专利名称：隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法
技术领域：
本发明属于岩土工 测技术领域，涉及一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法。
背景技术：
我国正处于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深埋、长大隧道工程，在设计理论、施工技术中出现了许多新的问题，施工面临的风险加剧。在隧道施工过程中，隧道开挖面前方围岩的力学性状不断地发生变化，提前探知围岩变形特征及发展趋势，获取隧道开挖面前方各变形阶段的地层位移信息，并采取超前预处理施工措施，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，在岩土工程监测技术领域，特别是与隧道工程施工期监测相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。这些技术方法均具有点式测量特点，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。基于布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time DomainReflectormeter， 缩写B0TDR)的分布式传感技术是近年来国际上在光电信息领域兴起的一项尖端技术，它除了具有一般光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，还具有分布式(超高密度连续测点)、实时在线测量、可直接测量光纤上任意点的应变和温度信息等优点；根据隧道围岩变形的特点，还可以计算得到应力、位移等多项物理指标。BOTDR分布式光纤传感技术已用于通讯、土木、水利、能源、交通等领域，在桩基、隧道结构、边坡、基坑等监测方面也有大量工程应用。但是，由于地下工程具有隐蔽性、地质条件复杂，而且BOTDR设备昂贵，监测系统设计较为复杂，造成BOTDR技术还未应用于隧道围岩等典型的地下工程中。特别是在隧道围岩超前变形监测方面，还没有较完善的技术手段。
发明内容
针对隧道常规监测方法和手段的不足，本发明的目的在于，提出一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法。本发明实现其发明目的采取的技术方案是—种隧道围岩变形分布式光纤监测方法，所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将四条传感光纤十字形对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，在测管与钻孔之间的空隙中注入耦合剂使测管与围岩变形协调；测管底端置于隧道开挖影响范围之外，作为测管二维位移计算的基点；当隧道围岩产生变形，分布式光纤测管将随隧道围岩产生同步变形，测管上呈十字形对称分布的四条传感光纤随着测管的变形产生相应的应变，
4将测管上呈十字形对称布设的传感光纤的应变分布进行配准、做差、积分运算后就得到光纤测管横向的二维变形分布；分布式光纤传感技术将测管上下方向上的两条传感光纤串接、左右方向上的两条传感光纤串接，分别构成一条传感线路，以便于同步监测和数据处理，配准是将传感光纤的应变分布正射投影到测管上、下、左、右四条测线的初始位置即基准线上，即将每条光纤上应变点的位置与测管表面上、下、左、右四条测线上相应点的初始位置一一对应；做差是指将测管上同一横截面上、下两条测线或者左、右两条测线的应变值相减，分别得到沿测管竖向和水平向的二维差值应变分布；通过对差值应变分布沿测管长度进行两次积分运算得到测管上任意点相对于基点的位移；由上、下测线的差值应变分布可以计算得到测管的竖向位移，由左、右测线的差值应变分布可以计算得到测管的水平位移，从而得到测管的二维位移分布；为加快数据处理的速度，测管二维位移由数据处理与分析软件计算，依次进行配准、做差、积分运算；将隧道围岩中各个光纤测管上的传感光纤串接，由BOTDR布里渊光时域反射计同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，实现对隧道围岩二维位移的分布式监测。本发明所述测管位移量的计算方法为假设测管底端(基点)不发生偏转(既无转角也无位移)，则管身任意位置ζ处相对于基点的挠度(即位移)ω (ζ)为
权利要求
1.一种隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将四条传感光纤十字形对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，在测管与钻孔之间的空隙中注入耦合剂使测管与围岩变形协调；测管底端置于隧道开挖影响范围之外，作为测管二维位移计算的基点；当隧道围岩产生变形，分布式光纤测管将随隧道围岩产生同步变形，测管上呈十字形对称分布的四条传感光纤随着测管的变形产生相应的应变，将测管上呈十字形对称布设的传感光纤的应变分布进行配准、做差、积分运算后就得到光纤测管横向的二维变形分布；分布式光纤传感技术将测管上下方向上的两条传感光纤串接、左右方向上的两条传感光纤串接，分别构成一条传感线路，以便于同步监测和数据处理，配准是将传感光纤的应变分布正射投影到测管上、下、左、右四条测线的初始位置即基准线上，即将每条光纤上应变点的位置与测管表面上、下、左、右四条测线上相应点的初始位置一一对应；做差是指将测管上同一横截面上、下两条测线或者左、右两条测线的应变值相减，分别得到沿测管竖向和水平向的二维差值应变分布；通过对差值应变分布沿测管长度进行两次计分运算得到测管上任意点相对于基点的位移；由上、下测线的差值应变分布可以计算得到测管的竖向位移，由左、右测线的差值应变分布可以计算得到测管的水平位移，从而得到测管的二维位移分布；为加快数据处理的速度，测管二维位移由数据处理与分析软件计算，依次进行配准、做差、积分运算；将隧道围岩中各个光纤测管上的传感光纤串接，由BOTDR布里渊光时域反射计同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测网，实现对隧道围岩二维位移的实时、分布式监测。
2.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是所述测管位移量的计算方法为假设测管底端(基点)不发生偏转(既无转角也无位移)，则管身任意位置ζ处(
图1)相对于基点0的位移ω (ζ)为
3.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是所述光纤测管安装在隧道开挖工作面前方，用于监测隧道开挖过程中围岩位移。
4.如权利1所述的隧道围岩变形分布式光纤超前监测方法，其特征是所述超前监测方法中测管实施的步骤如下a)管身切槽将PP-R管(1)固定，在其外壁标记四条直线，四条直线在管横截面上呈十字形对称分布，然后用切割机沿四条直线在PP-R管表面切一矩形槽，开槽宽度2. 5mm，深 2mm ；b)光纤粘贴在PP-R管表面四个矩形槽内粘贴传感光纤O)，传感光纤为直径2mm的聚氨酯单模光纤；粘结剂为环氧树脂，粘贴方式为全面粘贴；c)管身保护传感光纤粘贴完成之后，沿管身粘贴强力胶带，然后再在测管上包裹热塑膜，用电热风枪均勻加热，使热塑膜收缩后紧密贴裹在PP-R管之上；d)测管安装测管封装保护完成之后，将其推入已施工完成的钻孔内；钻孔易采用回旋钻进，钻孔直径略大于测管直径，以可以顺利安装测管为准；e)测管连接将第一根测管I( 推入钻孔后，在钻孔孔口处连接第二根测管II (5)， 连接时要求两根测管表面的4个矩形槽一一对齐，接头采用PP-R材质的内接管(6)；两根测管矩形槽对齐后，在测管接头处打孔并用铆钉⑷将两根PP-R管固定，之后沿PP-R管的矩形槽继续布设传感光纤；重复上述b) d)步骤，直至所需长度的分布式光纤测管封装完成，并全部安装在钻孔内；f)耦合注浆安装钻孔封孔装置，采用注浆机注入配制好的耦合剂浆液至浆液充满测管与孔壁之间空隙；g)传感光纤引出将PP-R管上的传感光纤由钻孔封孔装置盖板上的光纤引出孔(10) 引出钻孔；h)线路集成将多个测管的传感光纤连接，组成分布式光纤监测网。
全文摘要
本发明提出一种隧道围岩变形分布式光纤监测方法。所述方法涉及的监测装置，由分布式光纤测管、光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、数据处理与分析软件构成；通过将传感光纤对称布设于PP-R管的外表面，制作成分布式光纤测管，通过测管可得到测管沿线土体的位移；将分布式光纤测管埋入隧道上覆围岩的钻孔之中，并通过注入耦合剂形成土-管协调变形的测管将跟随围岩同步位移而发生变形，通过测量测管的变形，实现对围岩变形或位移的监测。本发明方法具有分布式、自动化数据采集、实时超前监测等特点，适用于隧道洞室、煤矿巷道等岩土工程领域围岩二维变形或位移的监测。
文档编号G01B11/02GK102168950SQ20101059516
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者任彦超, 卢毅, 尹龙, 干昆蓉, 张丹, 施斌, 杨毅, 甘宇宽 申请人:中铁隧道集团有限公司