一种隧道管棚变形监测方法与流程

本发明涉及一种隧道施工下管棚支护变形的监测方法，具体涉及隧道管棚的弯矩、挠度和应力变化的量测方法。

背景技术：

随着城市化的进程日益加快，导致许多城市市区交运量加速增长，也使城市交通压力日趋增大。相对于日趋饱和的地上空间，地下空间的开发利用成为解决交通拥堵问题的有效途径，其中城市隧道的修建也成为了地下空间开发的重要手段。浅埋暗挖法对周边环境影响小、经济实用，被广泛应用于隧道施工。由于在浅埋暗挖法施工过程中，围岩条件通常较差，施工风险性较大。为提高围岩强度与抑制围岩变形，工程较多采用管棚超前支护的方法加固围岩结构。但管棚在稳定围岩结构的同时，自身也会产生一定的变形，因此实时监测管棚变形与内力变化可大大提高隧道施工的安全性。目前管棚变形监测一般采用测斜仪测量其挠度变化，但当管棚变形加剧时，其测斜导管弯曲度变大会导致测斜仪无法通过导管而使监测中断；当测斜导管内腔进有泥沙时，会使测斜仪的读数产生较大误差，这些问题都降低了测斜仪的可靠性，从而导致对管棚稳定性的判断不准确。而分布式光纤传感技术，具有耐久性好、抗电磁干扰、耐腐蚀等特点且其实现了连续分布式监测，而其最大的优点在于可以准确地测出光纤延线上的应变、温度、振动和损伤等多种信息，被广泛用于桥梁、大坝、高楼、隧道等结构的健康检测，但其对于隧道管棚变形方面的监测尚未开始，对于稳定性的判定方法也无相关研究。

技术实现要素：

为提高隧道施工的安全性，本发明特提出一种准确、可靠、方便、又可以连续开展的监测隧道施工下管棚支护变形的方法。

一种隧道管棚变形监测方法，包括步骤如下：

(1)分布式光纤应变传感器的布设：首先预制圆柱体形状的钢筋笼，并将钢筋笼横置，取其与水平面垂直的轴截面，该轴截面与圆柱体侧面产生两条交线，将一条分布式光纤传感回路布设在这两条交线上，具体为：分布式光纤传感回路沿一条交线延伸并在圆柱体的底面处弯折再沿另一条交线反向延伸，分布式光纤传感回路的两端分别与数据采集仪连接；将钢筋笼推送至待测钢管内，使钢筋笼的中心轴与钢管的中心轴重合，向钢管内注入水泥浆形成一个共同受力的变形体；

(2)数据的采集：在待测钢管中选取n个测量截面，测量截面的间距为Δx_i，通过数据采集仪实时监测每个截面在竖向荷载的作用下所产生的纵向形变，并将其传输至监测主机；

(3)变形计算及稳定性判断：监测主机利用布里渊调解技术原理和材料力学理论，计算待测钢管各截面的纵向应变差并求得待测钢管每个截面上的挠度w_i，并分析隧道管棚支护结构的稳定性；

待测钢管在截面i上的挠度w_i

其中，Δx_i为测量截面的间距；Δε_εi为位于不同交线上的传感光纤之间的真实应变差；l为位于不同交线上的传感光纤之间的间距；θ_i为测量截面i的转角；

当计算得到的钢管挠度最大值时，隧道管棚稳定，时，隧道管棚即将失稳，其中L为待测钢管的长度。

进一步地，步骤(3)稳定性判断还可以包括弯矩M_i的计算，以进一步辅助监测，使监测结果更可信：

待测钢管在截面i上的弯矩M_i为

其中，EI_z为待测钢管的弯曲刚度；Δθ_i为待测钢管在截面i-1与截面i的相对转角；Δx_i为测量截面的间距；Δε_εi为位于不同交线上的传感光纤之间的真实应变差；l为位于不同交线上的传感光纤之间的间距；

计算得到的弯矩值0.9M_i,max小于管棚弯矩承载力设计值时，隧道管棚稳定。

进一步地，所述钢筋笼尺寸根据管棚钢管的尺寸来确定，钢筋笼直径不能大于钢管直径。

进一步地，在向钢管内注入水泥浆前后均需要使用布里渊光时域分析(BOTDA)进行分布式光纤的通光性检测，以确定传感光纤是否受损，从而保证监测结果的准确性。

进一步地，所述水泥浆中浆液的水灰重量比为1：1，注浆压力0.5～3.0MPa，上述注浆参数可根据现场试验予以调整。

进一步地，所述分布式光纤传感回路的布设，采用环氧树脂胶将分布式光纤传感回路粘贴在钢筋笼上。

进一步地，所述钢筋笼下方焊接带有推送滚轮的钢筋支架，使钢筋笼稳定地推进至待测钢管中，并保证分布式光纤传感回路所形成的平面与待测钢管的中性面垂直。

进一步地，所述测量截面间距Δx_i的选取可根据工程实际进行调整，但测量截面间距不得大于10cm。

进一步地，所述数据采集仪设置在隧道入口处，数据采集仪的一端通过传输光缆与分布式光纤传感回路连接，另一端通过传输光缆或无线传输设备与监测主机相连接，并将监测到的纵向形变数据传输至监测主机。

进一步地，所述数据采集仪包括BOTDA模块、控制模块和电池模块。

本发明的工作原理和方法如下：

根据布里渊调解技术可知，布里渊光时域分析(BOTDA)测量值包括温度和应变两部分的影响，则BOTDA测量值由两部分组成，如式(1)，

ε_c＝ε_ε+ε_t (1)

其中，ε_c为BOTDA对光纤的应变测量值；ε_ε为光纤受待测钢管变形而产生的真实应变；ε_t为环境温度所造成的测量值上的应变误差。

在待测钢管中选取n个测量截面，测量截面的间距为Δx_i，在测量截面i上，可根据BOTDA对光纤的应变测量值ε_ci得到钢筋笼位于不同交线上的传感光纤之间由于待测钢管形变所引起的真实应变差Δε_εi，从而不同交线上的传感光纤应变测量值的差值消除温度影响，实现温度自补偿，如式(2)，

Δε_εi＝ε_εi,1-ε_εi,2＝ε_ci,1-ε_ci,2 (2)

由材料力学理论可知，测量截面i的转角θ_i为

待测钢管在截面i-1与截面i的相对转角Δθ_i与不同交线上的传感光纤所产生的真实应变差Δε_ci的关系为：

其中，Δx_i为沿待测钢管轴线上两测量截面间的距离；l为位于不同交线上的传感光纤之间的间距。

由相对转角累加可得，

由此可得，待测钢管在截面i上的弯矩M_i为

其中，EI_z为待测钢管的弯曲刚度；Δθ_i为待测钢管在截面i-1与截面i的相对转角；Δx_i为测量截面的间距；Δε_εi为位于不同交线上的传感光纤之间的真实应变差；l为位于不同交线上的传感光纤之间的间距。

进而得到截面i上各点的应力值σ_i,y，

其中，y为截面i上一点到其所对应的中性轴的距离。

由式(3)与式(5)可得，待测钢管在截面i上的挠度w_i为

监测系统通过分布式光纤传感技术计算出待测钢管各截面的挠度、弯矩及最大应力值，利用监测信息分析管棚支护结构的稳定性。

本发明采用分布式光纤传感技术进行实时监测管棚变形，监测设备耐久性好，可用于长期监测，且监测精度高。分布式光纤传感器的监测数据具有连续分布式的特点，更加适合于管棚这种连续性变形的结构。监测装置结构稳定，将分布式光纤传感回路分别布设在钢筋笼的上下方可实现温度自补偿，消除温度影响。通过测量分布式光纤的纵向应变值，计算出管棚的弯矩、挠度和内力，计算方法简单实用。本发明可通过无线或局域网传输到监测主机，由监测主机分析处理数据，进而实现隧道施工下管棚变形的在线、动态监测。

附图说明

图1本发明监测方法流程图；

图2本发明监测设施的径向剖视图；

图3本发明监测设施的轴向剖视图；

图4本发明管棚上待测钢管选取位置的示意图；

图2-4中：1-待测钢管；1.1-待测钢管I；1.2-待测钢管II；1.3-待测钢管III；2-钢筋笼；3-钢筋支架；4-分布式光纤传感回路；4.1-顶端分布式传感光纤；4.2-底端分布式传感光纤；5-推送滚轮；6-传输光缆；7-数据采集仪。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步详细说明。

对如图4所示的管棚进行监测，选取隧道拱顶及拱腰位置的三根钢管(待测钢管I 1.1；待测钢管II 1.2；待测钢管III 1.3)监测。

对每根待测钢管都按照如图2、3所示的布置方案对隧道管棚变形进行监测，包括步骤如下：

(1)分布式光纤传感回路4的布设：管棚钻孔打设后，在隧道拱顶及拱腰位置选取待测钢管1，然后，预先制作圆柱体形状的钢筋笼2，并将钢筋笼2横置，在钢筋笼2下方焊接带有推送滚轮5的钢筋支架3。取钢筋笼2与水平面垂直的轴截面，该轴截面与圆柱体侧面产生两条交线，将一条分布式光纤传感回路4布设在这两条交线上，具体为：分布式光纤传感回路4沿一条交线延伸并在圆柱体的底面处弯折再沿另一条交线反向延伸，为了结合图2、3使表述更清楚，将位于钢筋笼2顶端的分布式光纤传感回路部分称作顶端分布式传感光纤4.1，将位于钢筋笼2底端的分布式光纤传感回路部分称作底端分布式传感光纤4.2，分布式光纤传感回路4的两端分别与数据采集仪连接。传感光纤采用康宁900μm紧套单模光纤83/125/900μm(芯径/包层直径/紧套直径μm)，用环氧树脂胶粘贴在钢筋笼2上。通过推送滚轮5将钢筋笼2推送入待测钢管1内，推送时平缓推送使分布式光纤传感回路4所形成的平面与待测钢管1的中性面垂直，推入完成后向待测钢管1内注入水泥浆形成一个包含待测钢管1、钢筋笼2、水泥浆、钢筋支架3和分布式光纤传感回路4的共同受力的变形体，在注浆前后均需要使用布里渊光时域分析(BOTDA)进行分布式光纤的通光性检测以确定传感光纤是否受损；

(2)数据的采集：布设传输光缆6，其一端与分布式光纤传感回路4连接，另一端与数据采集仪7相连接。数据分析仪7设置在隧道入口处，数据采集仪7包括BOTDA模块、控制模块和电池模块，在数据采集仪7的另一端布设传输光缆或无线传输设备使其与监测主机相连接。在待测钢管中选取n个测量截面，测量截面的间距为Δx_i，通过数据采集仪实时监测管棚中待测钢管各个截面在竖向荷载的作用下所产生的纵向形变，并将其传输至监测主机。

(3)变形计算及稳定性判断：监测主机利用布里渊调解技术原理和材料力学理论，计算待测钢管各截面的纵向应变差并求得待测钢管各个截面的挠度w_i、弯矩M_i和各点的应力值σ_i,y，并分析隧道管棚支护结构的稳定性；

当计算得到的钢管挠度最大值(L为待测钢管的长度)时，管棚变形挠度达到其安全阈值。监测主机可通过获得的挠度数据与其设定的安全阈值对比分析管棚支护结构的稳定性。

另外，还可以通过弯矩M_i的计算对稳定性进行辅助性监测：

当计算得到的弯矩值0.9M_i,max小于管棚弯矩承载力设计值时，隧道管棚稳定。

本发明采用分布式光纤传感技术进行监测管棚变形，可通过监测各测点的纵向应变值计算获得其挠度值和弯矩值，监测方法简单快捷，与传统的点式测量设备相比，分布式光纤传感技术具有连续分布式的特点，使得纵向应变值换算后得到的挠度更加趋近于一条光滑的曲线，能更好地反映在待测钢管沿线上其挠度变化规律。其监测设备耐久性好，可用于长期监测。监测装置结构简单稳定，在钢筋笼上下两端布设分布式光纤传感回路可实现温度自补偿，消除温度影响。