一种基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法

本发明属于岩土隧道工程领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法。

背景技术：

1、随着科技的高速发展，我国西部的交通、水利、地下空间等隧道基础设施工程建设得到了空前发展，我国隧道工程建设正在朝着超长距离、超大埋深、穿越极端地质条件等高难度大规模方向发展。虽然隧道工程的建设满足了日益增长的交通发展需求，但是由于隧道工程典型的隐蔽特性、服役时间的不断增长、长距离穿越复杂地质环境以及在地震、冻融等内外动力作用下，导致隧道产生沉降变形、管片裂损、结构空洞等多种病害，进而破坏隧道结构的稳定性，诱发隧道地质灾害，给隧道的正常使用和交通运输带来极大的安全隐患，严重威胁人民的生命和财产安全。因此，对隧道衬砌及围岩的稳定性及健康状况进行准确、可靠和全面的监测预警显得尤为重要，对提升隧道服役时间具有重大的安全意义。

2、目前用于岩土工程监测领域的技术主要有依托空间平台的雷达干涉测量(insar)技术、机载激光雷达测量(lidar)技术，这类技术主要用于大范围区域、浅表层地面变化信息的测量，无法对地下及深部工程结构体内部损伤进行分析，同时，受环境影响较大而无法实现全天候、实时监测；基于电感原理，以应变计、裂缝仪和位移计等电学类传感器为代表的点式测量方法，这类技术主要用于小范围、短距离的岩土体工程结构监测，该技术易出现漏检漏测情况，存在数据采集稳定性差、采集频次低等问题，同时，以点代面的监测方法无法全面获取位移场、温度场、地震震动场、应力场等多场多特征参量；基于光学测量原理为代表的传统光学传感器，这类技术主要用于对监测精度要求较高、工作环境复杂的应用场景中，但传统的光学传感器造假昂贵，数据采集耐久性不足，无法实现大批量密集布设，同时，相应的监测数据分析方法与安全评估预警方案还有待进一步完善。因此，亟需一种新型的高灵敏度、低成本、稳定性好的隧道监测预警方法。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，以解决现有技术中存在的光学传感器造假昂贵，数据采集耐久性不足，无法实现大批量密集布设，相应的监测数据分析方法与安全评估预警方案还有待进一步完善的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，包括以下步骤：

3、通过全分布式传感光缆和准分布式光纤传感器采集隧道运行数据；

4、将所述隧道运行数据转换为被测量，并进行预处理，得到预处理数据，将预处理数据通过数据存储矩阵进行存储；

5、对存储的预处理数据进行数据分析，得到易损伤位置和最终预测值；

6、根据所述易损伤位置和最终预测值进行安全评估，得到安全评估结果，根据所述安全评估结果进行预警，并将预警信号发送给工作人员。

7、优选地，所述全分布式传感光缆和准分布式光纤传感器的安装方法包括：

8、全分布式传感光缆沿隧道延伸方向以平行于隧道底板和呈“s”型环绕方式分别布设于隧道拱腰和拱底、拱顶的边墙上，以及通过测斜管植入隧道围岩体内；

9、准分布式光纤传感器沿隧道环向且等间距的分别布设于跨断层段隧道衬砌接缝处两侧的管片上。

10、优选地，将所述隧道运行数据转换为被测量的过程包括：通过光纤调制解调设备将所述的全分布式传感光缆和准分布式光纤传感器中光信号的变化调制成电信号，再将所述电信号解调为被测量。

11、优选地，所述进行预处理的方法包括：基于变分模态分解算法，通过预设模态数将被测量分解为具有不同频率的本征模态分量，通过时频转换剔除包含噪声成分的本征模态分量，将剔除后的本征模态分量进行叠加，得到降噪后的多场多特征参量数据；包含高精度、高稳定性参考光纤监测单元，通过比较被测量与降噪后的多场多特征参量数据差值完成漂移校准。

12、优选地，所述通过数据存储矩阵进行存储的方法包括：通过m×n阶数据存储矩阵对预处理数据进行存储，其中，m为采样点数，n为采样次数，元素为经数据预处理后的多场多特征参量监测值。

13、优选地，所述得到易损伤位置的方法包括：对存储的预处理数据进行时间序列变换分析和空间序列变换分析，得到时空分析结果，通过空间插值法获取隧道衬砌及围岩的运行数据，基于隧道衬砌及围岩的运行数据构建分布特征云图，根据所述时空分析结果和分布特征云图，得到隧道易损伤位置。

14、优选地，得到预测值的方法包括：设定聚类中心和最大迭代次数，通过fcm算法对剔除后的本征模态分量进行聚类分析，得到多场多特征参量的随机项、波动项和趋势项数据，通过数据存储矩阵构建输入向量并基于输入向量确定lssvm模型的正则化参数与核函数，通过lssvm的matlab工具箱对多场多特征参量的随机项、波动项和趋势项数据进行处理，得到预测值并对预测值进行叠加得到最终预测值。

15、优选地，所述得到安全评估结果的方法包括：根据所述易损伤位置和最终预测值结合区域地质与工程施工资料，选择多场多特征参量为基本评价指标，考虑多特征参量的变化量、累计变化量和变化速率，建立隧道衬砌及围岩稳定性与健康状况的关系矩阵，通过定量专家取值法得到安全评估结果。

16、优选地，根据所述安全评估结果进行预警的方法包括：设定安全阈值，当评估结果小于阈值的20％时，则当前监测区域为蓝色稳定状态；当评估结果大于阈值的20％且小于阈值时，则当前监测区域为黄色临界稳定状态；当评估结果大于阈值且不超过阈值的20％时，则当前监测区域为橙色低预警状态；当评估结果大于阈值的20％时，则当前监测区域为红色高预警状态。

17、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

18、本发明所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，与现有技术相比，将全分布式传感光缆和准分布式光纤传感器用于隧道衬砌表面、围岩体内和跨断层段管片衬砌接缝，主要对传感光缆与光纤传感器布设方式、数据监测过程、多场多特征参量分析方法和安全评估预警方式进行设计，实现隧道全线和关键断层破碎带全时段、全方位和全过程监测，为跨断层段隧道多场监测预警提供一种新方法。该方法克服了传统监测方法易受环境影响、以点代面的监测方式、数据采集频次和稳定性差的缺点，克服了传统光学传感器造价昂贵、数据采集耐久性不缺、缺乏多域多特征参量监测的问题。对于隧道破坏模式破会顺序研究，隧道灾害风险调查、隐患排查、早期识别预警和精准靶向治理，维护隧道的安全稳定运行、提升隧道服役年限具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种基于分布式光纤传感的隧道健康状态监测预警方法，包括以下步骤：通过全分布式传感光缆和准分布式光纤传感器采集隧道运行数据；将所述隧道运行数据转换为被测量，并进行预处理，得到预处理数据，将预处理数据通过数据存储矩阵进行存储；对存储的预处理数据进行数据分析，得到易损伤位置和最终预测值；根据所述易损伤位置和最终预测值进行安全评估，得到安全评估结果，根据所述安全评估结果进行预警，并将预警信号发送给工作人员。本方法克服了传统监测方法易受环境影响、以点代面的监测方式、数据采集频次和稳定性差的缺点，克服了传统光学传感器造价昂贵、数据采集耐久性不足、缺乏多域多特征参量监测的问题。

技术研发人员：宋丹青,刘晓丽,董利虎,赵建军,王恩志,张建民
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15