基於分布式光纖的隧道拱頂下沉監測裝置的製作方法

2023-05-18 08:19:41 1

本實用新型涉及隧道及地下工程領域，尤其涉及一種基於分布式光纖的隧道拱頂下沉監測裝置。

背景技術：

目前，隧道襯砌拱頂下沉監測方法主要有兩種手段，一是在隧道襯砌拱頂布設監測點，利用精密水準儀和鋼尺進行監測；另一方法是在隧道襯砌拱頂粘貼反光片，利用全站儀進行監測。其中，利用精密水準儀和鋼尺進行監測時，需要投入大量的人力，監測效率較低，精確度低，而且該方法無法在運營隧道拱頂下沉監測中應用；利用全站儀進行監測時，由於隧道內為半封閉空間，通常空氣汙濁，環境較差，其對全站儀的監測精度影響較大，且利用全站儀無法實現自動化監測，其數據處理工作較為繁瑣。可以說，現有的隧道拱頂下沉監測手段主要適用於施工期，在運營隧道中無法開展監測工作，且在實際操作過程中存在較多的弊端，已嚴重製約了隧道監測技術的進一步發展。分布式光纖已經開始應用於隧道拱頂下沉監測，例如中國專利CN105259184A公開了一種隧道拱頂分布式光纖監測裝置，分布式光纖主要利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產生的背向散射而製成的精密的光電一體化儀表，當光脈衝在光纖內傳輸時，會由於光纖本身的性質、連接器、接合點、彎曲或其它類似的事件而產生散射、反射，其中一部分的散射和反射就會返回到光時域反射儀(又稱光纖分析儀)中，然後經過光纖分析儀分析即可監測出隧道拱頂下沉情況。上述專利僅僅採用了分布式光纖和光時域反射儀，以及公開了分布式光纖的布置，具有全方位、無盲區、全時域監測等優點，但是隧道拱頂下沉監測精度上無法得到有效保證，沒有設定監測基準，如果存在隧道拱頂整體下沉，則監測有可能失效，並且分布式光纖是通過聚醯亞胺膠帶粘貼於隧道拱頂，這樣需要大量的人工作業，不能長期高精度地對隧道拱頂下沉情況進行監測。因此，亟需對傳統的隧道拱頂下沉監測手段進行優化改造。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足之處，本實用新型的目的在於提供一種基於分布式光纖的隧道拱頂下沉監測裝置，不僅使得隧道襯砌拱的拱頂下沉監測的現場布設工作省時省力、可操作性強、成本較低，而且實現了隧道拱頂下沉監測的精準化，具有較好的社會、經濟效益。

本實用新型的目的通過下述技術方案實現：

一種基於分布式光纖的隧道拱頂下沉監測裝置，包括隧道、分布式光纖和光纖分析儀，所述隧道包括隧道襯砌拱和位於隧道端部的隧道洞口，所述隧道襯砌拱的頂部為拱頂，所述分布式光纖包括分布式光纖隧道內部分和與分布式光纖隧道內部分電通信連接的分布式光纖隧道外部分，所述隧道襯砌拱的拱頂沿著隧道長度方向上開有凹槽，所述分布式光纖隧道內部分設置於隧道襯砌拱的凹槽中，所述隧道洞口外部設有光纖分析儀和基準點，所述基準點頂部與拱頂的凹槽之間固定連接有套管，所述分布式光纖隧道外部分置於套管的管內，所述分布式光纖隧道外部分通過導線與光纖分析儀電通信連接。

為了更好地實現本實用新型，所述凹槽內填充有環氧樹脂膠，所述分布式光纖通過環氧樹脂膠密封在凹槽內部。

為了便於監測隧道襯砌拱的拱頂與基準點的高程差，所述套管所在直線與凹槽所在直線位於同一直線上。

作為優選，所述基準點至隧道洞口之間的垂直距離比隧道洞口直徑至少大三倍。

作為優選，所述基準點為水泥混凝土製造的水泥混凝土墩。

作為優選，所述光纖分析儀包括應變感測光纜和緊密包裹於應變感測光纜外部的護套，所述應變感測光纜與護套之間封裝有聚氨酯彈性材料保護層；所述分布式光纖的直徑為2mm，重量為2kg/km；所述套管為內徑2cm的PVC管，所述套管的一端端部與基準點頂部固定連接，套管的另一端端部與拱頂固定連接。

作為優選，所述凹槽位於拱頂底部，所述凹槽的寬度和深度均不超過5mm。

本實用新型較現有技術相比，具有以下優點及有益效果：

(1)本實用新型在隧道外部距離隧道洞口一定距離設置有基準點，為分布式光纖監測隧道拱頂下沉情況提供了基準位置，便於精確監測；並且，隧道襯砌拱的拱頂上開有用於安裝分布式光纖的凹槽，將分布式光纖通過環氧樹脂膠封裝在凹槽中，可以長期高精度監測隧道拱頂下沉情況，相比傳統技術一次性監測更加省時、省力。

(2)本實用新型在布置時，套管所在直線與凹槽所在直線位於同一直線上，那麼利用分布式光纖監測隧道襯砌拱與基準點的高程差即可輕鬆得到隧道拱頂下沉情況；本實用新型不僅使得隧道襯砌拱的拱頂下沉監測的現場布設工作省時省力、可操作性強、成本較低，而且實現了隧道拱頂下沉監測的精準化，具有較好的社會、經濟效益。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；

圖2為圖1中A處的局部放大示意圖。

其中，附圖中的附圖標記所對應的名稱為：

1－隧道，11－隧道襯砌拱，111－拱頂,112－隧道洞口，2－分布式光纖，21－分布式光纖隧道內部分，22－分布式光纖隧道外部分，3－基準點，4－套管，5－光纖分析儀，6－導線，7－凹槽，8－環氧樹脂膠。

具體實施方式

下面結合實施例對本實用新型作進一步地詳細說明：

實施例

如圖1、圖2所示，一種基於分布式光纖的隧道拱頂下沉監測裝置，包括隧道1、分布式光纖2和光纖分析儀5，隧道1包括隧道襯砌拱11和位於隧道1端部的隧道洞口112，隧道襯砌拱11的頂部為拱頂111，分布式光纖2包括分布式光纖隧道內部分21和與分布式光纖隧道內部分21電通信連接的分布式光纖隧道外部分22，隧道襯砌拱11的拱頂111沿著隧道長度方向上開有凹槽7，分布式光纖隧道內部分21設置於隧道襯砌拱11的凹槽7中，隧道洞口112外部設有光纖分析儀5和基準點3，基準點3頂部與拱頂111的凹槽7之間固定連接有套管4，分布式光纖隧道外部分22置於套管4的管內，分布式光纖隧道外部分22通過導線6與光纖分析儀5電通信連接。

如圖2所示，凹槽7內填充有環氧樹脂膠8，分布式光纖2通過環氧樹脂膠8密封在凹槽7內部，這樣分布式光纖2就不會在凹槽7中發生偏移，提高了監測精度。

本實用新型的基準點3為隧道拱頂下沉監測提供了基準位置，同時套管4所在直線與凹槽7所在直線位於同一直線上，那麼利用分布式光纖2監測隧道襯砌拱11與基準點3的高程差即可輕鬆得到隧道拱頂下沉情況。

如圖1所示，基準點3至隧道洞口112之間的垂直距離比隧道洞口112直徑至少大三倍，本實用新型將基準點3設置於離隧道洞口112一定距離，可以降低基準點3隨隧道襯砌拱11整體下沉影響，有利於提高監測精度。

本實用新型優選的基準點3為水泥混凝土製造的水泥混凝土墩。

本實用新型優選的光纖分析儀5包括應變感測光纜和緊密包裹於應變感測光纜外部的護套，應變感測光纜與護套之間封裝有聚氨酯彈性材料保護層。分布式光纖2的直徑為2mm，重量為2kg/km。套管4為內徑2cm的PVC管，光纖分析儀5緊密套裝於套管4中，光纖分析儀5不會在PVC管中發生晃動或偏移，有利於隧道拱頂下沉監測。如圖1所示，套管4的一端端部與基準點3頂部固定連接，套管4的另一端端部與拱頂111固定連接。

本實用新型優選的凹槽7位於拱頂111底部，凹槽7的寬度和深度均不超過5mm。

本實用新型利用分布式光纖對隧道襯砌拱11的拱頂111下沉進行監測，實現了對隧道拱頂的全面監測，避免了常規的點式監測的弊端，而且利用分布式光纖極大的提高了隧道拱頂下沉的監測精度；其次，本實用新型通過在隧道襯砌拱頂刻槽，並利用環氧樹脂膠8將分布式光纖2固定，其施工方法簡單、可操作性強、成本較低；最後，光纖分析儀2可設置為定期向分布式光纖輸入脈衝雷射信號，以監測隧道拱頂下沉情況，同時可以通過內置GPRS模塊將監測數據傳輸至數據平臺中，便於遠程數據平臺及時得知拱頂下沉情況，實現隧道拱頂下沉監測的自動化、智能化，極大的提高了監測效率。

上述實施方式只是本實用新型的一個優選實施例，並不是用來限制本實用新型的實施與權利範圍的，凡依據本實用新型申請專利保護範圍所述的內容做出的等效變化和近似替換，均應落在本實用新型的保護範圍內。