基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置及监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置及监测方法，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。本发明专利技术提供一种步骤简单、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及监测方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道工程现场监测
，涉及一种基于分布式光纤传感的隧道地 表沉降监测装置及监测方法。
技术介绍
随着国家公路网建设的不断完善及中西部大开发战略的不断推进，高速公路逐步 向崇山峻岭地区迈进，浅埋、偏压、大断面隧道也随之越来越多，且隧道穿越软弱围岩、滑 坡、岩溶等不良地质的情况也越来越多，其在施工过程中围岩稳定性将面临极大的挑战。同 时，近年来我国城市地铁隧道也越来越多，其不可避免的面临穿越地表建筑物密集区、与现 有地下结构的立体交叉近接等复杂情况，其在施工过程中对地表沉降控制的要求较高。由 于隧道开挖对围岩的应力扰动将延伸至地表处，围岩的应力应变状态将直接反映于地表沉 降，因此在隧道施工过程中对地表沉降的监测具有极其重要的意义。 目前，隧道地表沉降监测主要采用常规的工程监测手段，即在隧道地表布设基准 点及监测点，利用精密水准仪和铟钢尺进行量测，再计算分析得出各监测点的沉降量。在实 际工程应用中，采用常规手段对隧道地表沉降监测主要面临以下三方面问题： 1)适用范围具有一定的局限性。现有的地表沉降监测方法主要有水准测量法、三 角高程测量法，但这两种方法都有通视要求，极易受地形条件的限制，尤其在地表高低起伏 较大的山岭地带，其测量难度极大，测量精度难以保证；且在隧道地表植被茂盛的情况下， 常规地表沉降监测手段几乎无法开展工作。 2)监测过程费时费力。常规监测手段需要人工架尺、读数、记录，当监测点数量 较多时，其监测过程需要耗费大量的人力；尤其在气候较为恶劣的情况下，监测工作难度极 大。 3)无法实现自动化监测及预警。现有监测手段无法完成持续的、不间断的地表沉 降监测，无法动态、实时的反馈监测数据，因此无法实现对隧道地表沉降的监测预警，不利 于隧道地表沉降的全过程分析，极易遗漏险情。鉴于此，从监测效果、经济效益等方面综合 考虑，现有地表沉降监测技术已不能适应隧道工程建设的发展。
技术实现思路
本专利技术针对现有隧道地表沉降监测技术中存在的问题，进而提供了一种步骤简 单、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及监测方 法。 本专利技术的目的是通过以下技术手段实现的： -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。 作为优选，本专利技术所采用的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。 作为优选，本专利技术所采用的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。 作为优选，本专利技术所采用的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。 作为优选，本专利技术所采用的空心圆管的长度不大于10cm，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3mmX3mm。 作为优选，本专利技术所采用的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〇 -种基于如前所述的基于分布式光纤传感的隧道地表沉降监测装置的监测方法， 其特征在于：所述监测方法包括以下步骤： 1)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，安装 固定支架，在固定支架上部焊接套管； 2)将空心圆管固定在套管内部并使空心圆管与套管粘结牢固； 3)将3根分布式光纤分别嵌入空心圆管内的第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽 中，在空心圆管两端安装止胶塞，向空心圆管内部注入环氧树脂胶，完成基准点的布设； 4)根据步骤1)~步骤3)所述方法布设监测点，所述监测点以隧道轴线为轴呈对 称状等间距分布； 5)对隧道地表沉降进行实时监测，所述监测方法的具体实现方式是： 当某一监测点随地层产生下沉时，分别布设在空心圆管内壁的第一凹槽、第二凹 槽以及第三凹槽中的第一光纤、第二光纤以及第三光纤监测到的应变值分别为h(x)、 ε2(x)、ε3(x)，光纤应变值ε(X)为轴向应变εa(x)与弯曲应变εb(x)之和，即： ε(χ) =εa(x)+εb (χ) (1) 根据几何关系可得： εb(x) =-Rcos(θ)/ρ(χ) (2)其中： χ为光纤上某一点至基准点的水平距离； R为空心圆管的外径； Θ为第一光纤与第二光纤的连线与水平方向之间的夹角； Ρ (X)为光纤弯曲的曲率半径；ε(χ)以ea(x)为轴呈余弦波动，且第一光纤与第二光纤呈对称状分布，因此可 得： 第三光纤与第一光纤与第二光纤的连线相垂直，则： 根据式（5)可知εi(X)、ε3 (X)为互余关系，则夹角Θ为： 该随地层产生下沉的监测点的竖向位移ΔΗ为： 其中：L为随地层产生下沉的监测点与基准点之间的水平距离； 将式（2)、式（6)代入式（7)中即可得出随地层产生下沉的监测点的地表沉降量。 本专利技术与现有监测技术相比，其显著优点是： 本专利技术提供了一种，该 监测装置主要包括基准点、分布式光纤、监测点，其中基准点主要包括混凝土底座、固定支 架、套管、空心圆管、环氧树脂胶、止胶塞。基准点布设在距隧道轴线水平距离3~5倍洞径 的位置；监测点以隧道轴线为轴呈对称状等间距分布；套管下方设置有固定支架及混凝土 底座；空心圆管固定在套管内部；空心圆管内侧设置有3个凹槽，每个凹槽内布设1根分布 式光纤；空心圆管两端设置有止胶塞；空心圆管内部注入环氧树脂胶，将分布式光纤与空 心圆管粘结为一体。通过测量分布式光纤的应变值，即可确定各监测点与基准点之间的相 对距离变化，进而实现隧道地表沉降的在线、动态、实时监测。具体而言，本专利技术具有以下 优点：1)能够实现隧道地表沉降的自动化监测，极大提高了监测效率，节省了人力，且能够 实时、动态的反馈地表沉降信息，实现对地表沉降的预警；2)本专利技术的工作稳定性好、适用 性强，不易受工作环境及人工的影响，其监测精度较高；3)本专利技术实施步骤简单、可操作性 强、成本较低，具有较好的社会经济效益及推广价值。【附图说明】 图1为本专利技术所提供的隧道地表沉降监测装置结构示意图； 图2为本专利技术所采用的基准点结构示意图； 图3为本专利技术所采用的空心圆管及分布式光纤结构示意图； 图4为本专利技术所采用的地表沉降计算模型示意图； 附图标记说明如下： 1-基准点；2-分布式光纤；3-监测点；4-混凝土底座；5-固定支架；6-套管；7-空 心圆管；8-止胶塞；9-环氧树脂胶；10-凹槽；11本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：薛晓辉，张军，宿钟鸣，姚广，孙志杰，
申请(专利权)人：山西省交通科学研究院，山西交科公路勘察设计院，
类型：发明
国别省市：山西;14