CN103397910B - 基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法。隧道施工掘进过程的未砌衬空间中易发生安全事故，用常规手段难以预测此类灾害的发生。本发明在施工隧道壁上敷设检测光纤，宽带光源发出的宽带光信号经隔离器和3dB耦合器传输到检测光纤，经检测光纤的波长选择产生一组不同波长的反射光，再次经3dB耦合器由波长解调器接收，波长识别后监测出波长的变化即应力变化，得到灾害预警信息，送入专用或公众网络向工程人员发布。本发明能实现高精度、无干扰测量，使用寿命长、信号传输远，适合用于长大隧道安全监测，测量结果不受外界干扰、传输损耗、设备老化等因素的影响，信息容量较大。

Description

基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法

技术领域

本发明属于隧道工程安全检测技术领域，具体涉及一种基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法。

背景技术

由于技术及资金的瓶颈突破，近年来我国铁路、公路等建设项目中选择了大量的长大隧道，以缩短线路长度，提高线路的运输能力。因此，隧道工程项目在日益增多。近年来，在许多地质状况复杂的地区，隧道的修建数量也在增加。隧道施工中的安全问题一直是关系到人员生命及国家财产的重大问题。多年来，建设者从管理、勘察设计、施工工艺等方面采取了大量的有效的措施，但施工过程中的塌方、突泥、涌水等自然灾害还是在不断的发生，工程的风险依然很大。从掘进面到已经砌衬完成之间的部分，最容易发生塌方等灾害。换句话说，在施工人员向前掘进到一定位置时，在未砌衬的空间和时间段内，发生灾害的概率非常大，而且用常规手段难以预测、预报此类灾害的发生。目前国内外有很多防灾安全监控技术，尚无未衬砌隧道的安全检测手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效感知未衬砌隧道表面的温度、应力和应变变化的基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法，从而对施工过程中的塌方、突泥和涌水等事故的预防。

本发明所采用的技术方案是：

基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：在施工隧道壁上分割出多个监测区域，将检测光纤敷设到这些区域，使光纤应力附着在隧道壁上；

步骤二：宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器，传输到检测光纤上，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，经过这些检测光纤的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射；

步骤三：当检测光纤随隧道壁变化时,导致检测光纤的谐振波长漂移，其反射光再次经过3dB耦合器由波长解调器接收，经过波长解调器对这些波长进行识别，监测出波长的变化即应力变化；

步骤四：当检测光纤产生应力突变时，产生灾害预警或报警信息；

步骤五：将预警或报警信号送入专用或公众网络向工程人员发布，还可以通过卫星、电信、移动等公众网络发布到上级建设管理部门。

步骤一中，检测光纤为应力传感器，以等间隔串接方式布设。

步骤三中，波长解调器包括可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器；

波长编码的压力传感信号输入到可调F-P滤波器，当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与检测光纤反射峰重合时，可根据此时F-P滤波器的驱动电压－透射波长关系,测得检测光纤反射峰位置，锯齿波扫描电压发生器的扫描电压上加入抖动信号发生器产生的抖动电压，输出经信号混合器和LP低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时，所测即为检测光纤的反射峰值波长。

本发明具有以下优点：

（1）检测光纤具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性，极易置入到待测物的表面或内部，实现对物体的高精度、无干扰测量。

（2）检测光纤使用寿命可长达30年、信号可远距离传输，特别适合用于长大隧道安全监测，尤其是隧道施工的恶劣环境下稳定工作。

（3）可实现数字化传感，传感量以光的波长信号形式在光纤中传输，测量结果不受外界干扰、传输损耗、设备老化等因素的影响。

（4）光纤的信息容量大，在一根光纤上可制备数百、数千个探测点，与“波分复用”技术相结合，可以形成检测光纤传感网络，实现对待测物体的分布式测量和定位。

（5）可靠、易安装、易维护。

附图说明

图1为等间隔分布多个检测光纤应力传感器的布防。

图2为反射光的形成原理。

图3为不同应力变化的预警方式。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所涉及的隧道施工安全预警方法，是基于检测光纤监测技术而实现的，有着稳定、敏感、高可靠的优势。检测光纤利用紫外曝光技术在光纤芯中引起折射率的周期性变化而形成，光纤中折射率分布的周期性结构，导致光纤某一特定波长光的反射谱。当光纤受外界温度、应力或应变发生变化时，反射光的峰值波长漂移，通过对波长漂移量的度量来实现对温度、应力和应变的感知，从而感知未衬砌隧道表面的变化，将未衬砌隧道上的应力物理变化量，转换成光信号，通过光纤送到波长解调器中，再转换成电信号，通过网络送到计算机信息处理系统。

本发明所述的隧道施工安全预警方法有以下步骤实现：

步骤一：在隧道壁上分割出多个监测区域，将检测光纤敷设到这些区域，使光纤应力附着在隧道壁上。

检测光纤是作为应力传感器而应用到本方法中的，图1中为等间隔分布多个检测光纤应力传感器的布防，通常采用串接方式。

步骤二：宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的检测光纤上，经过这些检测光纤的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射。

当某一宽带光源的光入射到检测光纤中时，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，反射光的波长（即谐振波长）由Bragg公式确定：

其中，、和分别为光纤光栅的谐振波长、导波模的有效折射率和周期。

步骤三：当检测光纤随隧道壁变化时,导致检测光纤的谐振波长漂移，其反射光再次经过3dB耦合器由波长解调器接收，经过波长解调器对这些波长进行识别，监测出波长的变化即应力变化。如图2所示。

光纤应力是附着在未衬砌隧道壁上的，当检测光纤随隧道壁变化时,导致光纤的谐振波长漂移，漂移量为：

其中，为弹性体（未衬砌隧道壁）的热膨胀系数，为光纤的热光系数，为温度改变量，为光纤的轴向应变， p_e为光纤的有效弹性系数。

其中，光纤的有效弹性系数p_e由下式确定：

其中，μ为纤芯材料的泊松比。

由漂移量公式可得：

光纤的轴线和法线应变的导致发射波长变化，隧道内部不考虑热膨胀系数、和，在隧道内视为常量，所以检测光纤只检测隧道壁的弹性系数变化。

波长解调器包括可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器。波长解调器的工作原理是，将波长编码的压力传感信号输入到可调F-P滤波器，当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与检测光纤反射峰重合时，即可根据此时F-P滤波器的驱动电压－透射波长关系,测得检测光纤反射峰位置。但由于F－P滤波器输出的透射谱是光栅反射谱与F-P滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加，分辨率降低，所以，在锯齿波扫描电压发生器的扫描电压上加入抖动信号发生器产生的抖动电压，输出经信号混合器和LP低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时，所测即为检测光纤的反射峰值波长。

步骤四：当检测光纤产生应力突变或单光网断开时，产生灾害报警信号。当检测光纤产生应力变化时，计算单位时间内应力变化的轴线和法线变化量，产生塌方、突泥、涌水和岩爆的预警信号。如图3所示。

两种不同岩层间检测裂隙的变化，可作如下安全预警：

第一，检测岩层的相对位移对检测光纤发生的轴线和法线的变化，可预警可能发生的塌方；第二，检测大面积塌落和泥浆涌出造成检测光纤的严重形变，乃至断裂，可报告已经发生塌方的位置和程度；第三，检测裂隙处大量涌水造成检测光纤的抖动，抖动程度报告涌水的强度；第四，检测突发岩爆引起检测光纤位移突变，报告岩爆发生的面积和程度。

步骤五：预警或报警信息通过通信光缆传到波长解调器，经过分析处理后产生不同区域的预警或报警信号送入专用或公众网络向工程人员发布，还可以通过卫星、电信、移动等公众网络发布到上级建设管理部门。

Claims (1)

1.基于检测光纤监测技术的隧道施工安全预警方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：在施工隧道壁上分割出多个监测区域，将检测光纤敷设到这些区域，使光纤应力附着在隧道壁上；

所述检测光纤为应力传感器，以等间隔串接方式布设；

步骤二：宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器，传输到检测光纤上，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，经过这些检测光纤的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射；

当某一宽带光源的光入射到检测光纤中时，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，反射光的波长即谐振波长由Bragg公式确定：

其中，λ、n_eff和Λ分别为光纤光栅的谐振波长、导波模的有效折射率和周期；

步骤三：当检测光纤随隧道壁变化时，导致检测光纤的谐振波长漂移，其反射光再次经过3dB耦合器由波长解调器接收，经过波长解调器对这些波长进行识别，监测出波长的变化即应力变化；

光纤应力是附着在未衬砌隧道壁上的，当检测光纤随隧道壁变化时，导致光纤的谐振波长漂移，漂移量为：

其中，α为未衬砌隧道壁的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，ΔT为温度改变量，ε为光纤的轴向应变， p_e为光纤的有效弹性系数；

其中，光纤的有效弹性系数p_e由下式确定：

其中，μ为纤芯材料的泊松比；

由漂移量公式可得：

光纤的轴线和法线应变的ε导致发射波长变化，隧道内部不考虑热膨胀系数α、ζ和ΔT，在隧道内视为常量，所以检测光纤只检测隧道壁的弹性系数变化；

所述波长解调器包括可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、抖动信号发生器、信号混合器和LP低通滤波器；

波长编码的压力传感信号输入到可调F-P滤波器，当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与检测光纤反射峰重合时，可根据此时F-P滤波器的驱动电压－透射波长关系,测得检测光纤反射峰位置，锯齿波扫描电压发生器的扫描电压上加入抖动信号发生器产生的抖动电压，输出经信号混合器和LP低通滤波器，测量抖动频率，在信号为零时，所测即为检测光纤的反射峰值波长；

步骤四：当检测光纤产生应力突变时，产生灾害预警或报警信息；

步骤五：将预警或报警信号送入专用或公众网络向工程人员发布，或通过卫星、电信、移动的公众网络发布到上级建设管理部门。