沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途技术方案

本发明专利技术涉及基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途。本发明专利技术具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点；传感器内光纤光栅制作时，光纤掩模板采用的占宽比为0.5，最优槽形深度为234±10nm，可将光纤光栅的零级衍射效率可低至2％,且±1级的衍射效率也可达36％，这使得制作出的光纤光栅具有高反射率、高边模抑制比和窄带宽等优点，测量结果也更加准确；监测数据通过无线远程数据传输网络进行传输，具有远程监控的特点，大大方便了监测工作的开展。

【技术实现步骤摘要】
沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途
本专利技术涉及基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途。
技术介绍
由于在经济和技术上的独特优点，尤其是水下连接和基础处理的突破性进展，沉管隧道越来越受到工程界的青睐。与矿山隧道相比，沉管隧道受力上有其独特之处，除了要受上覆静荷载和过车荷载作用外，沉管隧道还受到浪动荷载以及水中离子的侵蚀，且大部分沉管隧道都修建在软土海域或水域地区，对沉降和变形非常敏感。现阶段对沉降问题研究的很多，对应变研究的较少。对沉降的控制只能反映管节竖向变形，不能完整反映管节内外受力情况。应变是材料与结构的重要物理特征参量，最能反映局部结构特征、便于结构安全评价和损伤定位。因此，沉管隧道运营期间管节段应变监测显得尤为重要。目前，大部分沉管隧道沉降变形监测及健康诊断都由水准仪或全站仪完成，而少有对沉管隧道管片应变的实时测试及沉降和力的动态计算。本专利技术正是基于这一现状，提出了一套采用光纤传感技术测试沉管隧道应变的系统。其原理是使光纤光栅与管片监测点产生同步应变，由此使得光栅间距产生变化，同时由于光纤光栅的光弹效应，光纤光栅的折射率发生改变，这会使得探测光的反射波长较入射波长发生变化，由此可测的监测点处的应变。本专利技术具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点，另外专利技术可同时对隧道多断面多点位进行监测，是一个沉管隧道变形的网状监测及力的分析计算系统。
技术实现思路
本专利技术针对现有的沉管隧道变形监测及内力计算的不足，提供一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测及受力分析系统，对沉管隧道施工及后期运营过程产生变形提供高精度的实时监测，并反演计算管片所受变形和外力情况。一种沉管隧道变形监测及受力分析系统，包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接，光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器，每个光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光纤相熔接，支路传输光纤汇集于干路总传输光纤，干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪，形成一套多断面多点位的实时监测系统；所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变；所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得，所述相位掩模法为：将光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板，利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成周期性扰动的折射率，从而形成光纤光栅，其中所述相位光栅掩模板的槽形深度为234±10nm、占宽比为0.5；所述监控主机数据处理为：首先将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图，利用公式λ-λ0＝Cc-fλB(1-pc)εf(λ为光纤光栅应变传感器所测得波长值、λ0为光纤光栅布拉格波长、Cc-f为光纤与铜片间的粘贴系数，pc光纤有效光弹系数)，即可换算出得到各监测点的应变时程曲线。所述监控主机数据处理还包括：将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，可反算出沉管隧道下卧层地基的地基刚度；通过对沉管隧道管片结构应变的监测，可根据管片的本构方程推知管片底部外表面的应力值，再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉降量S1＝h1P1/Es1、S2＝h2P2/Es2(S1为基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、h1为基础层厚度、h2为土层厚度、P1为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Es1为基础层压缩模量、Es2为土体压缩模量)；结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t)＝S1+UzS2(Uz为土体固结度)，然后截面下任意时刻地基刚度K(t)＝P1/S(t)，利用K(t)再采用弹性地基梁法，即可计算出每个断面的沉降差，也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化；再根据变形协调关系，进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小。所述光纤光栅应变传感器是由光纤光栅粘贴于敏感元件线槽内再经封装制得，当所述敏感元件受拉或受压时，粘贴在线槽内的光纤光栅将随之纵向拉伸或压缩，光纤光栅中的应变将引起反射光波长较原来入射光发生漂移，由此来实现对监测点应变的测量；所述光纤光栅温度传感器是将光纤光栅置于传感器盒预留的小槽内，再在小槽的两端用固定胶将光纤光栅固定，待两端固定后再往小槽内填充不固化的导热膏，加盖封装制得，槽内的光纤光栅的变形只受温度影响，因此测得的数据可用于对光纤光栅应变传感器所测数据进行温度修正。所述光纤光栅解调仪包括：1)钥匙电源开关：插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通，回位后电源断开；2)电源指示灯：系统工作时常亮；3)系统故障指示灯：系统内部发生故障时常亮；4)网络通信指示灯：以太网络通讯是闪烁；5)数据采集指示灯：系统通电自检后常亮，表示可以采集数据；6)通道指示灯：指示各通道当前工作状况；7)八路外接光纤通道：接口类型为FC/APC，外接各种光栅传感器；8)以太网络接口：与无线调制解调器相连，发射代码转变为无线信号传送至中央数据库；9)继电器扩展接口：控制外围设备；10)系统调试接口：用于对系统进行调试；11)通讯串口：和别的设备通讯；12)SIM卡插口：通过SIM卡将监测数据转变为发射代码；13)电源线插口：连接外接电源，给光纤光栅解调器供电。光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是通过无线远程传输系统以无线远程数据传输网络媒介传输的，所述无线远程传输系统由依次串联的现场监测站的客户端无线调制解调器、光纤光栅解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、监控主机内传输程序组成，每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库，中央数据库对数据信息进行预处理和录入，保证数据的准确有效性，监控主机获取权限后可对中央数据库内的数据进行访问。监控主机对中央数据库数据访问下载后，将原数据变换为各监测点的应变值，监控主机的分析系统再将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，即可反演推算出管片所受外力值。另外，本专利技术还提供了沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法，包括以下步骤：1)测试元件制备：光纤光栅采用相位掩模法进行制备，制备过程中，控制相位掩模板的槽形深度为234±10nm和占宽比为0.5，所得光纤光栅的零级衍射效率可低至2％,且±1级的衍射效率也可达36％；2)测试仪器的安装：选定沉管隧道监测断面若干，每一个监测断面布置有6个监测点，每个监测点固定一个光纤光栅应变传感器，每个断面固定1个光纤光栅温度传感器，构成的是一套可实时监测多点位的应变状况的多断面多点位的分布式网状监测系统；3)数据传输：监测主机采用无线远程数据传输的方式获取数据，监测现场采集的数据通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储，监控主机安装服务器传输程序获取访问权限后即可通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉管隧道变形监测及受力分析系统，包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接，光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，其特征在于：每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器，每个光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光纤相熔接，支路传输光纤汇集于干路总传输光纤，干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪，形成一套多断面多点位的实时监测系统；所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变；所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得，所述相位掩模法为：将光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板，利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成周期性扰动的折射率，从而形成光纤光栅，其中所述相位光栅掩模板的槽形深度为234±10nm、占宽比为0.5；所述监控主机数据处理为：首先将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图，利用公式λ‑λ0＝Cc‑fλB(1‑pc)εf(λ为光纤光栅应变传感器所测得波长值、λ0为光纤光栅布拉格波长、Cc‑f为光纤与铜片间的粘贴系数，pc光纤有效光弹系数)，即可换算出得到各监测点的应变时程曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种用于沉管隧道建设施工或建成后的运营监测的沉管隧道变形监测及受力分析系统，包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接，光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，其特征在于：每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器，每个光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光纤相熔接，支路传输光纤汇集于干路总传输光纤，干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪，形成一套多断面多点位的实时监测系统；所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变；所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得，所述相位掩模法为：将光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板，利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成周期性扰动的折射率，从而形成光纤光栅，其中所述相位光栅掩模板的槽形深度为234±10nm、占宽比为0.5；所述监控主机数据处理为：首先将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图，利用公式λ-λ0＝Cc-fλB(1-pc)εf其中，λ为光纤光栅应变传感器所测得波长值、λ0为光纤光栅布拉格波长、Cc-f为光纤与铜片间的粘贴系数，λB为光纤光栅中心反射波长，pc光纤有效光弹系数，εf为应变，即可换算出得到各监测点的应变时程曲线；所述监控主机数据处理还包括：将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，可反算出沉管隧道下卧层地基的地基刚度；通过对沉管隧道管片结构应变的监测，可根据管片的本构方程推知管片底部外表面的应力值，再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉降量S1＝h1P1/Es1、S2＝h2P2/Es2，其中，S1为基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、h1为基础层厚度、h2为土层厚度、P1为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Es1为基础层压缩模量、Es2为土体压缩模量；结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t)＝S1+UzS2，其中Uz为土体固结度，然后截面下任意时刻地基刚度K(t)＝P1/S(t)，利用K(t)再采用弹性地基梁法，即可计算出每个断面的沉降差，也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化；再根据变形协调关系，进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小；监控主机对中央数据库数据访问下载后，将原数据变换为各监测点的应变值，监控主机的分析系统再将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，即可反演推算出管片所受外力值；光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是通过无线远程传输系统以无线远程数据传输网络媒介传输的，所述无线远程传输系统由依次串联的现场监测站的客户端无线调制解调器、光纤光栅解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、监控主机内传输程序组成，每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库，中央数据库对数据信息进行预处理和录入，保证数据的准确有效性，监控主机获取权限后可对中央数据库内的数据进行访问。2.根据权利要求1所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器是由光纤光栅粘贴于敏感元件线槽内再经封装制得，当所述敏感元件受拉或受压时，粘贴在线槽内的光纤光栅将随之纵向拉伸或压缩，光纤光栅中的应变将引起反射光波长较原来入射光发生漂移，由此来实现对监测点应变的测量；所述光纤光栅温度传感器是将光纤光栅置于传感器盒预留的小槽内，再在小槽的两端用固定胶将光纤光栅固定，待两端固定后再往小槽内填充不固化的导热膏，加盖封装制得，槽内的光纤光栅的变形只受温度影响，因此测得的数据可用于对光纤光栅应变传感器所测数据进行温度修正。3.根据权利要求1所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统，其特征在于：所述光纤光栅解调仪包括：1)钥匙电源开关：插入钥匙后顺时针旋转30度电源接通，回位后电源断开；2)电源指示灯：系统工作时常亮；3)系统故障指示灯：系统内部发生故障时常亮；4)网络通信指示灯：以太网络通讯是闪烁；5)数据采集指示灯：系统通电自检后常亮，表示可以采集数据；6)通道指示灯：指示各通道当前工作状况；7)八路外接光纤通道：接口类型为FC/APC，外接各种光栅传感器；8)以太网络接口：与无线调制解调器相连，发射代码转变为无线信号传送至中央数据库；9)继电器扩展接口：控制外围设备；10)系统调试接口：用于对系统进行调试；11)通讯串口：和别的设备通讯；12)SIM卡插口：通过SIM卡将监测数据转变为发射代码；13)电源线插口：连接外接电源，给光纤光栅解调器供电。4.权利要求1-3任一所述的沉管隧道变形监测及受力分析系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：1)测试元件制备：光纤光栅采用相位掩模法进行制备，制备过程中，控制相位掩模板的槽形深度为234±10nm和占宽比为0.5，所得光纤光栅的零级衍射效率可低至2％,且±1级的衍射效率也可达36％；2)测试仪器的安装：选定沉管隧道监测断面若干，每一个监测断面布置有6个监测点，每个监测点固定一个光纤光栅应变传感器，每个断面固定1个光纤光栅温度传感器，构成的是一套可实时监测多点位的应变状况的多断面多点位的分布式网状监测系统；3)数据传输：监测主机采用无线远程数据传输的方式获取数据，监测现场采集的数据通过无线调制解调器转变为无线信号传送至中央数据库加以存储，监控主机安装服务器传输程序获取访问权限后即可通过无线调制解调器访问相应权限内中央数据库储存的数据；4)数据处理：监控主机获取权限后对中央数据库内的数据进行访问，将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图，利用公式λ-λ0＝Cc-fλB(1-pc)εf其中，λ为光纤光栅应变传感器所测得波长值、λ0为光纤光栅布拉格波长、Cc-f为光纤与铜片间的粘贴系数，λB为光纤光栅中心反射波长，pc光纤有效光弹系数，εf为应变，即可换算出得到各监测点的应变时程曲线；5)沉降及力的反算：监控主机将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，可反算出沉管隧道下卧层地基的地基刚度；通过对沉管隧道管片结构应变的监测，可根据管片的本构方程推知管片底部外表面的应力值，再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉降量S1＝h1P1/Es1、S2＝h2P2/Es2，其中，S1为基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、h1为基础层厚度、h2为土层厚度、P1为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Es1为基础层压缩模量、Es2为土体压缩模量；结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t)＝S1+UzS2，其中Uz为土体固结度，然后截面下任意时刻地基刚度K(t)＝P1/S(t)，利用K(t)再采用弹性地基梁法，即可计算出每个断面的沉降差，也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化；再根据变形协调关系，进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小。5.一种用于沉管隧道受潮汐荷载影响的检测分析的沉管隧道变形监测及受力分析系统，包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接，光纤光栅解调仪通过无线远端连接至...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁智，魏纲，王永安，魏新江，苏勤卫，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33