本發(fā)明涉及一種隧道施工下管棚支護(hù)變形的監(jiān)測方法，具體涉及隧道管棚的彎矩、撓度和應(yīng)力變化的量測方法。

背景技術(shù)：

隨著城市化的進(jìn)程日益加快，導(dǎo)致許多城市市區(qū)交運(yùn)量加速增長，也使城市交通壓力日趨增大。相對于日趨飽和的地上空間，地下空間的開發(fā)利用成為解決交通擁堵問題的有效途徑，其中城市隧道的修建也成為了地下空間開發(fā)的重要手段。淺埋暗挖法對周邊環(huán)境影響小、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，被廣泛應(yīng)用于隧道施工。由于在淺埋暗挖法施工過程中，圍巖條件通常較差，施工風(fēng)險(xiǎn)性較大。為提高圍巖強(qiáng)度與抑制圍巖變形，工程較多采用管棚超前支護(hù)的方法加固圍巖結(jié)構(gòu)。但管棚在穩(wěn)定圍巖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，自身也會產(chǎn)生一定的變形，因此實(shí)時(shí)監(jiān)測管棚變形與內(nèi)力變化可大大提高隧道施工的安全性。目前管棚變形監(jiān)測一般采用測斜儀測量其撓度變化，但當(dāng)管棚變形加劇時(shí)，其測斜導(dǎo)管彎曲度變大會導(dǎo)致測斜儀無法通過導(dǎo)管而使監(jiān)測中斷；當(dāng)測斜導(dǎo)管內(nèi)腔進(jìn)有泥沙時(shí)，會使測斜儀的讀數(shù)產(chǎn)生較大誤差，這些問題都降低了測斜儀的可靠性，從而導(dǎo)致對管棚穩(wěn)定性的判斷不準(zhǔn)確。而分布式光纖傳感技術(shù)，具有耐久性好、抗電磁干擾、耐腐蝕等特點(diǎn)且其實(shí)現(xiàn)了連續(xù)分布式監(jiān)測，而其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以準(zhǔn)確地測出光纖延線上的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)和損傷等多種信息，被廣泛用于橋梁、大壩、高樓、隧道等結(jié)構(gòu)的健康檢測，但其對于隧道管棚變形方面的監(jiān)測尚未開始，對于穩(wěn)定性的判定方法也無相關(guān)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為提高隧道施工的安全性，本發(fā)明特提出一種準(zhǔn)確、可靠、方便、又可以連續(xù)開展的監(jiān)測隧道施工下管棚支護(hù)變形的方法。

一種隧道管棚變形監(jiān)測方法，包括步驟如下：

(1)分布式光纖應(yīng)變傳感器的布設(shè)：首先預(yù)制圓柱體形狀的鋼筋籠，并將鋼筋籠橫置，取其與水平面垂直的軸截面，該軸截面與圓柱體側(cè)面產(chǎn)生兩條交線，將一條分布式光纖傳感回路布設(shè)在這兩條交線上，具體為：分布式光纖傳感回路沿一條交線延伸并在圓柱體的底面處彎折再沿另一條交線反向延伸，分布式光纖傳感回路的兩端分別與數(shù)據(jù)采集儀連接；將鋼筋籠推送至待測鋼管內(nèi)，使鋼筋籠的中心軸與鋼管的中心軸重合，向鋼管內(nèi)注入水泥漿形成一個(gè)共同受力的變形體；

(2)數(shù)據(jù)的采集：在待測鋼管中選取n個(gè)測量截面，測量截面的間距為Δx_i，通過數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)截面在豎向荷載的作用下所產(chǎn)生的縱向形變，并將其傳輸至監(jiān)測主機(jī)；

(3)變形計(jì)算及穩(wěn)定性判斷：監(jiān)測主機(jī)利用布里淵調(diào)解技術(shù)原理和材料力學(xué)理論，計(jì)算待測鋼管各截面的縱向應(yīng)變差并求得待測鋼管每個(gè)截面上的撓度w_i，并分析隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

待測鋼管在截面i上的撓度w_i

其中，Δx_i為測量截面的間距；Δε_εi為位于不同交線上的傳感光纖之間的真實(shí)應(yīng)變差；l為位于不同交線上的傳感光纖之間的間距；θ_i為測量截面i的轉(zhuǎn)角；

當(dāng)計(jì)算得到的鋼管撓度最大值時(shí)，隧道管棚穩(wěn)定，時(shí)，隧道管棚即將失穩(wěn)，其中L為待測鋼管的長度。

進(jìn)一步地，步驟(3)穩(wěn)定性判斷還可以包括彎矩M_i的計(jì)算，以進(jìn)一步輔助監(jiān)測，使監(jiān)測結(jié)果更可信：

待測鋼管在截面i上的彎矩M_i為

其中，EI_z為待測鋼管的彎曲剛度；Δθ_i為待測鋼管在截面i-1與截面i的相對轉(zhuǎn)角；Δx_i為測量截面的間距；Δε_εi為位于不同交線上的傳感光纖之間的真實(shí)應(yīng)變差；l為位于不同交線上的傳感光纖之間的間距；

計(jì)算得到的彎矩值0.9M_i,max小于管棚彎矩承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，隧道管棚穩(wěn)定。

進(jìn)一步地，所述鋼筋籠尺寸根據(jù)管棚鋼管的尺寸來確定，鋼筋籠直徑不能大于鋼管直徑。

進(jìn)一步地，在向鋼管內(nèi)注入水泥漿前后均需要使用布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)進(jìn)行分布式光纖的通光性檢測，以確定傳感光纖是否受損，從而保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步地，所述水泥漿中漿液的水灰重量比為1：1，注漿壓力0.5～3.0MPa，上述注漿參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)予以調(diào)整。

進(jìn)一步地，所述分布式光纖傳感回路的布設(shè)，采用環(huán)氧樹脂膠將分布式光纖傳感回路粘貼在鋼筋籠上。

進(jìn)一步地，所述鋼筋籠下方焊接帶有推送滾輪的鋼筋支架，使鋼筋籠穩(wěn)定地推進(jìn)至待測鋼管中，并保證分布式光纖傳感回路所形成的平面與待測鋼管的中性面垂直。

進(jìn)一步地，所述測量截面間距Δx_i的選取可根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，但測量截面間距不得大于10cm。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集儀設(shè)置在隧道入口處，數(shù)據(jù)采集儀的一端通過傳輸光纜與分布式光纖傳感回路連接，另一端通過傳輸光纜或無線傳輸設(shè)備與監(jiān)測主機(jī)相連接，并將監(jiān)測到的縱向形變數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測主機(jī)。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集儀包括BOTDA模塊、控制模塊和電池模塊。

本發(fā)明的工作原理和方法如下：

根據(jù)布里淵調(diào)解技術(shù)可知，布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)測量值包括溫度和應(yīng)變兩部分的影響，則BOTDA測量值由兩部分組成，如式(1)，

ε_c＝ε_ε+ε_t (1)

其中，ε_c為BOTDA對光纖的應(yīng)變測量值；ε_ε為光纖受待測鋼管變形而產(chǎn)生的真實(shí)應(yīng)變；ε_t為環(huán)境溫度所造成的測量值上的應(yīng)變誤差。

在待測鋼管中選取n個(gè)測量截面，測量截面的間距為Δx_i，在測量截面i上，可根據(jù)BOTDA對光纖的應(yīng)變測量值ε_ci得到鋼筋籠位于不同交線上的傳感光纖之間由于待測鋼管形變所引起的真實(shí)應(yīng)變差Δε_εi，從而不同交線上的傳感光纖應(yīng)變測量值的差值消除溫度影響，實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，如式(2)，

Δε_εi＝ε_εi,1-ε_εi,2＝ε_ci,1-ε_ci,2 (2)

由材料力學(xué)理論可知，測量截面i的轉(zhuǎn)角θ_i為

待測鋼管在截面i-1與截面i的相對轉(zhuǎn)角Δθ_i與不同交線上的傳感光纖所產(chǎn)生的真實(shí)應(yīng)變差Δε_ci的關(guān)系為：

其中，Δx_i為沿待測鋼管軸線上兩測量截面間的距離；l為位于不同交線上的傳感光纖之間的間距。

由相對轉(zhuǎn)角累加可得，

由此可得，待測鋼管在截面i上的彎矩M_i為

其中，EI_z為待測鋼管的彎曲剛度；Δθ_i為待測鋼管在截面i-1與截面i的相對轉(zhuǎn)角；Δx_i為測量截面的間距；Δε_εi為位于不同交線上的傳感光纖之間的真實(shí)應(yīng)變差；l為位于不同交線上的傳感光纖之間的間距。

進(jìn)而得到截面i上各點(diǎn)的應(yīng)力值σ_i,y，

其中，y為截面i上一點(diǎn)到其所對應(yīng)的中性軸的距離。

由式(3)與式(5)可得，待測鋼管在截面i上的撓度w_i為

監(jiān)測系統(tǒng)通過分布式光纖傳感技術(shù)計(jì)算出待測鋼管各截面的撓度、彎矩及最大應(yīng)力值，利用監(jiān)測信息分析管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測管棚變形，監(jiān)測設(shè)備耐久性好，可用于長期監(jiān)測，且監(jiān)測精度高。分布式光纖傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有連續(xù)分布式的特點(diǎn)，更加適合于管棚這種連續(xù)性變形的結(jié)構(gòu)。監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，將分布式光纖傳感回路分別布設(shè)在鋼筋籠的上下方可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，消除溫度影響。通過測量分布式光纖的縱向應(yīng)變值，計(jì)算出管棚的彎矩、撓度和內(nèi)力，計(jì)算方法簡單實(shí)用。本發(fā)明可通過無線或局域網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)測主機(jī)，由監(jiān)測主機(jī)分析處理數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道施工下管棚變形的在線、動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

附圖說明

圖1本發(fā)明監(jiān)測方法流程圖；

圖2本發(fā)明監(jiān)測設(shè)施的徑向剖視圖；

圖3本發(fā)明監(jiān)測設(shè)施的軸向剖視圖；

圖4本發(fā)明管棚上待測鋼管選取位置的示意圖；

圖2-4中：1-待測鋼管；1.1-待測鋼管I；1.2-待測鋼管II；1.3-待測鋼管III；2-鋼筋籠；3-鋼筋支架；4-分布式光纖傳感回路；4.1-頂端分布式傳感光纖；4.2-底端分布式傳感光纖；5-推送滾輪；6-傳輸光纜；7-數(shù)據(jù)采集儀。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

對如圖4所示的管棚進(jìn)行監(jiān)測，選取隧道拱頂及拱腰位置的三根鋼管(待測鋼管I 1.1；待測鋼管II 1.2；待測鋼管III 1.3)監(jiān)測。

對每根待測鋼管都按照如圖2、3所示的布置方案對隧道管棚變形進(jìn)行監(jiān)測，包括步驟如下：

(1)分布式光纖傳感回路4的布設(shè)：管棚鉆孔打設(shè)后，在隧道拱頂及拱腰位置選取待測鋼管1，然后，預(yù)先制作圓柱體形狀的鋼筋籠2，并將鋼筋籠2橫置，在鋼筋籠2下方焊接帶有推送滾輪5的鋼筋支架3。取鋼筋籠2與水平面垂直的軸截面，該軸截面與圓柱體側(cè)面產(chǎn)生兩條交線，將一條分布式光纖傳感回路4布設(shè)在這兩條交線上，具體為：分布式光纖傳感回路4沿一條交線延伸并在圓柱體的底面處彎折再沿另一條交線反向延伸，為了結(jié)合圖2、3使表述更清楚，將位于鋼筋籠2頂端的分布式光纖傳感回路部分稱作頂端分布式傳感光纖4.1，將位于鋼筋籠2底端的分布式光纖傳感回路部分稱作底端分布式傳感光纖4.2，分布式光纖傳感回路4的兩端分別與數(shù)據(jù)采集儀連接。傳感光纖采用康寧900μm緊套單模光纖83/125/900μm(芯徑/包層直徑/緊套直徑μm)，用環(huán)氧樹脂膠粘貼在鋼筋籠2上。通過推送滾輪5將鋼筋籠2推送入待測鋼管1內(nèi)，推送時(shí)平緩?fù)扑褪狗植际焦饫w傳感回路4所形成的平面與待測鋼管1的中性面垂直，推入完成后向待測鋼管1內(nèi)注入水泥漿形成一個(gè)包含待測鋼管1、鋼筋籠2、水泥漿、鋼筋支架3和分布式光纖傳感回路4的共同受力的變形體，在注漿前后均需要使用布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)進(jìn)行分布式光纖的通光性檢測以確定傳感光纖是否受損；

(2)數(shù)據(jù)的采集：布設(shè)傳輸光纜6，其一端與分布式光纖傳感回路4連接，另一端與數(shù)據(jù)采集儀7相連接。數(shù)據(jù)分析儀7設(shè)置在隧道入口處，數(shù)據(jù)采集儀7包括BOTDA模塊、控制模塊和電池模塊，在數(shù)據(jù)采集儀7的另一端布設(shè)傳輸光纜或無線傳輸設(shè)備使其與監(jiān)測主機(jī)相連接。在待測鋼管中選取n個(gè)測量截面，測量截面的間距為Δx_i，通過數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測管棚中待測鋼管各個(gè)截面在豎向荷載的作用下所產(chǎn)生的縱向形變，并將其傳輸至監(jiān)測主機(jī)。

(3)變形計(jì)算及穩(wěn)定性判斷：監(jiān)測主機(jī)利用布里淵調(diào)解技術(shù)原理和材料力學(xué)理論，計(jì)算待測鋼管各截面的縱向應(yīng)變差并求得待測鋼管各個(gè)截面的撓度w_i、彎矩M_i和各點(diǎn)的應(yīng)力值σ_i,y，并分析隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

當(dāng)計(jì)算得到的鋼管撓度最大值(L為待測鋼管的長度)時(shí)，管棚變形撓度達(dá)到其安全閾值。監(jiān)測主機(jī)可通過獲得的撓度數(shù)據(jù)與其設(shè)定的安全閾值對比分析管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

另外，還可以通過彎矩M_i的計(jì)算對穩(wěn)定性進(jìn)行輔助性監(jiān)測：

當(dāng)計(jì)算得到的彎矩值0.9M_i,max小于管棚彎矩承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，隧道管棚穩(wěn)定。

本發(fā)明采用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測管棚變形，可通過監(jiān)測各測點(diǎn)的縱向應(yīng)變值計(jì)算獲得其撓度值和彎矩值，監(jiān)測方法簡單快捷，與傳統(tǒng)的點(diǎn)式測量設(shè)備相比，分布式光纖傳感技術(shù)具有連續(xù)分布式的特點(diǎn)，使得縱向應(yīng)變值換算后得到的撓度更加趨近于一條光滑的曲線，能更好地反映在待測鋼管沿線上其撓度變化規(guī)律。其監(jiān)測設(shè)備耐久性好，可用于長期監(jiān)測。監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，在鋼筋籠上下兩端布設(shè)分布式光纖傳感回路可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，消除溫度影響。