[发明专利]一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法

权利要求书

1.一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置包括粘贴型分布式光纤(3)、碳纤维底胶(4)、连接光纤(5)、导线(6)以及光纤分析仪(7)；待监测盾构隧道管片(1)设置有多个相互并行的监测断面；所述粘贴型分布式光纤(3)通过碳纤维底胶(4)分别布设在每个监测断面上；所述设置在多个相互并行的监测断面上的粘贴型分布式光纤(3)通过连接光纤(5)相互串联；所述光纤分析仪(7)置于盾构隧道管片(1)外部；所述粘贴型分布式光纤(3)通过导线(6)与光纤分析仪(7)相连。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述粘贴型分布式光纤(3)通过碳纤维底胶(4)分别布设在处于每个监测断面的上半部分的外侧表面上。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述相邻两个监测断面之间的距离是25m～30m。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述粘贴型分布式光纤(3)包括碳纤维编织网(31)以及分布式光纤(32)；所述碳纤维编织网(31)包裹在分布式光纤(32)外部；所述碳纤维编织网(31)通过碳纤维底胶(4)分别布设在每个监测断面上。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述粘贴型分布式光纤(3)还包括涤纶线(33)；所述分布式光纤(32)布设在碳纤维编织网(31)中间并通过涤纶线(33)与碳纤维编织网(31)相连。

6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述分布式光纤(32)是紧包护套应变感测光缆，所述分布式光纤(32)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(32)的直径为2mm，所述分布式光纤(32)的重量为2kg/km。

7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述碳纤维编织网(31)的宽度不大于5cm；所述涤纶线(33)沿碳纤维编织网(31)的纵向以不大于5cm的间隔分别与分布式光纤(32)以及碳纤维编织网(31)相连。

8.根据权利要求7所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置，其特征在于：所述连接光纤(5)以及导线(6)均采用金属基索状光缆，所述连接光纤(5)以及导线(6)均通过多股金属加强件保护内部光纤，所述连接光纤(5)以及导线(6)的截面尺寸为Φ5mm，重量为38kg/km，应变测试范围为-15000με～+15000με。

9.一种基于如权利要求8所述的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置的监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)清洗盾构隧道管片(1)：将盾构隧道管片(1)上半部分的外侧表面沿环向进行清洗，所清洗区域的宽度不小于10cm；

2)制作粘贴型分布式光纤(3)：裁剪出宽度不大于5cm的碳纤维编织网(31)，将分布式光纤(32)布设在碳纤维编织网(31)中间，并利用涤纶线(33)沿纵向以不大于5cm的间隔进行固定；

3)涂刷碳纤维底胶(4)：在盾构隧道管片(1)的清洗区域均匀涂刷碳纤维底胶(4)，所述碳纤维底胶(4)的宽度不小于8cm；

4)布设粘贴型分布式光纤(3)：将步骤2)制备得到的粘贴型分布式光纤(3)沿盾构隧道管片(1)的环向粘贴至涂刷碳纤维底胶(4)部位，在粘贴型分布式光纤(3)外侧再涂刷一层碳纤维底胶(4)，确保粘贴型分布式光纤(3)与盾构隧道管片(1)粘贴牢固；

5)布设连接光纤(5)：将连接光纤(5)用线卡沿盾构隧道轴线固定在盾构隧道管片(1)上，线卡间距不宜大于2m；所述连接光纤(5)与粘贴型分布式光纤(3)相连；

6)安装导线(6)及光纤分析仪(7)：在盾构隧道洞口处安装导线(6)，将粘贴型分布式光纤(3)与光纤分析仪(7)进行连接，光纤分析仪(7)应布设在洞口空旷处，利于GPRS信号的传输；

7)对盾构隧道管片(1)的整体变形情况进行监测。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤7)的具体监测方式是：

在盾构隧道管片(1)上选取微段AB，AB代表了管片截面的中轴线，变形前的微段AB经位移后保持在A”B”的平衡位置，总的位移视为切向位移v_s和径向位移v_r两部分组成；所述切向位移v_s是从AB到A'B'；所述径向位移v_r是从A'B'到A”B”；由于盾构隧道管片(1)切向变形一般较小，假定A'B'≈ds，则在纯径向位移状态下，微段长度A”B”＝ds-Δds，则有：

Δds＝rdθ-(r-v_r)dθ＝v_rdθ＝v_rds/r (1)

式中：

r为盾构隧道截面半径；

dθ为盾构隧道管片(1)转动角度；

由于盾构隧道管片(1)变形后绕曲率中心的曲率由单位弧长的角增量计算，因此管片微段AB变形至A”B”位置时的曲率k’为：

$k^{\′}=\frac{1}{r^{\′}}=\frac{d\mathrm{\θ}+(\frac{\∂v_r}{\∂s}+\frac{{\∂}^2{v}_r}{\∂s^2}ds)-\frac{\∂v_r}{\∂s}}{ds-\mathrm{\Δ}ds}=\frac{\frac{ds}{r}+\frac{{\∂}^2{v}_r}{\∂s^2}ds}{ds-\frac{v_r}{r}ds}=\frac{\frac{1}{r}+\frac{{\∂}^2{v}_r}{\∂s^2}}{1-\frac{v_r}{r}}=\frac{1}{r}+\frac{v_r}{r^2}+\frac{d^2{v}_r}{{\mathrm{ds}}^2}---\left(2\right)$

对式(2)进行移项处理，可得盾构隧道管片(1)微段AB的曲率变化率Δk：

$\mathrm{\Δ}k=\frac{1}{r^{\′}}-\frac{1}{r}=\frac{d^2{v}_r}{{\mathrm{ds}}^2}+\frac{v_r}{r^2}---\left(3\right)$

利用管片的曲率变化率Δk直观的反映盾构隧道管片(1)整体变形情况。