[发明专利]沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途

摘要

本发明涉及基础设施结构安全健康监测领域，具体而言是一种基于光纤传感的沉管隧道变形监测及受力分析系统及其使用方法和用途。本发明具有结构紧凑、稳定性好、灵敏度高、抗电磁干扰、环境适应能力强等优点；传感器内光纤光栅制作时，光纤掩模板采用的占宽比为0.5，最优槽形深度为234±10nm，可将光纤光栅的零级衍射效率可低至2％,且±1级的衍射效率也可达36％，这使得制作出的光纤光栅具有高反射率、高边模抑制比和窄带宽等优点，测量结果也更加准确；监测数据通过无线远程数据传输网络进行传输，具有远程监控的特点，大大方便了监测工作的开展。

主权项

一种用于沉管隧道建设施工或建成后的运营监测的沉管隧道变形监测及受力分析系统，包括至少一个安装在沉管隧道断面的光纤光栅传感器组、光纤光栅解调仪和监控主机，光纤光栅传感器组与光纤光栅解调仪通过传输光纤连接，光纤光栅解调仪通过无线远端连接至监控主机，其特征在于：每个光纤光栅传感器组包括6个用于监测沉管隧道断面各监测点应变的光纤光栅应变传感器和1个用于温度校正的光纤光栅温度传感器，每个光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器分别与支路传输光纤相熔接，支路传输光纤汇集于干路总传输光纤，干路总传输光纤连接至光纤光栅解调仪，形成一套多断面多点位的实时监测系统；所述光纤光栅解调仪发出探测光经传输光纤入射至测试区所有的光纤光栅传感器中，由光纤光栅反射回的反射光又经光纤光栅解调仪解调，得到各传感器反射光的波长信号；监控主机通过无线远程数据传输网络与光纤光栅解调仪进行数据传输，并对数据进行处理，以得到各监测点的应变；所述光纤光栅应变传感器的光纤光栅是采用相位掩模法制得，所述相位掩模法为：将光敏光纤贴紧于相位光栅掩模板，利用相位光栅掩模近场衍射所产生的干涉条纹在光纤中形成周期性扰动的折射率，从而形成光纤光栅，其中所述相位光栅掩模板的槽形深度为234±10nm、占宽比为0.5；所述监控主机数据处理为：首先将原数据绘制成光谱图，后经高斯拟合将原本离散的数据拟合为若干单峰谱曲线叠加而成，可得到各光纤光栅传感器反射光的波长时程图，利用公式λ‑λ0＝Cc‑fλB(1‑pc)εf其中，λ为光纤光栅应变传感器所测得波长值、λ0为光纤光栅布拉格波长、Cc‑f为光纤与铜片间的粘贴系数，λB为光纤光栅中心反射波长，pc光纤有效光弹系数，εf为应变，即可换算出得到各监测点的应变时程曲线；所述监控主机数据处理还包括：将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，可反算出沉管隧道下卧层地基的地基刚度；通过对沉管隧道管片结构应变的监测，可根据管片的本构方程推知管片底部外表面的应力值，再采用分层总和法可算出基础层及下部土层总最终沉降量S1＝h1P1/Es1、S2＝h2P2/Es2，其中，S1为基础层最大沉降量、S2为土层最大沉降量、h1为基础层厚度、h2为土层厚度、P1为基础层上覆荷载、P2为土体上覆荷载、Es1为基础层压缩模量、Es2为土体压缩模量；结合太沙基固结沉降理论可知截面t时刻的理论沉降量为S(t)＝S1+UzS2，其中Uz为土体固结度，然后截面下任意时刻地基刚度K(t)＝P1/S(t)，利用K(t)再采用弹性地基梁法，即可计算出每个断面的沉降差，也可计算出沉管隧道沉降随时间的变化；再根据变形协调关系，进而可以反算出沉管隧道内力、外力随着时间变化的大小；监控主机对中央数据库数据访问下载后，将原数据变换为各监测点的应变值，监控主机的分析系统再将所测应变值带入沉管隧道计算模型中，即可反演推算出管片所受外力值；光纤光栅解调仪与监控主机之间的数据传输是通过无线远程传输系统以无线远程数据传输网络媒介传输的，所述无线远程传输系统由依次串联的现场监测站的客户端无线调制解调器、光纤光栅解调仪内客户端传输程序、中央数据库、用户端无线调制解调器、监控主机内传输程序组成，每个监测点的监测数据都通过无线网络传输到中央数据库，中央数据库对数据信息进行预处理和录入，保证数据的准确有效性，监控主机获取权限后可对中央数据库内的数据进行访问。