一種可大規(guī)模高精度在線監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺的系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種可大規(guī)模高精度 在線監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺的系統(tǒng)及方法，屬于隧道工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 盾構(gòu)隧道，具有施工時間短，對環(huán)境影響小的特點，成為現(xiàn)在地鐵、過江、過海等交 通隧道的主要施工形式，但是，盾構(gòu)隧道襯砌由預(yù)制的鋼筋混凝土管片通過高強螺栓拼接 而成，管片之間存在著接縫，在外部荷載作用下，接縫處易發(fā)生剪切變形，使管片之間形成 錯臺，一方面使螺栓產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，另一方面帶來防水隱患，易引起螺栓銹蝕，帶來 安全隱患，嚴(yán)重時還會影響隧道凈空，威脅交通安全，因此，對管片錯臺實施監(jiān)測對于隧道 安全具有重要作用。
[0003] 在實際工程中，由于管片接縫數(shù)量非常多，既有的監(jiān)測或檢測技術(shù)手段無法實現(xiàn) 大規(guī)模接縫的長期在線監(jiān)測，因此，有必要設(shè)計一種適合在線監(jiān)測大規(guī)模接縫錯臺的系統(tǒng) 及方法。
[0004] 1989年Horiguchi等人首次提出了利用布里淵光的頻移特性作為分布式應(yīng)變 和溫度傳感以來，該技術(shù)受到工程研究人員的廣泛關(guān)注，其主要具有以下幾個優(yōu)點：1、分 布式測量，理論上光纖每點的應(yīng)變、溫度都可以測量，實際可每5cm采樣，空間分解能達(dá)到 2cm-10cm;2、長距離傳感，可測量的光纖長度達(dá)到50km以上；3、測試精度高，目前應(yīng)變測試 精度可達(dá)到2ye-10ye，溫度測試精度為0. 1°C;4、測試長期穩(wěn)定，不受電磁場等環(huán)境干 擾；因此，本發(fā)明基于布里淵分布式光纖傳感的技術(shù)設(shè)計了一種可大規(guī)模高精度在線監(jiān)測 盾構(gòu)隧道錯臺的系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可大規(guī)模高精度在線監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺 的系統(tǒng)及方法，結(jié)構(gòu)簡單，監(jiān)測精度高，實現(xiàn)大規(guī)模盾構(gòu)隧道管片錯臺的低成本在線監(jiān)測。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種可大規(guī)模高精度在線監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺的系統(tǒng)，包括若干個變形感應(yīng)裝置， 所述若干個變形感應(yīng)裝置經(jīng)光纖傳感回路與分布式光纖解調(diào)儀連通，所述分布式光纖解調(diào) 儀與計算機連通，所述變形感應(yīng)裝置包括變形梁體和傳感光纖，所述變形梁體的一端固定 連接在接縫一側(cè)的盾構(gòu)隧道管片上，另一端定向固定連接在所述接縫另一側(cè)的盾構(gòu)隧道管 片上，所述變形梁體連接處的上下兩面設(shè)有夾持螺帽，且所述定向固定端的變形梁體與上 下夾持螺帽之間存有空隙；所述傳感光纖沿變形梁體上下表面的中軸線布置，且在中軸線 上形成有自由傳感光纖；所述光纖傳感回路通過串聯(lián)若干個變形感應(yīng)裝置上的傳感光纖與 分布式光纖解調(diào)儀連通形成通光回路后與計算機連通。
[0008] 進一步，所述變形梁體通過錨固在盾構(gòu)隧道管片上的螺桿與接縫兩側(cè)的盾構(gòu)隧道 管片連接，所述變形梁體的其中一端通過兩個螺孔與兩個錨固在接縫一側(cè)的盾構(gòu)隧道管片 上的螺桿固定連接，另一端通過變形梁體上的條形孔與一根錨固在接縫另一側(cè)盾構(gòu)隧道管 片上的螺桿定向連接。
[0009] 進一步，由于空間分解內(nèi)應(yīng)變的不均勻程度會嚴(yán)重影響應(yīng)變監(jiān)測精度，因此，所述 變形梁體為等強度、等厚度的變截面梁，為了保證應(yīng)變傳感的靈敏度和精度，所述變形梁體 長度為 30cm-50cm。
[0010] 進一步，為了提高變形感應(yīng)裝置的長期耐久性能，所述變形梁體、螺桿和螺帽均為 不銹鋼材質(zhì)。
[0011] 進一步，所述空隙為0.l-o. 5_，保證在接縫發(fā)生張開或閉合時變形梁體可以沿軸 向自由移動而無應(yīng)變，在錯臺情況發(fā)生時，變形梁體產(chǎn)生彎曲應(yīng)變，〇. 1-0. 5_的空隙不影 響變形感應(yīng)裝置對錯臺變形感應(yīng)的敏感度，但是在變形解析計算時，需要將空隙大小作為 錯臺變形的初始項考慮進去。
[0012] 進一步，所述傳感光纖為單模光纖，在所述單模光纖外表面還包覆有尼龍材料的 光纖外包層，且在光纖外包層還編織有纖維層，尼龍材料具有良好的性能，對環(huán)境要求低， 且能夠與纖芯良好粘結(jié)，編織的纖維層可以提高光纖外包層的強度和耐腐蝕性能。
[0013] 進一步，所述傳感光纖通過粘貼劑沿變形梁體上下表面的中軸線全面粘貼布置， 可同時監(jiān)測拉、壓應(yīng)變；所述粘貼劑為改型環(huán)氧樹脂，改型環(huán)氧樹脂具有較高的耐久性能。
[0014] 進一步，所述自由傳感光纖大于等于20cm，自由傳感光纖不受變形梁體的影響，只 對溫度變化敏感，用來實施變形感應(yīng)的溫度補償。
[0015] -種基于權(quán)利要求1所述的一種可大規(guī)模高精度在線監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺的方法， 包括步驟如下：
[0016] ( -）在每兩個盾構(gòu)隧道管片的接縫處設(shè)置變形感應(yīng)裝置；
[0017] (二）變形感應(yīng)裝置通過傳感光纖監(jiān)測變形梁體的上下表面應(yīng)變情況，通過形成 的自由傳感光纖監(jiān)測溫度；
[0018] (三）通過串聯(lián)若干個變形感應(yīng)裝置上的傳感光纖與分布式光纖解調(diào)儀連接形成 通光回路，分布式光纖解調(diào)儀解析通光回路反射光中的布里淵散射信號的中心頻率，并將 數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機；
[0019] (四）計算機通過軟件程序存貯解析的光信號信息，計算變形感應(yīng)裝置的應(yīng)變、溫 度分布以及錯臺變形；所述錯臺變形采用積分法，計算公式如下：
[0020]
[0021] 式中，S是錯臺變形，e (x)和e ' (x)分別是變形梁體的下、上面應(yīng)變分布，1和 d分別是變形梁體的長度和厚度，&(.〇是需彎矩，A是螺帽與變形梁體之間的初始空隙，x 是在變形梁體中軸線上應(yīng)變監(jiān)測點距變形梁體固定端的距離。
[0022] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0023] 1、本發(fā)明中采用了可大規(guī)模分布式監(jiān)測的布里淵散射技術(shù)，解決了盾構(gòu)隧道管片 錯臺以目測或檢測手段為主，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測的困境，提升了隧道工程的安全監(jiān)測水平， 具有較強的適用性及市場競爭力；
[0024] 2、本發(fā)明中通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得盾構(gòu)隧道管片錯臺變形監(jiān)測轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃瘟?體的應(yīng)變監(jiān)測，同時梁體的軸向應(yīng)變?yōu)榫鶆驊?yīng)變，大幅提升了應(yīng)變傳感和錯臺變形解析的 精度，為進一步實施工程結(jié)構(gòu)的安全評估提供了有效依據(jù)；
[0025] 3、本發(fā)明中傳感設(shè)施結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了大規(guī)模盾構(gòu)隧道管片錯臺的低成本在線監(jiān) 測，市場競爭力強，為保障國家基礎(chǔ)設(shè)施安全產(chǎn)生有益效果。
【附圖說明】：
[0026] 圖1為本發(fā)明的變形感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0027] 圖2為本發(fā)明的變形感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖二；
[0028] 圖3為本發(fā)明各部件連接示意圖；
[0029] 圖中主要附圖標(biāo)記含義如下：
[0030] 1、接縫，2、盾構(gòu)隧道管片，3、變形梁體，4、螺桿，5、螺帽，6、傳感光纖，7、粘貼劑，8、 螺孔，9、條形孔，10、變形感應(yīng)裝置，11、分布式光纖解調(diào)儀，12、計算機。
【具體實施方式】：
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做具體的介紹。
[0032] 圖1為本發(fā)明的變形感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖一；圖2為本發(fā)明的變形感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu) 不意圖^;圖3為本發(fā)明各部件連接不意圖；
[0033] 如圖3所示：本實施例是一種可大規(guī)模高精度在線監(jiān)測盾構(gòu)隧道錯臺的系統(tǒng)，包 括若干個變形感應(yīng)裝置10,若干個變形感應(yīng)裝置10經(jīng)光纖傳感回路與分布式光纖解調(diào)儀 11連通，分布式光纖解調(diào)儀11與計算機12連通，如圖1和2所示：變形感應(yīng)裝置10包括 變形梁體3和傳感光纖6,變形梁體3的一端固定連接在接縫1 一側(cè)的盾構(gòu)隧道管片2上， 另一端定向固定連接在所述接縫1另一側(cè)的盾構(gòu)隧道管片2上，變形梁體3連接處的上下 兩面設(shè)有夾持螺帽5,且所述定向固定端的變形梁體3與上下夾持螺帽5之間存有空隙；傳 感光纖6沿變形梁體3上下表面的中軸線布置，且在中軸線上形成有自由傳感光纖；本實 施例自由傳感光纖長度為20cm，自由傳感光纖不受變形梁體3的影響，只對溫度變化敏感， 用來實施變形感應(yīng)的溫度補償，為了更好的溫度補償，自由傳感光纖也可以根據(jù)變形梁體3 設(shè)置長度大于20cm ;本實施例所述光纖傳感回路通過串聯(lián)若干個變形感應(yīng)裝置10上的傳 感光纖6與分布式光纖解調(diào)儀11連通形成通光回路后與計算機12連通。
[0034] 本實施例中，變形梁體3通過錨固在盾構(gòu)隧道管片2上的螺桿4與接縫1兩側(cè)的 盾構(gòu)隧道管片2連接，變形梁體3的其中一端通過兩個螺孔8與兩個錨固在接縫1 一側(cè)的 盾構(gòu)隧道管片2上的螺桿4固定連接，另一端通過變形梁體3上的條形孔9與一根錨固在 接縫1另一側(cè)盾構(gòu)隧道管片2上的螺桿3定向連接。
[0035] 由于空間分解內(nèi)應(yīng)變的不均勻程度會嚴(yán)重影響應(yīng)變監(jiān)測精度，因此，本實施例中 變形梁體3為等強度、等厚度的變截面梁，為了保證應(yīng)變傳感的靈敏度和精度，本實施例變 形梁體3長度為50cm，當(dāng)然也可以在30cm-5〇 Cm范圍中選用；為了提高變形感應(yīng)裝置10的 長期耐久性能，本實施例所述變形梁體3、螺桿4和螺帽5均為不銹鋼材質(zhì)。
[0036] 本實施例在定向固定端的變形梁體3與上下夾持螺帽5之間存有的空隙為0. 5_， 保證在接縫1發(fā)生張開或閉合時變形梁體3可以沿軸向自由移動而無應(yīng)變，在錯臺情況發(fā) 生時，變形梁體3產(chǎn)生彎曲應(yīng)變，0. 5_的空隙不影響變形感應(yīng)裝置10對錯臺變形感應(yīng)的敏 感度，但是在變形解析計算時，需要將空隙大小作為錯臺變形的初始項考慮進去，當(dāng)然，也 可以根據(jù)實際情況將空隙設(shè)置在0. l-o. 5_范圍內(nèi)。
[0037]本實施例中傳感光纖6為單模光纖