塞8以及环氧树脂胶9,基准点1布设在距隧道轴线 水平距离3~5倍洞径的位置;监测点3以隧道轴线为轴呈对称状等间距分布;套管6下方设 置有固定支架5及混凝土底座4;空心圆管7固定在套管6内部，空心圆管7的内壁上设置有3 个凹槽10(第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽），第一凹槽与第二个凹槽、第三凹槽之间的夹 角分别为180°、90°，每个凹槽10内布设1根分布式光纤2;空心圆管7两端设置有止胶塞8;空 心圆管7内部注入环氧树脂胶9,将分布式光纤2与空心圆管7粘结为一体。
[0025] 分布式光纤2为紧包护套应变感测光缆，其纤芯外侧用聚氨酯弹性材料封装保护， 该光缆直径为2mm，重量为2kg/km。
[0026] 混凝土底座4纵向截面为梯形，上底边长为40cm，下底边长为20cm，高度为50cm，其 埋置深度不小于1.5m。
[0027] 空心圆管7长度为10cm，外径为6cm，内径为5cm，其内侧设置有3个凹槽10,凹槽10 横截面尺寸为3mmX 3mm;在凹槽10中布设分布式光纤2时，应保证1号光纤11、2号光纤12的 连线与3号光纤13垂直。
[0028]本实用新型的施工方式是：
[0029] (a)在距隧道轴线水平距离3~5倍洞径的地表处开挖基坑，浇筑混凝土底座4,并 安装固定支架5，随后在固定支架5上部焊接套管6;
[0030] (b)将空心圆管7固定在套管6内部，应保证空心圆管7与套管6粘结牢固；
[0031 ] (c)将3根分布式光纤2分别嵌入空心圆管7内的3个凹槽10中，在空心圆管7两端安 装止胶塞8,并向空心圆管7内部注入环氧树脂胶9,基准点1布设完成；
[0032] (d)根据步骤(a)~（c)布设监测点3,使得监测点3以隧道轴线为轴呈对称状等间 距分布。
[0033] 如图4所示，当某一监测点随地层产生下沉时，3根光纤监测到的应变值分别为￡1 (X)、ε2(χ)、ε3(χ)，由于光纤应变值ε(χ)为轴向应变ε3(χ)与弯曲应变e b(x)之和，即：
[0034] e(x) = ea(x)+eb(x) (1)
[0035] 根据几何关系可得：
[0036] ￡b(x) =-Rcos(9)/p(x) (2)
[0037] 其中x为光纤上某一点至基准点的水平距离;R为空心圆管外径，Θ为1、2号光纤连 线与水平方向之间的夹角，p(x)为光纤弯曲的曲率半径。
[0038] 由于ε(Χ)&ε3(Χ)为轴呈余弦波动，且1、2号光纤呈对称状分布，因此可得：
[0041]由于3号光纤与1、2号光纤连线垂直，则：
[0039]
[0040]
[0042]
(5)
[0043] 根据式(5)可知ε?(Χ)、ε3(Χ)为互余关系，则夹角Θ为：
[0044]
(66)
[0045] 某监测点的竖向位移Δ Η为：
[0046]
(7)
[0047]式中，L为某监测点与基准点间的水平距离；因此，将式(2)、式(6)代入式(7)中即 可得出某监测点的地表沉降量。
[0048]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参 照最佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本 实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范 围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置，其特征在于:所述基于分布式 光纤传感的隧道地表沉降监测装置包括分布式光纤、设置在距隧道轴线水平距离3~5倍隧 道洞径的基准点以及以隧道轴线为轴呈对称状等间距分布的多个监测点;所述基准点以及 监测点均设置有安装基座，所述分布式光纤设置在基准点以及监测点的安装基座中并将基 准点与监测点相连通。2. 根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置，其特征在于： 所述安装基座包括混凝土底座、固定支架、套管以及空心圆管;所述套管套装在空心圆管外 部;所述套管的管壁通过固定支架与混凝土底座相连;所述空心圆管的内壁开设有第一凹 槽、第二凹槽以及第三凹槽；所述第一凹槽与第二凹槽以及第三凹槽之间的夹角分别是 180°以及90° ;所述第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽中均布设有一根分布式光纤。3. 根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置，其特征在于： 所述安装基座还包括填充在空心圆管中的环氧树脂胶以及设置在空心圆管两端部的止胶 塞。4. 根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置，其特征在于： 所述混凝土底座的纵向截面呈梯形，所述混凝土底座的上底边长不大于40cm，所述混凝土 底座的下底边长不大于20cm，所述混凝土底座的高度不大于50cm，所述混凝土底座的埋置 深度不小于1.5m。5. 根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置，其特征在于： 所述空心圆管的长度不大于l〇cm，所述空心圆管的外径不大于6cm，所述空心圆管的内径不 大于5cm，所述空心圆管内壁上开设的第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽的横截面尺寸均为 3mmX 3mm〇6. 根据权利要求1-5任一权利要求所述的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装 置，其特征在于:所述分布式光纤是紧包护套应变感测光缆，所述分布式光纤的纤芯外侧封 装有聚氨酯弹性材料保护层，所述分布式光纤的直径是2mm，重量是2kg/km。
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置，基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置包括分布式光纤、设置在距隧道轴线水平距离3～5倍隧道洞径的基准点以及以隧道轴线为轴呈对称状等间距分布的多个监测点；基准点以及监测点均设置有安装基座，分布式光纤设置在基准点以及监测点的安装基座中并将基准点与监测点相连通。本实用新型提供一种可操作性强以及成本较低的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置。
【IPC分类】G01C5/00, G01D5/353
【公开号】CN205175392
【申请号】CN201520892811
【发明人】薛晓辉, 张军, 宿钟鸣, 姚广, 孙志杰
【申请人】山西省交通科学研究院, 山西交科公路勘察设计院
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年11月10日