, 王占生, 魏广庆, 李文峰, 刘建国, 孟志浩, 张振
【申请人】南京大学, 苏州市轨道交通集团有限公司, 苏州南智传感科技有限公司