一种盾构隧道拼缝张开监测装置及其检测方法与流程

1.本发明涉及一种盾构隧道拼缝张开监测装置及其检测方法，属于工程结构监测技术领域。


背景技术：

2.盾构隧道是城市地铁隧道工程的主要结构形式，是一种典型的拼装结构，其管片间的连接拼缝是其主要的薄弱环节。拼缝张开过大，一方面容易引起渗漏，另一方面可能导致严重的安全问题。因此，对隧道管片拼缝实施监测对隧道安全运营意义重大。目前，对管片拼缝张开的监测手段以人工测量为主，在某些变形较大区域适当安装部分裂缝计，考虑到大规模布设的成本较高，目前还很难对管片拼缝张开情况实现全面监测。
3.光时域反射技术(otdr)被广泛应用于光缆线路的故障检测，其基本测量原理是：在光纤内发射脉冲光，获取并分析光在光纤中传播时产生的后向散射光，获得沿光纤路程上的光信号衰减信息，用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况。该技术成本低、技术相对成熟，测量距离可达100km，适合长距离监测。目前缺乏将光时域反射技术用于盾构隧道拼缝的监测。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种盾构隧道拼缝张开监测装置及其检测方法，将盾构隧道拼缝的监测转化为对光纤曲率的监测，通过曲率与光纤损耗的关系，能够实现低成本、大规模的盾构隧道拼缝张开监测。
5.第一方面，本发明提供了一种盾构隧道拼缝张开监测装置，包括：弧形钢片、光纤、光时域反射计；
6.所述弧形钢片的两端分别与盾构隧道拼缝的左管片和右管片固接；
7.所述光纤固接在所述弧形钢片的表面，与所述弧形钢片协同变形；
8.所述光时域反射计与所述光纤的单端连接，用于通过监测光纤的光损变化实现对盾构隧道拼缝张开状态的监测。
9.结合第一方面，进一步地，所述弧形钢片中间圆环的半径为5cm-10cm。
10.结合第一方面，进一步地，所述弧形钢片的两端通过螺栓分别固接在盾构隧道拼缝的左管片和右管片的表面。
11.结合第一方面，进一步地，所述光纤通过树脂粘贴在弧形钢片的表面。
12.结合第一方面，进一步地，所述光纤与弧形钢片协同变形，当隧道拼缝张开时，弧形钢片和光纤的曲率增大，光纤的光损增大。
13.结合第一方面，进一步地，所述盾构隧道拼缝张开状态，包括：盾构隧道拼缝张开的定位和盾构隧道拼缝的张开量。
14.结合第一方面，优选地，还包括终端，所述终端连接所述光时域反射计，所述终端用于显示盾构隧道拼缝张开的定位和盾构隧道拼缝的张开量。
15.第二方面，基于第一方面所述的一种盾构隧道拼缝张开监测装置的检测方法，包括：
16.将弧形钢片的两端分别固接在盾构隧道拼缝左右两边的管片表面；
17.将光纤固接在所述弧形钢片的表面，使二者能够协同变形；
18.将光时域反射计与光纤的单端连接，监测盾构隧道拼缝处光纤的光损变化；
19.根据盾构隧道拼缝处光纤的光损变化，定位盾构隧道拼缝的张开位置、计算盾构隧道拼缝的张开量，实现对对盾构隧道拼缝张开状态的监测。
20.结合第二方面，进一步地，所述定位盾构隧道拼缝的张开位置，包括：利用光时域反射计测量光纤布设路径上的光损变化，定位发生光损变化的位置，得到盾构隧道拼缝的张开位置。
21.结合第二方面，进一步地，所述计算盾构隧道拼缝的张开量，包括：根据光损变化计算弧形钢片的曲率半径变化，采用预设公式计算盾构隧道拼缝张开量。
22.结合第二方面，进一步地，所述预设公式通过下式表示：
[0023][0024]
其中，δl为盾构隧道拼缝的张开量，r为弧形钢片的曲率半径，a为损耗修正参数，u为归一化参数，δαs为光损变化量，k为盾构隧道拼缝的张开量δl与光损变化量δαs之间系数，系数k与光纤类型、测量波长以及装置初始半径有关。
[0025]
结合第二方面，优选地，还包括将盾构隧道拼缝张开的定位和盾构隧道拼缝的张开量传输到终端进行显示。
[0026]
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种盾构隧道拼缝张开监测装置及其检测方法所达到的有益效果包括：
[0027]
本发明提供的一种盾构隧道拼缝张开监测装置，包括弧形钢片、光纤、光时域反射计；所述弧形钢片的两端分别与盾构隧道拼缝的左管片和右管片固接；光纤固接在所述弧形钢片的表面，与所述弧形钢片协同变形；光时域反射计与所述光纤的单端连接，用于通过监测光纤的光损变化实现对盾构隧道拼缝张开状态的监测。本发明材料安全可靠、耐久性好；将盾构隧道拼缝的监测转化为对光纤曲率的监测，通过曲率与光纤损耗的关系，能够实现低成本、大规模的盾构隧道拼缝张开监测；
[0028]
本发明提供了一种基于盾构隧道拼缝张开监测装置的检测方法，包括：将弧形钢片的两端分别固接在盾构隧道拼缝左右两边的管片表面；将光纤固接在所述弧形钢片的表面，使二者能够协同变形；将光时域反射计与光纤的单端连接，监测盾构隧道拼缝处光纤的光损变化；根据测盾构隧道拼缝与光损变化的预设公式，定位盾构隧道拼缝的张开位置和盾构隧道拼缝的张开量。本发明施工方便快捷，能够实现低成本、大规模的盾构隧道拼缝张开监测，实现拼缝张开的识别与定位。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例一提供的一种盾构隧道拼缝张开监测装置的结构图；
[0030]
图2是本发明实施例一提供的一种盾构隧道拼缝张开监测装置的安装示意图；
[0031]
图3是本发明实施例二提供的一种基于盾构隧道拼缝张开监测装置的检测方法的
流程图。
[0032]
图中：1、盾构隧道拼缝；2、弧形钢片；3、光纤；4、光时域反射计；5、螺栓；6、管片。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0034]
实施例一：
[0035]
如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种盾构隧道拼缝1张开监测装置，包括：弧形钢片2、光纤3、光时域反射计4和终端。
[0036]
如图1所示，弧形钢片2由钢片螺旋弯曲制成，中间圆环的半径为5cm-10cm。如图2所示，弧形钢片2的两端通过螺栓5分别与盾构隧道拼缝1左右的管片6固接。
[0037]
如图2所示，光纤3通过树脂粘贴在所述弧形钢片2的表面，与弧形钢片2协同变形，当隧道拼缝张开时，弧形钢片2和光纤3的曲率增大，光纤3的光损增大。
[0038]
如图1所示，光时域反射计4与光纤3的单端连接，测量沿光纤3布设路径上的光损信息，用于通过监测光纤3的光损变化实现对盾构隧道拼缝1张开状态的监测。光时域反射计4通过测量光纤3布设路径上的光损变化定位盾构隧道拼缝1张开的位置，根据光损变化计算弧形钢片2的曲率半径变化，采用预设公式得到盾构隧道拼缝1张开量。终端连接所述光时域反射计4，终端用于显示盾构隧道拼缝1张开的定位和盾构隧道拼缝1的张开量。
[0039]
预设公式依据光纤3微弯损耗理论，光纤3的弯曲损耗与曲率半径的关系如下：
[0040][0041]
式(1)中，αs为光纤3损耗，r为弧形钢片2的曲率半径，δn为纤芯折射率变化，λ为otdr设备的测量波长，λc是光纤3的截止波长。通过上式得到光纤3损耗αs与曲率半径r的关系。进一步，微分后可获得变化量之间的关系，通过下式表示：
[0042][0043]
在实际变形中，盾构隧道拼缝1的张开量δl与曲率半径变化量δr的关系由下式得到：
[0044]
δl＝2π*δr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0045]
联合公式(2)和(3)，建立盾构隧道拼缝11的张开量与光损变化量之间的关系，通过下式表示：
[0046][0047]
式(4)中，a为损耗修正参数，u为归一化参数，δαs为光损变化量，k为盾构隧道拼
缝1的张开量δl与光损变化量δαs之间系数，系数k与光纤3类型、测量波长以及装置初始半径有关。
[0048]
实施例二：
[0049]
如图3所示，本发明实施例提供了基于实施例一的一种盾构隧道拼缝1张开监测装置的检测方法，包括：
[0050]
用螺栓5将弧形钢片2的两端分别固接在盾构隧道拼缝1左右两边的管片6表面；
[0051]
将光纤3固接在所述弧形钢片2的表面，使二者能够协同变形；
[0052]
将光时域反射计4与光纤3的单端连接，监测盾构隧道拼缝1处光纤3的光损变化；
[0053]
根据测盾构隧道拼缝1与光损变化的预设公式，定位盾构隧道拼缝1的张开位置和盾构隧道拼缝1的张开量。
[0054]
一种盾构隧道拼缝1张开监测方法是通过光时域反射技术实现的，当盾构隧道拼缝1张开时，弧形钢片2和光纤3的曲率随之增大，引起此处的光损增大；通过光纤3微弯损耗理论，由光时域反射计4监测光纤3弯曲产生的光功率损耗，进一步计算弧形钢片2的曲率半径变化，分析盾构隧道拼缝1的张开大小。将盾构隧道拼缝1张开的定位和盾构隧道拼缝1的张开量传输到终端进行显示。
[0055]
本发明公开的一种基于盾构隧道拼缝张开监测装置的检测方法，其设计思路科学合理，材料安全可靠、耐久性好，施工方便快捷，可通过光时域反射技术，依据安装的弧形钢片2监测盾构隧道拼缝1的张开，实现拼缝张开的识别与定位。
[0056]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。