隧道围岩变形分布式光纤监测系统及施工、监测方法与流程

本发明属于岩土工程监测技术领域，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。

背景技术：

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，在岩土工程监测技术领域，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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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。

本发明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，本发明采用以下技术措施：

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，本发明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，本发明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，本发明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，沿着底部外壁轴线(第二凹槽)返回至初始端，具体操作重复d步骤一次，形成竖直方向光纤回路；

f、同理，水平方向光纤回路可重复参照d和e步骤一次，从空心圆管左侧第三凹槽开始，到末端弯曲绕回至空心圆管右侧，沿着右侧外壁轴线(第四凹槽)返回至初始端；

g、20－24小时后环氧树脂达到最终强度，将相应尺寸的热收缩套完全套住空心圆管，并用吹风机全方位吹热收缩套使其加热(温度在50～70摄氏度)收缩；30－40分钟后，收缩完成，将制作好的光纤测管安全放置在沟槽底部，并进行人工找平，确保光纤测管不会发生明显弯曲，最终用原状土进行回填，并用空心导管将光纤接头引出地面，砌筑测试方形1mm×1mm×1mm墩台，获得第一传感器。

第二传感器与第一传感器的施工步骤相同。

一种基于ppp-botda分布式光纤传感的隧道围岩变形超前的监测方法，其步骤是：

a、进行初步测试，把信息系统主机的泵浦光接口连接第一传感器一端接头，探测光接口连接第二传感器一端接头，形成闭合环路，分别发射泵浦光和探测光信号，并接受反射光信号,信息系统主机对这些信号进行处理；

b、对第一传感器和第二传感器具体位置进行定位，先后分别用热毛巾(温度在50～70摄氏度)捂住第一传感器和第二传感器固定位置一点，使该部位光纤温度(温度在50～70摄氏度)明显高于其他部位，信息系统主机再次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，最后得出第一传感器和第二传感器上的温度(温度在50～70摄氏度)突变位置，确定埋设第一传感器和第二传感器有效工作的长度范围；

c、正常测试阶段，在隧道施工期和运营期可随时对埋设第一传感器和第二传感器进行测试，测试频率可控制在1～2次/天，把信息系统主机的泵浦光接口连接第一传感器一端接头，探测光接口连接第二传感器一端接头，形成闭合环路，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，得出埋设第一传感器和第二传感器有效范围内的应变和温度变化分布，该应变变化分布是隧道围压变形导致的第一传感器和第二传感器相应的变形情况，具有变形协调性，可真实、准确的反映隧道围岩变形。

一种空心圆管位移量的计算方法，其步骤是：

根据经典材料力学，在计算结构变形的诸方法中，应变二次积分法能直接建立结构应变和变形之间的关系，计算如下

式中：w(x)为结构轴线坐标x处竖向变形，向下为正；ε(x)为结构下部离中性轴距离y处的应变，受拉为正；a和b分别为x＝0处的转角和变形，转角以逆时针为正。

第一传感器光纤沿隧道的轴线方向可长距离(<1km)布置，隧道开挖过程中光纤一端先发生沉降变形，另一端相对固定(既无转角也无位移)，可简化为悬臂梁模型，带入悬臂梁模型边界x＝0,w(0)＝0；x＝0,θ(0)＝0到公式(1)，得到a＝0，b＝0，则埋设光纤任意位置x处(图1)相对于基点0的位移为：

式中：δε(x)为空心圆管第一凹槽和第二凹槽对称布设得光纤应变变化值(相对于初始应变的变化值)之差，d为空心圆管外直径；根据公式(2)由空心圆管第一凹槽和第二凹槽上下两条光纤的应变，进行做差、积分运算可以计算出第一传感器竖向的位移分布；同理，根据公式(2)由空心圆管第三凹槽和第四凹槽左右两条光纤的应变，进行做差、积分运算也可以计算出第一传感器水平方向的位移分布。

第二传感器光纤沿隧道轴线水平距离3～5倍隧道洞径横向水平布置，隧道开挖过程中光纤相对稳定(无位移有转角)，埋设光纤中心点2～3倍隧道洞径范围内发生明显沉降变形，可简化为简支梁模型，带入简支梁模型边界x＝0，w(0)＝0；x＝0，w(l)＝0到公式(1)，可得则埋设光纤任意位置x处(图2)相对于基点0的位移为：

式中：δε(x)为空心圆管第一凹槽和第二凹槽对称布设得光纤应变变化值(相对于初始应变的变化值)之差，l为埋设光纤长度，d为空心圆管外直径；根据公式(3)由空心圆管第一凹槽和第二凹槽上下两条光纤的应变，进行做差、积分运算可以计算第二传感器竖向的位移分布；同理，根据公式(3)由空心圆管第三凹槽和第四凹槽左右两条光纤的应变，进行做差、积分运算可以计算出第二传感器水平方向的位移分布。

做差运算指的是空心圆管第一凹槽和第二凹槽或者第三凹槽和第四凹槽对称分布的光纤的应变值相减，分别得到传感器竖直向和水平向的二维差值应变分布；通过对差值应变分布沿空心圆管长度进行二次积分运算得到空心圆管任意点相对于基点0点的位移；将穿隧道与既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物交叉段影响区内布设的第一传感器和第二传感器联立分析，由布里渊光时域反射仪同步测量光纤的应变分布，构成分布式光纤监测系统，实现对交叉段隧道围岩二维位移的分布式监测。

本发明与现有监测技术相比，最大的特点是提供了一种基于ppp-botda分布式光纤传感的隧道围岩变形超前监测系统及其施工工艺与监测方法，优点如下：

1)可以实现分布式监测，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；

2)通过将传感器预先埋设在工作面前方的隧道围岩中，监测隧道开挖过程中隧道围岩的动态，实现超前监测；

3)单根光纤既作为传感元件又为信号传输通道，不需要额外导线，对数据采集传输和施工是有利的，具有经济，方便，抗干扰，耐久性优良，数据稳定可靠等诸多优势；

4)传感器可串联使得大规模布设时数据采集和引出都较为简单易行，可用于监测项目多，大规模监测成本低，提高监测效率；

5)考虑到下穿隧道开挖可能会对既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物造成影响，布设的第一传感器和第二传感器联立分析，构成分布式光纤监测系统，实现对交叉段隧道围岩竖向和水平向位移的分布式监测，保证隧道施工的安全和既有公路、隧道、办公大楼等既有构筑物、建筑物的安全。

6)与已有的隧道围岩变形监测方法相比，本发明得到的监测结果更精确，以实验室简支梁模型为例(见图9、图10)，监测精度可达到0.05mm，数据分布符合理论预期值，监测数据可靠。

附图说明

图1为一种分布式光纤传感监测系统结构示意图。

图2为一种第一传感器监测原理模型简化示意图。

图3为一种第二传感器监测原理模型简化示意图。

图4为一种第一传感器隧道横向监测结构示意图。

图5为一种第二传感器隧道轴向监测结构示意图。

图6为一种传感器采用的空心圆管及分布式光纤结构示意图。

图7为一种传感器采用的空心圆管及分布式光纤横截面示意图。

图8为一种1m×1m×1m砖槽保护光纤装置示意图。

图9为一种实验室简支梁模型应变分布实例。

图10为一种实验室简支梁模型位移变形分布实例。

图中，1、光纤，2、空心圆管，3、1m×1m×1m砖槽，4、内接管，5、直角弯头，6、第一凹槽，7、第二凹槽，8、第三凹槽，9、第四凹槽，10、热收缩套，11、竖向导管，12、信息系统(nbx-7020分布式光纤传感系统)，13、第一传感器，14、第二传感器。

具体实施方式

实施例1：

根据图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8可知，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，由第一传感器13、第二传感器14和信息系统12组成。第一传感器13和第二传感器14可进行串联连接，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，其连接关系是：空心圆管2与内接管相连，空心圆管2由内接管4焊接达到预期长度，将光纤1敷设在第一凹槽6和第二凹槽7并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并形成一个水平向监测回路，第一凹槽6、第二凹槽7、第三凹槽8和第四凹槽9起到保护光纤1不受施工破坏的作用；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外壁完全包裹住，保护光纤1不受施工破坏；直角弯头5分别与空心圆管2端部、竖向导管11相连，然后再用直角弯头5连接空心圆管2端部和竖向导管11，从而引出光纤1至地表进行测试，在地表砌筑1m×1m×1m砖槽3，对光纤1进行保护。

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。

第二传感器14与第一传感器13的十一个部件之间的连接关系和作用相同。

实施例2：

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、首先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，沿隧道的轴线方向(第二传感器14沿交叉段隧道横断面方向)在地表开挖沟槽，沟槽长度5或6或7或8米至500或600或700或800米范围(横断面方向沟槽长度距离隧道轴线水平距离3或4或5倍洞径)，沟槽宽度0.5或0.7或0.9或1m，沟槽埋深可根据施工现场情况确定为0.5或0.8或1.5或2或2.4或2.8或3m，沟槽的槽底面尽量保持水平；

b、其次根据现场沟槽的长度进行空心圆管2的焊接，焊接的过程注意保证每根空心圆管2凹槽线第一凹槽6、第二凹槽7、第三凹槽8和第四凹槽9分别与内接管4凹槽线第一凹槽6、第二凹槽7、第三凹槽8和第四凹槽9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2，直至完成预定数量空心圆管2的焊接(见图5)；

c、焊接完成后，用无水乙醇洗净第一凹槽6、第二凹槽7、第三凹槽8和第四凹槽9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2开始端第一凹槽6均匀涂抹0.5mm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6敷设紧皮光纤1直至空心圆管2凹槽末端，此过程要确保光纤1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2外壁面保持基本一致(见图6)；

e、紧皮光纤1从空心圆管2的开始端沿着管的顶部外壁轴线方向(第一凹槽6)粘贴到末端时，弯曲绕回至空心圆管2底部，沿着底部外壁轴线(第二凹槽7)返回至初始端，具体操作重复d步骤一次，形成竖直方向光纤回路；

f、同理，水平方向光纤回路可重复参照d和e步骤一次，从空心圆管2左侧第三凹槽8开始，到末端弯曲绕回至空心圆管2右侧，沿着右侧外壁轴线(第四凹槽9)返回至初始端；

g、24小时后环氧树脂达到最终强度，将相应尺寸的热收缩套10完全套住空心圆管2，并用吹风机全方位吹热收缩套10使其加热收缩；三十分钟后，收缩完成，将制作好的光纤测管安全放置在沟槽底部，并进行人工找平，确保光纤测管不会发生明显弯曲，最终用原状土进行回填，并用竖向空心导管11将光纤1接头引出地面，对沟槽进行回填至原地表，砌筑测试方形1mm×1mm×1mm墩台3(见图7)。

依次按照上述a→b→c→d→e→f→g步骤操作，可制备得到第一传感器13，沿隧道轴线方向布设，实现对隧道围岩变形的分布式、超前监测。

第二传感器14与第一传感器13的制作步骤相同。

实施例3：

一种基于ppp-botda分布式光纤传感的隧道围岩变形超前的监测方法，其步骤是：

a、首先进行初步测试，把信息系统主机的泵浦光接口连接第一传感器13一端接头，探测光接口连接第二传感器14另一端接头，形成闭合环路，分别发射泵浦光和探测光信号，并接受反射光信号,信息系统12主机对这些信号进行处理；

b、其次对第一传感器13和第二传感器14具体位置进行定位，先后分别用热毛巾(温度在60摄氏度)捂住第一传感器13和第二传感器14光纤1固定位置一点，使该部位光纤1温度(温度在60摄氏度)明显高于其他部位，信息系统12主机再次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，最后得出第一传感器和第二传感器上光纤1的温度(温度在60摄氏度)突变位置，确定埋设第一传感器13和第二传感器14有效工作的长度范围；

c、正常测试阶段，在隧道施工期和运营期可随时对埋设第一传感器13和第二传感器14进行测试，测试频率可控制在1次/天，把信息系统12主机的泵浦光接口连接第一传感器13一端接头，探测光接口连接第二传感器14另一端接头，形成闭合环路，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，得出埋设第一传感器13和第二传感器14有效范围内的应变和温度变化分布，该应变变化分布是隧道围压变形导致的第一传感器13和第二传感器14相应的变形情况，具有变形协调性，可真实、准确的反映对应位置处的隧道围岩变形情况。

实施例4：

一种空心圆管位移量的计算方法，其步骤是：

第一传感器光纤沿隧道的轴线方向可长距离20m布置，隧道开挖过程中光纤一端先发生沉降变形，另一端相对固定(既无转角也无位移)，可简化为悬臂梁模型，带入悬臂梁模型边界x＝0,w(0)＝0；x＝0,θ(0)＝0到公式(1)，得到a＝0，b＝0，则埋设光纤任意位置x处(图1)相对于基点0的位移为：

第二传感器光纤沿隧道轴线水平距离4倍隧道洞径横向水平布置，隧道开挖过程中光纤相对稳定(无位移有转角)，埋设光纤中心点2倍隧道洞径范围内发生明显沉降变形，可简化为简支梁模型，带入简支梁模型边界x＝0,w(0)＝0；x＝0,w(l)＝0到公式(1)，可得则埋设光纤任意位置x处(图2)相对于基点0的位移为：

式中：δε(x)为空心圆管第一凹槽和第二凹槽对称布设得光纤应变变化值(相对于初始应变的变化值)之差，l为埋设光纤长度，d为空心圆管外直径；根据公式(2)、(3)由空心圆管第一凹槽和第二凹槽上下两条光纤的应变，进行做差、积分运算可以计算传感器竖向的位移分布；同理，根据公式(2)、(3)由空心圆管第三凹槽和第四凹槽左右两条光纤的应变，进行做差、积分运算可以计算出传感器水平方向的位移分布。

参见图9，图9是实验室简支梁模型某时期应变分布实例，光纤分布在简支梁模型的上下表面，并用环氧树脂进行黏贴，使光纤与简支梁模型外表面紧密接触，简支梁模型加载，选取某一加载时期的监测得到的应变分布。

参见图10，图10是实验室简支梁模型某时期位移变形分布实例，由图9得到的应变数据积分算出简支梁模型某时期的位移变形值。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。