隧道围岩变形分布式光纤监测系统及施工、监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统及施工、监测方法，监测系统，由第一传感器、第二传感器和信息系统组成。第一传感器和第二传感器可进行串联连接，再与信息系统主机接口连接形成闭合环路。施工通过将传感光纤对称布设在空心圆管外壁四个凹槽，形成竖向和水平两个传感回路，将传感器分别埋入隧道上覆围岩预挖的沟槽中。监测方法是由空心圆管对称的第一和第二凹槽两条光纤的应变，进行做差、积分运算可以计算出传感器竖向的位移分布。有分布式监测、实时超前监测、数据稳定可靠、成本较低，适用于新建隧道下穿既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物影响区内围岩纵向及水平变形的动态实时监测。

【技术实现步骤摘要】
隧道围岩变形分布式光纤监测系统及施工、监测方法
本专利技术属于岩土工程监测
，更具体涉及一种基于PPP-BOTDA分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统，还涉及一种基于PPP-BOTDA分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统施工、监测方法，它尤其适用于新建隧道下穿既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物影响区内围岩纵向及水平变形的监测。
技术介绍
我国正处在大规模基础建设时期，在交通、国防、水利等各个领域出现了大量的隧道工程。随着国家公路网络建设的不断完善及中西部大开发战略的不断推进，高速公路逐渐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，隧道开挖可能面临软弱围岩、滑坡、岩溶等不良地质情况。在隧道施工过程中，隧道开挖面前围岩的力学性状不断地发生改变，提前探知围岩变形特征及发展趋势，获取隧道开挖面前各方变形阶段的地层位移信息，并采取超前预报处理施工措施，对于充分调动围岩自承能力，节约投资、规避风险具有重要意义。目前，在岩土工程监测
，特别是与隧道工程施工期监测有关的技术方法主要有地中土体沉降监测技术、土体测斜技术、地表沉降监测技术等，仪器设备多采用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪等。这些技术方法具有点式测量特点，测点稀疏，难以实现对被测对象的全方位监控。常规的监测技术多数仍不能实现实时监测，且传感原理多种多样，数据种类多，难以集成大规模实时监测系统。因此，有必要研究开发适用于隧道工程的新型围岩变形超前实时监测方法和技术，以满足日益增长的隧道施工安全监测的要求和理论研究的需要。因此，有必要研究开发适一种新型下穿隧道围岩变形超前监测装置及其施工工艺与监测方法，以满足日益增长的隧道施工安全监测的要求和理论研究的需要。基于布里渊散射原理的预脉冲泵浦布里渊光时域分析PPP-BOTDA(Pulse-PrePumpBirlouinOpticalTime-DomainAnalysis)是一项极具发展前景的应变和温度监测技术。它除了具有一般光纤传感技术的耐腐蚀、抗干扰等特点，该技术还是传统BOTDA系统的升级产品，实现了高分辨率(<10cm)与高精度(<±8)测量，在空间分辨率和精度方面具有明显优势。该技术在导入脉冲光之前，加载适当的脉冲预泵浦光，预先激发声子，然后利用脉冲光在光纤中的受激布里渊散射效应和光时域反射技术来实现温度和应变的长距离全分布式测量，可以得到光纤沿线任意点应变和温度信息。PPP-BOTDA分布式光纤适用于大型结构体的健康状况的检测和监测，目前在隧道围岩超前变形监测方面还没有较完善的监测系统及其施工工艺与监测方法。
技术实现思路
本专利技术针对隧道常规监测方法和手段的不足，目的是在于提供了一种基于PPP-BOTDA分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统，可以实现分布式监测和超前监测，高密度测点间距可达到5cm，克服了传统监测手段测点不连续的缺点。本专利技术的另一个的目的是在于提供了一种基于PPP-BOTDA分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统的施工方法，具有经济，方便，抗干扰，耐久性优良等特点。本专利技术还有一个的目的是在于提供了一种基于PPP-BOTDA分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统的监测方法，具有监测步骤简单、效率高、数据稳定可靠等优势。为了实现上述的目的，本专利技术采用以下技术措施：一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统，它由第一传感器、第二传感器和信息系统组成。第一传感器和第二传感器可进行串联连接，再与信息系统主机接口连接形成闭合环路。所述第一传感器，位于下穿隧道与既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物交叉段影响区内，沿隧道的轴线方向可长距离(<1km)布置，埋深可根据施工现场情况确定(0.5～3m均可)，可用于监测隧道轴线拱顶上方围岩的变形情况。所述第二传感器，也位于下穿隧道与既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物交叉段影响区内，沿隧道轴线水平距离3～5倍隧道洞径横向水平布置，埋深可根据施工现场情况确定(0.5～3m均可)，可用于监测隧道与既有构筑物、建筑物交叉段隧道横向监测断面围岩的变形情况。所述信息系统用于采集、处理、分析分布式光纤传感器的数据，硬件主要由主机、微机组成和传感光纤组成。微机通过PCI-X电缆连接主机，通过配套软件对主机进行控制。主机的泵浦光接口和探测光接口连接传输光缆或者直接连接传感光纤，分别发射泵浦光和探测光信号，并接受反射光信号。主机对这些信号进行处理，传输给微机进行对比，最后得出整段光纤上的应变和温度变化分布。所述传感器包括紧皮光纤、空心圆管和保护膜；所采用的空心圆管的外壁开设有第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽；所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽以及第四凹槽之间的夹角分别是180度、90度(逆时方向)以及90度(顺时方向)；所述第一凹槽和第三凹槽是由一根紧皮光纤依次布设形成一个光纤传感线路，第三凹槽和第四凹槽是由另一根紧皮光纤依次布设形成一个光纤传感线路。作为优选，本专利技术所采用的空心圆管是PP-R管，具有良好的柔韧性；空心圆管种类可根据隧道围岩情况来选择，如果围岩较差，为Ⅴ类围岩甚至是松散土，可选用柔性较好的塑料管；如果围岩较好，达到Ⅲ围岩甚至更好，可选用刚度较大的塑料管。作为优选，本专利技术所采用的空心圆管单根的长度一般在4m，所述空心圆管的外径不小于50mm，空心圆管壁厚不小于5mm，所述空心圆管外壁上开设的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽的横截面尺寸均为3mm×3mm，两根空心圆管端部可通过直通焊接，直通圆管外壁同样开设有四个凹槽。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纤，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。一种基于PPP-BOTDA分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统(第一传感器、第二传感器)的施工方法，其步骤是：A、在位于下穿隧道与既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物交叉段影响区内及沿隧道的轴线方向和交叉段隧道横断面方向在地表开挖沟槽，沟槽长度5～1000m范围，其中横断面方向沟槽长度距离隧道轴线水平距离3～5倍洞径，沟槽宽度0.5～1m，沟槽埋深可根据施工现场情况确定为0.5～3m，沟槽的槽底面尽量保持水平；B、根据现场沟槽的长度进行空心圆管的焊接，焊接的过程注意保证每根空心圆管凹槽线与内接管凹槽线对齐，十分钟后待接口处冷却至温度在10～30℃(摄氏度)，稳定后再依次焊接空心圆管，直至完成预定数量空心圆管的焊接；C、焊接完成后，用无水乙醇洗净凹槽粘贴面，风干，确保粘结表面洁净，以保证粘贴质量；D、严格按比例调制环氧树脂，先顺着空心圆管开始端第一凹槽均匀涂抹0.4－0.6mm厚薄底层环氧树脂，开始端预留不小于沟槽深度的一定光纤长度，并及时顺着第一凹槽敷设紧皮光纤直至空心圆管凹槽末端，此过程要确保光纤适当绷紧保持顺直，不得出现人为造成光纤初始弯曲缺陷；30－40分钟后底层环氧树脂达到初凝强度，重新调制环氧树脂，涂刮覆盖层环氧树脂直至达到设计涂层厚度，使环氧树脂层面与空心圆管外壁面保持基本一致；E、紧皮光纤从空心圆管的开始端沿着管的顶部外壁轴线方向(第一凹槽)粘贴到末端时，弯曲绕回至空心圆管底部，沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统，由第一传感器(13)、第二传感器(14)和信息系统(12)组成，其特征在于：第一传感器(13)和第二传感器(14)串联连接，第一传感器(13)和第二传感器(14)与信息系统(12)主机接口连接形成闭合环路，第一传感器(13)由光纤(1)、空心圆管(2)、1m×1m×1m砖槽(3)、内接管(4)、直角弯头(5)、第一凹槽(6)、第二凹槽(7)、第三凹槽(8)、第四凹槽(9)、热收缩套(10)、竖向导管(11)组成，空心圆管(2)与内接管相连，空心圆管(2)由内接管(4)焊接，将光纤(1)敷设在第一凹槽(6)和第二凹槽(7)形成一个竖向监测回路，将光纤(1)敷设在第三凹槽(8)和第四凹槽(9)形成一个水平向监测回路，将热收缩套(10)套在空心圆管(2)外表面，热收缩套(10)把空心圆管(2)外壁包裹，直角弯头(5)分别与空心圆管(2)端部、竖向导管(11)相连，再用直角弯头(5)连接空心圆管(2)端部和竖向导管(11)，在地表砌筑1m×1m×1m砖槽(3)。

【技术特征摘要】
1.一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统，由第一传感器(13)、第二传感器(14)和信息系统(12)组成，其特征在于：第一传感器(13)和第二传感器(14)串联连接，第一传感器(13)和第二传感器(14)与信息系统(12)主机接口连接形成闭合环路，第一传感器(13)由光纤(1)、空心圆管(2)、1m×1m×1m砖槽(3)、内接管(4)、直角弯头(5)、第一凹槽(6)、第二凹槽(7)、第三凹槽(8)、第四凹槽(9)、热收缩套(10)、竖向导管(11)组成，空心圆管(2)与内接管相连，空心圆管(2)由内接管(4)焊接，将光纤(1)敷设在第一凹槽(6)和第二凹槽(7)形成一个竖向监测回路，将光纤(1)敷设在第三凹槽(8)和第四凹槽(9)形成一个水平向监测回路，将热收缩套(10)套在空心圆管(2)外表面，热收缩套(10)把空心圆管(2)外壁包裹，直角弯头(5)分别与空心圆管(2)端部、竖向导管(11)相连，再用直角弯头(5)连接空心圆管(2)端部和竖向导管(11)，在地表砌筑1m×1m×1m砖槽(3)。2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统，其特征在于：所述的空心圆管(2)的外壁开设有第一凹槽(6)、第二凹槽(7)、第三凹槽(8)和第四凹槽(9)，第一凹槽(6)、第二凹槽(7)、第三凹槽(8)和第四凹槽(9)之间的夹角分别是180度、逆时90度及顺时90度。3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统，其特征在于：所述的第一凹槽(6)和第三凹槽(8)是由一根紧皮光纤依次布设形成一个光纤传感线路，第三凹槽(8)和第四凹槽(9)是由另一根紧皮光纤依次布设形成一个光纤传感线路。4.权利要求1所述的一种隧道围岩变形分布式光纤监测系统的施工方法，其步骤是：A、在位于下穿隧道与既有公路、隧道、办公大楼既有构筑物、建筑物交叉段影响区内及沿隧道的轴线方向和交叉段隧道横断面方向在地表开挖沟槽，沟槽长度5～1000m，其中横断面方向沟槽长度距离隧道轴线水平距离3～5倍洞径，沟槽宽度0.5～1m，沟槽埋深根据施工现场确定为0.5～3m，沟槽的槽底面保持水平；B、根据现场沟槽的长度进行空心圆管的焊接，焊接的过程每根空心圆管凹槽线与内接管凹槽线对齐，十分钟后待接口处冷却至温度在10～30摄氏度，稳定后再依次焊接空心圆管，直至完成预定数量空心圆管的焊接；C、焊接完成后，用无水...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗红星，武松，但路昭，段文正，汤华，钟明文，徐伟然，李睿，
申请(专利权)人：云南大永高速公路建设指挥部，中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：云南,53