基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统及预警方法

背景技术

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背景技术：

1、在隧道衬砌结构中，隧道裂缝是最常见的病害问题之一，它产生的危害往往是多方面的，不仅会对隧道结构本身的安全性、耐久性及防水性构成威胁，且易引发其他灾害问题，若隧道裂缝预警和处理不及时，严重时甚至危及人民生命与财产的安全。由此可见，提高隧道裂缝监测效率与准确率，建立自动化隧道监测系统和全面预警方法对于隧道安全通行具有重要的现实意义。目前常见的裂缝监测技术主要有：基于计算机断层扫描技术的裂缝监测技术、基于结构光的裂缝结构技术、基于超声波的裂缝监测技术和基于数字图像处理的裂缝检测技术，这些技术方法均具有点式测量特点，测点稀疏，难以实现对被测对象的全方位监控。此外，常规的监测技术多数仍不能实现分布式测量，且传感原理多种多样，数据种类多，难以集成大规模实时监测系统。

2、近年来，光纤传感(网)监测技术如光纤光栅应变/温度测量技术(fbg)、布里渊光时域反射应变/温度测量技术(botdr)、布里渊光时域分析应变/温度测量技术(botda)及拉曼光时域反射应变/温度测量技术(rotdr)等已被大量应用于土木工程结构健康监测中，具有良好的发展前景和市场需求。

3、cn112857227a公开了一种能监测钢梁裂缝的分布式光纤传感装置及方法，该装置采用botda应变分析仪获取布里渊应变频谱，并通过分析裂纹部分所对应的布里渊应变频谱的峰值面积比例来预测裂纹，具有测量精度高、抗干扰性强和铺设简单等优点。

4、cn111141740b公开了一种基于低相干干涉技术的隧道裂缝监测系统及方法，该系统能够精准监测隧道盾构管片裂缝，并具有精确度高、抗电磁干扰强的优点，但光纤传感器被直接粘贴于隧道管片上，这种布置方式的缺陷在于管片间裂缝一旦过大，会导致质地较脆、机械强度差的光纤材料出现脆断，且该系统采用pvc铠装光纤光缆，这种做法会降低光纤传感器对隧道变形的敏感程度，从而大大限制了其在实际工程中的应用，同时该低相干干涉技术的抗干扰性差，光在光纤中传播时，由于光纤弯曲、抖动、温度变化、反射端面切割不平整，会大大影响干涉信号的可见度，从而影响到监测的精度。

5、cn109556524a公开了一种基于光纤光栅技术的裂缝宽度监测系统，该系统在裂缝区设置光纤光栅位移监测杆，采用两点直线式、三点三角式布置工艺并配合相应算法确定裂缝变形位移，具有精度高、抗干扰能力强等优点，但光纤光栅传感技术本质上仍归属于点式监测方法，仍存在漏检漏测的可能，不具备分布式监测的优势。

6、相比之下，botdr光纤传感技术除具有一般光纤传感技术耐腐蚀、抗电磁干扰的优点，还具有单端入射、分布式、实时在线测量等优点。botdr利用光纤中自发布里渊散射光在拉伸段和温度变化段发生布里渊频移，而光纤布里渊频移与光纤所受的轴向应变和温度之间存在良好的线性关系，故可采用布里渊频移换算光纤的轴向应变和温度变化。然而，由于布里渊频移同时对温度和应变敏感，仅由单一布里渊频移无法分离出应变和温度分别引起的频移，而实际工程应用时温度应变交叉问题影响了光纤传感器测量的可靠性。解决这一问题通常是在botdr光纤传感线路中布置两根光纤，其中一根参考光纤处于松弛状态用于测量温度信息，并从另一根监测光纤中扣除温度信息以获取应变信息，从而实现温度和应变的分离测量。若在光纤传感线路中参考光纤和监测光纤的布里渊中心频率不协调时，则可能造成测量误差，故有必要采取合理且实用的方法解决botdr光纤传感技术中温度和应变交叉敏感问题。本发明将着重解决现有背景下的隧道裂缝监测难题，旨在运用光纤传感技术设计出一套高分辨率且灵敏可靠的隧道裂缝分布式监测系统及相应的预警方法。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于botdr光纤传感技术的隧道裂缝监测系统及安全预警方法，该系统及预警方法采用分布式监测技术和温度自补偿方法，将隧道沿线的应变信息换算成裂缝信息，实现监测数据实时传输和自动化处理，并对隧道裂缝信息进行存储、提取、展示及预警，使得监测结果既满足空间分辨率又灵敏可靠，弥补了传统隧道裂缝监测精确度低、分辨率低及监测效率低的不足。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝预警方法，包括如下步骤：

4、步骤a，监测站点布置：在隧道监测区域设置若干定点铆钉，形成准分布式裂缝监测站点；

5、步骤b，分布式光纤传感线路布置：一条光纤依次固定到定点铆钉上，其中相邻定点铆钉之间的光纤形成绷紧的传感光纤，每个定点铆钉上形成有松弛的温补光纤，形成分布式光纤传感线路；

6、步骤c，频率漂移量和时间差采集：采用botdr数据采集和传输装置实时监测分布式光纤传感线路中的背向自然布里渊散射光的温度和应变频率漂移量及其对应时间差；

7、步骤d，裂缝数据换算：通过数据处理与分析装置对botdr数据采集和传输装置无线传输的监测数据进行处理，并计算相邻监测站点的相对位移，进而计算裂缝宽度及其位置；

8、步骤e，数据存储与预警：数据处理与分析装置将处理后隧道裂缝数据实时上传至数据服务器云端和警报发生器，且警报发生器将接收后裂缝数据与对应裂缝阈值进行比对，若超过阈值时则发出预警信号；

9、步骤f，监测态势展示：远程监测中心通过互联网提取数据服务器云端存储的裂缝数据，并接收警报发生器无线传输的预警信号，均以图表形式动态呈现在屏幕上。

10、进一步的改进，所述定点铆钉包括ⅰ型铆钉和ⅱ型铆钉；定点铆钉的栓板设置在螺杆的中上部，且ⅰ型铆钉的栓板的底部两端为弧形的圆弧过渡段，ⅱ型铆钉的栓板的顶部两端为弧形的圆弧过渡段；两个圆弧过渡段之间为光纤粘连段；定点铆钉的布置方法如下：

11、步骤a1，将监测区域分为多个监测区段，在监测区段内沿隧道纵轴线即y轴方向呈α夹角的竖直平面与隧道内壁的交线上沿直线每隔1m选定为监测站点位置，并以最低位置站点为起始点，按顺序分别命名为第0,1,2...n号站点；

12、步骤a2，在选定好的监测站点位置上，按奇数号监测站点布置ⅰ型铆钉，偶数号监测站点布置ⅱ型铆钉，并将各个定点铆钉末端植入隧道内壁中，形成准分布式裂缝监测站点。

13、进一步的改进，步骤b中，所的分布式光纤传感线路的布置方法为：

14、步骤b1，调整定点铆钉的栓板在固定螺杆上的位置，使得传感光纤呈锯齿状布置；

15、步骤b2，布置传感光纤时，在定点铆钉处预留一段光纤进行环圈绕制形成温补光纤，并保持温补光纤处于松弛状态；

16、步骤b3，在定点铆钉处栓板上的光纤粘连段采用粘接剂固定传感光纤，并且传感光纤在经过铆钉栓板粘贴段和栓板圆弧过渡段后，固定到下一个定点铆钉上，保持传感光纤处于预拉伸状态。

17、进一步的改进，步骤d中，所述的隧道裂缝宽度值d的计算方法为：

18、步骤d1，以第i号监测站点与第i-1号监测站点之间的传感光纤为第i跨光纤，在计算第i号监测站点相对设i-1号监测站点的相对位移变化时，假设第i-1号监测站点相对不动；

19、步骤d2，数据处理与分析装置对botdr数据采集和传输装置传输的布里渊频移进行解析，即从接收的布里渊频移中扣除温补光纤由温度信息引起的布里渊频移，所述由温度信息引起的布里渊频移为传感光纤两端的温补光纤引起的布里渊频移平均值，剩下为传感光纤由应变信息引起的布里渊频移，进而采用下式推算分布式光纤传感线路上的由隧道裂缝引起应变变化：

20、δε＝(δvb-δvt)/cε  (1)

21、式中，δε为由隧道裂缝引起光纤布里渊频移处应变变化；δvb为温度变化与隧道裂缝引起的光纤布里渊总频移；δvt为温度变化引起的光纤布里渊频移；cε为光纤的布里渊应变灵敏度系数；

22、隧道裂缝位置，即分布式光纤传感线路中发生频率漂处至botdr数据采集与传输装置的距离d，采用下式计算得到：

23、

24、式中，c为光速；ne为纤芯的折射率；δt为发出的脉冲光与返回布里渊背散光的时间差；

25、步骤d3，由于分布式光纤传感线路在监测区域呈椭圆型锯齿状分布，因而在三维坐标系空间中第i跨光纤监测站点的相对位移变化应先分别进行投影计算，然后再进行合并计算，并利用该跨光纤监测站点在x、y、z轴方向上相对位移xi、yi、zi代替其在对应方向上的裂缝宽度，其中三个投影平面分别为xoz投影平面、xoy投影平面与yoz投影平面：

26、在xoz投影平面上，根据已知初始隧道监测区段的相关参数，利用三角形几何关系求解xoz投影平面上第i跨光纤的总长度s1，公式如下：

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28、其中，a为椭圆型锯齿状分布式光纤的裂缝监测站点的初始距离在xoz平面上的投影距离；l1、l2分别为xoz投影平面上ⅰ、ⅱ型铆钉的栓板下平面中心点到隧道壁的最短距离；r为铆钉光纤过渡区段的曲率半径；θ1为各段传感光纤与对应奇数号监测站点的光纤粘连段平面所成夹角；θ2为各跨光纤两端的监测站点对应的监测区段的圆心角；r表示隧道的半径；

29、根据xoz投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度s1、s1′与传感光纤在x、z轴方向上的应变变化δεx、δεz之间关系建立相关关系式，公式如下：

30、

31、构建基于第i号监测站点处铆钉固定螺杆的x′oz′局部坐标系，并假设产生裂缝后，x′oz′局部坐标系上第i号监测站点相对第i-1号监测站点的相对位移为xi′、zi′，并根据s1′、xi′、zi′及产生裂缝后第i跨光纤延伸方向与第i-1号监测站点的光纤粘连段平面所成夹角θ1′的三角形几何关系建立相关关系式，公式如下：

32、

33、根据xoz投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度s1、s1′及x′oz′局部坐标系上第i号监测站点相对第i-1号监测站点的相对位移xi′、zi′之间三角形几何关系建立相关关系式，公式如下：

34、

35、根据第i号监测站点处铆钉固定螺杆的局部x′oz′坐标系与xoz坐标系之间的相对位置关系，求解在x、z轴方向上第i号监测站点相对于第i-1号监测站点的相对位移xi、zi，公式如下：

36、xi＝zi′cos(i×θ2)+xi′sin(i×θ2) (7)

37、zi＝xi′cos(i×θ2)-zi′sin(i×θ2) (8)

38、其中，在xoy投影平面上，根据三角形几何关系求解xoy投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度s2、s2′，并根据s2、s2′与传感光纤在x、y轴方向上的应变变化δεx、δεy的关系建立相关关系式，求解第i号监测站点相对于第i-1号监测站点在x轴与y轴方向上相对位移xi、yi，公式如下：

39、

40、式中，α为xoy投影平面及yoz投影平面上光纤传感线路与y轴的夹角；

41、同样地，在yoz投影平面上，根据三角形几何关系求解yoz投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度s3、s3′，并根据s3、s3′与传感光纤在y、z轴方向上的应变变化δεy、δεz的关系建立相关关系式，求解第i号监测站点相对于第i-1号监测站点在x轴与y轴方向上相对位移yi、zi，公式如下：

42、

43、结合上述三个投影平面的相关关系式，并与以下传感光纤在各投影方向上的应变变化δεx、δεy、δεz与总应变δε的关系式以及第i号监测站点相对于第i-1号监测站点的在x、y、z轴方向上的相对位移xi、yi、zi与应变变化δεx、δεy、δεz的关系式联立求解得出相对位移xi、yi、zi与隧道裂缝宽度值d，公式如下：

44、δε2＝δε2x+δε2y+δε2z (11)

45、δεx/xi＝δεy/yi＝δεz/zi (12)

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47、一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统，包括准分布式裂缝监测站点，所述准分布式裂缝监测站点上布置有分布式光纤传感线路，分布式光纤传感线路连接有botdr数据采集与传输装置；botdr数据采集与传输装置通讯连接有数据处理与分析装置；数据处理与分析装置通讯连接有数据服务器云端和警报发生器，数据服务器云端通讯连接有远程监测中心；所述监测系统用于运行上述的基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝预警方法；

48、所述准分布式裂缝监测站点包括若干在隧道监测区段内连续等间距布置的站点，每个站点处设置有定点铆钉；

49、所述分布式光纤传感线路包括一条光纤，光纤依次沿定点铆钉布置，并使相邻定点铆钉之间的光纤为绷紧状态，每个定点铆钉上形成有松弛的温补光纤，传感光纤与温补光纤交替布置；

50、所述botdr数据采集与传输装置与分布式光纤传感线路相连，并对分布式光纤传感线路传输的光信号进行采集，并转化为电信号无线传输至数据处理与分析装置；

51、所述数据处理与分析装置对botdr数据采集与传输装置发送的信号数据进行处理，并计算出裂缝信息，以及将裂缝信息无线传输至数据服务器云端和警报发生器；

52、所述数据服务器云端将监测数据搭载互联网传输至远程监测中心；

53、所述警报发生器将接收的裂缝数据与对应阈值进行比对，在超过阈值时发出警报，并将警报信息传送至远程监控中心；

54、所述远程监测中心实时动态显示监测信息和警报信号。

55、进一步的改进，所述定点铆钉包括固定螺杆(2-1)，固定螺杆(2-1)上螺纹固定连接有栓板(2-2)；栓板(2-2)的上表面的中部形成光纤粘连段(2-2-2)，光纤粘连段(2-2-2)两侧形成圆弧过渡段(2-2-1)；所述定点铆钉包括ⅰ型铆钉和ⅱ型铆钉；ⅰ型铆钉的栓板(2-2)和ⅱ型铆钉的栓板(2-2)设置方向相反，且ⅰ型铆钉和ⅱ型铆钉交替设置；所述圆弧过渡区段(2-2-1)的曲率半径一定，主要用于使分布式光纤线路平滑穿过栓板，防止传感光纤发生弯折。

56、进一步的改进，所述准分布式监测站点在监测区段内沿隧道纵轴线方向呈α夹角的竖直平面与隧道内壁的交线布置，从隧道设站最低位置按等间距为1m的直线距离选定准分布式裂缝监测站点，并从最低设站点按顺序分别命名为第0,1,2...n号站点，且在奇数号所述准分布式裂缝监测站点上布置ⅰ型铆钉，偶数号所述准分布式裂缝监测站点上布置ⅱ型铆钉。

57、进一步的改进，所述传感光纤两端分别粘贴在光纤粘连段，并自由经过圆弧过渡段，传感光纤与光纤粘连段所在平面成预设的夹角。

58、本发明的工作原理为：当隧道衬砌结构产生裂缝时，会带动相邻监测站点发生相对位移，通过布置的分布式光纤传感线路测量相邻监测站点之间传感光纤的布里渊频移，并扣除温补光纤由温度信息引起的布里渊频移便得到传感光纤由应变信息引起的频移，由此计算出传感光纤的应变变化，从而换算出相邻监测站点的相对位移，并以相邻监测站点的相对位移代替计算区段的隧道裂缝宽度，具体监测流程为：监测数据经botdr数据采集与传输装置无线传输至数据处理与分析装置，并在数据处理与分析装置中完成数据换算，换算后裂缝信息会分别无线传输至警报发生器和数据服务器云端，警报发生器在接收裂缝信息后会完成与预设阈值的比对，远程监控平台会通过互联网提取数据服务器云端储存的裂缝信息，同时接收警报发生器发出的预警信息，并将这些信息以图表形式同步动态呈现在屏幕上。

59、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于光纤传感技术的隧道裂缝监测装置及安全预警方法，可以准确地监测隧道由于各种原因所产生的隧道裂缝。这种方法的第一个优点是采用连续等间距布设监测站点，且监测站点直线间距为1m，实现隧道沿线准分布式裂缝监测，且监测结果的空间分辨率和精度均优于传统监测方法；第二个优点是采用椭圆型锯齿状方式布置分布式光纤传感线路，实现隧道沿线全线路裂缝监测，且可靠性和准确性均优于传统直线布设式监测方法；第三个优点是采用分布式光纤传感线路与不同类型铆钉串联方式，解决了光纤直接粘贴易造成折断及铠装光纤对应变不敏感的问题；第四个优点是通过在布置传感光纤时预留一小段温补光纤，实现botdr工程应用时温度和应变变化引起的布里渊频移分离。