CN114323247B - 隧道及其振动横向传播特性监测系统、运营安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道地段振动横向传播特性监测系统，包括轴线垂直于隧道纵向的横向振动监测光缆以及用于接收横向振动监测光缆发送的信息并解调成解调信号发送给后台处理器的数据解调仪；横向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆，其自道床板顶面横向延伸，依次布设经过道床板侧面、轨道底座的表面、隧道回填层的表面和隧道侧壁。另外还涉及配置有该监测系统的轨道交通隧道以及该轨道交通隧道的运营安全监测方法。本发明可实现沿振动横向传播路径的全路径连续振动监测，能可靠地分析获得隧道地段振动横向传播和衰减特性，利于对隧道横断面的健康监控；能实时地掌握隧道内异常波动发生情况以便及时排除安全隐患。

Description

隧道及其振动横向传播特性监测系统、运营安全监测方法

技术领域

本发明属于轨道交通工程技术领域，具体涉及隧道地段振动横向传播特性监测系统、配置有该隧道地段振动横向传播特性监测系统的轨道交通隧道以及该轨道交通隧道的运营安全监测方法。

背景技术

在高速铁路、城际铁路、市域铁路、城市轨道交通等铁路系统中，受地形条件、各地区经济发展等众多因素影响，铁路不可避免会穿越长大山区、城市地下等区域，铁路隧道结构的安全状态直接影响到列车运行的平稳性及安全性，铁路隧道能够保证良好的运营状态，对于保障铁路运行意义重大。铁路隧道的监测涉及项目众多，其中，铁路振动对隧道主体以及沿线建筑物的影响需要关注。列车运行时，车轮与钢轨的接触面产生的应力分布会随之变化，并诱发周边建筑物的二次振动，对沿线居民的工作和生活产生巨大影响，而且这一问题也由来已久；此外，铁路沿线的古建筑，因其年代久远，结构相对脆弱，更加容易遭到铁路振动的破坏。

发明内容

本发明涉及一种隧道地段振动横向传播特性监测系统、配置有该隧道地段振动横向传播特性监测系统的轨道交通隧道以及该轨道交通隧道的运营安全监测方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种隧道地段振动横向传播特性监测系统，包括横向振动监测光缆以及与所述横向振动监测光缆连接的数据解调仪，所述数据解调仪用于接收所述横向振动监测光缆发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；

所述横向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆；所述横向振动监测光缆的轴线垂直于隧道纵向，其自道床板顶面横向延伸，依次布设经过道床板侧面、轨道底座的表面、隧道回填层的表面和隧道侧壁。

进一步地，所述横向振动监测光缆还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上。

进一步地，所述数据解调仪布置在地面上并与所述横向振动监测光缆的地面端连接。

进一步地，所述数据解调仪布置在隧道侧壁上，布设在隧道内的管内缆段以及在隧道围岩中布设并伸入至隧道主体内的管外缆段分别与所述数据解调仪连接。

进一步地，在轨道结构上和隧道结构上相应地开设振动监测槽以埋设所述横向振动监测光缆。

进一步地，沿隧道纵向布设有多根所述横向振动监测光缆。

本发明还涉及一种轨道交通隧道，包括隧道主体、形成于隧道主体底部的隧道回填层以及形成于所述隧道回填层上的无砟轨道，还配置有如上所述的隧道地段振动横向传播特性监测系统。

本发明还涉及上述轨道交通隧道的运营安全监测方法，包括：

在隧道地段选取关注断面作为监测目标，在所述关注断面上配置所述隧道地段振动横向传播特性监测系统；

通过所述横向振动监测光缆采集道床板-轨道底座-隧道回填层-隧道主体的振动横向传播路径上的振动信息，所述数据解调仪接收所述横向振动监测光缆发送的振动信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；

所述后台处理器分析获得所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，若异常，指导工务部门对所述关注断面上的轨道结构和隧道结构进行检测维护。

进一步地，运营安全监测方法还包括：

所述横向振动监测光缆还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；通过所述横向振动监测光缆采集轨道-隧道-土体-地面的横向振动传播路径上的振动信息；

所述后台处理器分析获得所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播对沿线建筑物的影响程度，以便于对隧道沿线建筑物进行保护。

进一步地，运营安全监测方法还包括：

所述横向振动监测光缆还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；通过所述横向振动监测光缆获取隧道周围工程施工产生的振动信息，所述后台处理器根据所获得的隧道周围工程施工产生的振动信息，判断隧道周围工程施工对隧道围岩及隧道主体的影响程度，以便于对所述轨道交通隧道进行保护。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明通过在隧道横断面上布设光纤光栅阵列振动光缆，该光纤光栅阵列振动光缆在道床板、轨道底座、隧道回填层和隧道侧壁上延伸布设，可实现沿振动横向传播路径的全路径连续振动监测，监测数据具有全面性、丰富性和实时有效性，能可靠地分析获得隧道地段振动横向传播和衰减特性，利于工务部门对隧道横断面的健康监控；并且能实时地掌握隧道内异常波动发生情况，保证能及时地排除安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的横向振动监测光缆的布置示意图；

图2为本发明实施例提供的横向振动监测光缆在道床板上的布置示意图；

图3为本发明实施例提供的纵向振动监测光缆的布置示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2，本发明实施例提供一种隧道地段振动横向传播特性监测系统，包括横向振动监测光缆2以及与所述横向振动监测光缆2连接的数据解调仪，所述数据解调仪用于接收所述横向振动监测光缆2发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；所述横向振动监测光缆2为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆；所述横向振动监测光缆2的轴线垂直于隧道纵向，其自道床板11顶面横向延伸，依次布设经过道床板11侧面、轨道底座12的表面、隧道回填层13的表面和隧道侧壁。

上述光纤光栅阵列振动光缆为单根光缆内集成有多个光纤光栅振动传感器的缆线，其为现有产品，具有监测覆盖范围广(根据需要可覆盖10km以上)、测量精度高、传感单元间距小(最小间距可为1cm)等特点，具体结构此处不作赘述。数据解调仪也为现有设备；其与后台处理器之间可以为电连接或通讯连接关系，此为常规技术。

可以理解地，上述横向振动监测光缆2布设在隧道的横断面上，可在隧道内选取一关注断面作为监测目标，在该关注断面上布设上述的横向振动监测光缆2。当轨道底座12的宽度大于道床板11的宽度时，上述横向振动监测光缆2自道床板11侧面向下延伸至轨道底座12的顶面，再沿该轨道底座12顶面横向延伸至该轨道底座12的侧面，并自轨道底座12的侧面延伸至隧道回填层13的表面；同样地，隧道回填层13的宽度大于轨道底座12的宽度时，上述横向振动检测光缆自轨道底座12的侧面向下延伸至隧道回填层13的顶面，再沿该隧道回填层13的顶面横向延伸至该隧道回填层13的侧面，并自隧道回填层13的侧面延伸至隧道侧壁上。由于钢轨处是隧道内主要的振动源，因此横向振动监测光缆2宜经过钢轨的正下方；可选地，该横向振动监测光缆2经过钢轨底面，或者布置在扣件组件中的铁垫板底面。

在其中一个实施例中，在轨道结构上和隧道结构上相应地开设振动监测槽以埋设所述横向振动监测光缆2，上述振动监测槽优选为采用混凝土填充，保证对横向振动监测光缆2的固定，优选为采用高强、快凝混凝土填充振动监测槽。相应地，在道床板11顶面、道床板11侧面、轨道底座12顶面、轨道底座12侧面、隧道回填层13顶面、隧道回填层13侧面以及隧道侧壁上分别开设振动监测槽，这些振动监测槽依次连通，以便于横向振动监测光缆2的布设。上述振动监测槽在轨道结构和隧道结构的表面开设，开浅槽布线即可，可选地，振动监测槽的槽深在15～25mm范围内。

本实施例中，通过在隧道横断面上布设光纤光栅阵列振动光缆，该光纤光栅阵列振动光缆在道床板11、轨道底座12、隧道回填层13和隧道侧壁上延伸布设，可实现沿振动横向传播路径的全路径连续振动监测，监测数据具有全面性、丰富性和实时有效性，能可靠地分析获得隧道地段振动横向传播和衰减特性，利于工务部门对隧道横断面的健康监控；并且能实时地掌握隧道内异常波动发生情况，保证能及时地排除安全隐患。

进一步优选地，如图1，所述横向振动监测光缆2还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上。相应地，可采用在隧道围岩中钻孔等方式以布设横向振动监测光缆2，隧道围岩中的布线孔可采用灌注浆等填充。从而，可获取轨道-隧道-土体-地面的横向振动传播路径，便于掌握隧道振动横向传播至地面的传播和衰减特性，便于相关部门掌握铁路振动对沿线建筑物的影响，从而能采取相应措施以减少或消除这种影响，达到保护隧道沿线建筑物的目的。

在其中一个实施例中，所述数据解调仪布置在地面上并与所述横向振动监测光缆2的地面端连接。在另外的实施例中，所述数据解调仪布置在隧道侧壁上，布设在隧道内的管内缆段以及在隧道围岩中布设并伸入至隧道主体内的管外缆段分别与所述数据解调仪连接。

横向振动监测光缆2内的光纤光栅振动传感器的密度可根据具体情况进行设定，例如相邻两个光纤光栅振动传感器之间的间距在0.1～0.2m范围内。

进一步优选地，沿隧道纵向布设有多根所述横向振动监测光缆2，可对隧道的多个横断面进行振动监测，进一步提高对隧道振动监测的全面性和准确性。

本实施例通过采集丰富的振动信息，可为车辆-轨道-隧道-土体耦合动力分析理论模型边界条件的研究提供数据和参考。

实施例二

如图1，本发明实施例提供一种轨道交通隧道，包括隧道主体、形成于隧道主体底部的隧道回填层13以及形成于所述隧道回填层13上的无砟轨道，还配置有上述实施例一所提供的隧道地段振动横向传播特性监测系统。

上述轨道交通隧道可以为铁路隧道，也可以为地铁隧道。

进一步地，本发明实施例还涉及上述轨道交通隧道的运营安全监测方法，包括：

在隧道地段选取关注断面作为监测目标，在所述关注断面上配置所述隧道地段振动横向传播特性监测系统；

通过所述横向振动监测光缆2采集道床板11-轨道底座12-隧道回填层13-隧道主体的振动横向传播路径上的振动信息，所述数据解调仪接收所述横向振动监测光缆2发送的振动信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；

所述后台处理器分析获得所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，若异常，指导工务部门对所述关注断面上的轨道结构和隧道结构进行检测维护。

进一步地，上述运营安全监测方法还包括：

所述横向振动监测光缆2还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；通过所述横向振动监测光缆2采集轨道-隧道-土体-地面的横向振动传播路径上的振动信息；

所述后台处理器分析获得所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播对沿线建筑物的影响程度，以便于对隧道沿线建筑物进行保护。

进一步地，上述运营安全监测方法还包括：

所述横向振动监测光缆2还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；通过所述横向振动监测光缆2获取隧道周围工程施工产生的振动信息，所述后台处理器根据所获得的隧道周围工程施工产生的振动信息，判断隧道周围工程施工对隧道围岩及隧道主体的影响程度，以便于对所述轨道交通隧道进行保护，例如当后台处理器判断隧道周围工程施工对隧道围岩及隧道主体存在破坏性影响时，可指导相关部门及时介入，以便于采取相应措施以减少或消除这种破坏性影响，达到保护轨道交通隧道的目的。

实施例三

本实施例对上述实施例二中提供的轨道交通隧道及其运营安全监测方法进一步优化。

在优选的方案中，如图3，在所述钢轨单元、所述道床板11、所述轨道底座12以及所述隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆3，所述纵向振动监测光缆3为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆并且沿轨道纵向在隧道内连续布设。

上述纵向振动监测光缆3也为单根光缆内集成有多个光纤光栅振动传感器的缆线，其轴线平行于轨道纵向。

同样地，纵向振动监测光缆3需配置数据解调仪，为便于区分，定义上述实施例一中所采用的数据解调仪为第一光纤光栅振动解调仪，本实施例中为纵向振动监测光缆3所配置的数据解调仪为第二光纤光栅振动解调仪。该第二光纤光栅振动解调仪用于接收纵向振动监测光缆3发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器。

当上述轨道交通隧道长度较长时，例如为地铁隧道，上述第二光纤光栅振动解调仪优选为设置多个，以保证监测数据的准确性和可靠性。各第二光纤光栅振动解调仪在轨道纵向上依次间隔布置，其中，优选地，相邻两台第二光纤光栅振动解调仪之间的各纵向振动监测缆线均与该两台第二光纤光栅振动解调仪连接，也即每台第二光纤光栅振动解调仪可以对区间内各纵向振动监测光缆3传输的振动信息进行解调处理。优选地，每个车站布置有一台第二光纤光栅振动解调仪。

在其中一个实施例中，所述钢轨单元上的纵向振动监测光缆3布设在钢轨轨底面处，例如该纵向振动监测光缆3直接被钢轨底面压紧，或者被各钢轨单元的扣件组件中的铁垫板底面压紧。

在其中一个实施例中，在所述道床板11上开设第一纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3，所述第一纵向监测槽采用混凝土填充，保证对纵向振动监测光缆3的固定，优选为采用高强、快凝混凝土填充第一纵向监测槽。优选地，所述道床板11上的纵向振动监测光缆3布设在两条钢轨之间，优选为布置在道床板11的中央，也即两条钢轨相对于该纵向振动监测光缆3对称，保证其监测结果的准确性。

在其中一个实施例中，在所述轨道底座12上开设第二纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3，所述第二纵向监测槽采用混凝土填充。优选地，所述轨道底座12上的纵向振动监测光缆3布设在轨道底座12顶面，并且距离轨道底座12侧缘的间距为0.08～0.15m。

在其中一个实施例中，在所述隧道主体的侧壁上开设第三纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3，所述第三纵向监测槽采用混凝土填充。(优选地，距离)

在进一步优选的方案中，所述隧道回填层13上也布设有所述纵向振动监测光缆3，同样可在隧道回填层13上开设第四纵向监测槽以埋设对应的纵向振动监测光缆3。

在进一步优选的方案中，隧道围岩内也布设有所述纵向振动监测光缆3，该纵向振动监测光缆3可在隧道施工时预埋在隧道围岩内。

本实施例提供的轨道交通隧道，通过在钢轨单元、道床板11、轨道底座12以及隧道主体的侧壁上分别布设有纵向振动监测光缆3，可以获得列车通过等情况下钢轨单元、道床板11、轨道底座12和隧道主体中振动沿轨道纵向的传播和衰减规律，利于工务部门对隧道各部分结构的健康监控，例如能较好地掌握扣件状态、钢轨状态等；同时也能实时地监控隧道内存在的异物入侵等异常情况，便于能及时地排除安全隐患。

对于在隧道围岩内也布设纵向振动监测光缆3的情况，相应地，在上述运营安全监测方法中，通过隧道围岩内的纵向振动监测光缆3同样能获取隧道周围工程施工产生的振动信息，以便于对所述轨道交通隧道进行保护；尤其地，通过隧道围岩内的横向振动监测光缆2与纵向振动监测光缆3配合，能灵敏地、准确地感知隧道围岩周边扰动，有效地提高隧道运营安全性。

进一步优选地，各所述纵向振动监测光缆3所含光纤光栅振动传感器的分布形式以及密度均相同，具体地，各纵向振动监测光缆3的第N个光纤光栅振动传感器位于同一隧道横断面上，也即各纵向振动监测光缆3的第1个光纤光栅振动传感器位于同一隧道横断面上，各纵向振动监测光缆3的第2个光纤光栅振动传感器位于同一隧道横断面上...。基于该设计，可在隧道不同横断面上分别获得钢轨单元-道床板11-轨道底座12-隧道主体等的振动信息，能一定程度地对隧道振动横向传播和衰减特性进行监测分析，利于隧道的健康监测，尤其是结合上述实施例一中的隧道地段振动横向传播特性监测系统和实施例二中的轨道交通隧道运营安全监测方法，能进一步丰富隧道地段振动横向传播路径上的数据信息，更准确地掌握隧道地段振动横向传播和衰减特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种隧道地段振动横向传播特性监测系统，其特征在于：包括横向振动监测光缆以及与所述横向振动监测光缆连接的数据解调仪，所述数据解调仪用于接收所述横向振动监测光缆发送的信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；

所述横向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆；所述横向振动监测光缆的轴线垂直于隧道纵向，其自道床板顶面横向延伸，依次布设经过道床板侧面、轨道底座的表面、隧道回填层的表面和隧道侧壁；

所述横向振动监测光缆还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；

所述横向振动监测光缆用于采集道床板-轨道底座-隧道回填层-隧道主体-土体-地面的横向振动传播路径上的振动信息；

所述数据解调仪用于接收所述横向振动监测光缆发送的振动信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；

所述后台处理器用于根据所获得的振动信息，分析获得关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，以及判断所述关注断面上的振动横向传播对沿线建筑物的影响程度；

在隧道围岩内布设有纵向振动监测光缆，所述纵向振动监测光缆为集成有多个光纤光栅振动传感器的光纤光栅阵列振动光缆并且沿轨道纵向在隧道围岩内连续布设；所述后台处理器还用于结合隧道围岩内的横向振动监测光缆与纵向振动监测光缆所监测到的振动信息，分析判断隧道围岩周边扰动。

2.如权利要求1所述的隧道地段振动横向传播特性监测系统，其特征在于：所述数据解调仪布置在地面上并与所述横向振动监测光缆的地面端连接。

3.如权利要求1所述的隧道地段振动横向传播特性监测系统，其特征在于：所述数据解调仪布置在隧道侧壁上，布设在隧道内的管内缆段以及在隧道围岩中布设并伸入至隧道主体内的管外缆段分别与所述数据解调仪连接。

4.如权利要求1所述的隧道地段振动横向传播特性监测系统，其特征在于：在轨道结构上和隧道结构上相应地开设振动监测槽以埋设所述横向振动监测光缆。

5.如权利要求1所述的隧道地段振动横向传播特性监测系统，其特征在于：沿隧道纵向布设有多根所述横向振动监测光缆。

6.一种轨道交通隧道，包括隧道主体、形成于隧道主体底部的隧道回填层以及形成于所述隧道回填层上的无砟轨道，其特征在于：还配置有如权利要求1至5中任一项所述的隧道地段振动横向传播特性监测系统。

7.如权利要求6所述的轨道交通隧道的运营安全监测方法，其特征在于，包括：

在隧道地段选取关注断面作为监测目标，在所述关注断面上配置所述隧道地段振动横向传播特性监测系统；

通过所述横向振动监测光缆采集道床板-轨道底座-隧道回填层-隧道主体的振动横向传播路径上的振动信息，所述数据解调仪接收所述横向振动监测光缆发送的振动信息，并解调成解调信号发送给后台处理器；

所述后台处理器分析获得所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性是否异常，若异常，指导工务部门对所述关注断面上的轨道结构和隧道结构进行检测维护。

8.如权利要求7所述的运营安全监测方法，其特征在于，还包括：

所述横向振动监测光缆还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；通过所述横向振动监测光缆采集轨道-隧道-土体-地面的横向振动传播路径上的振动信息；

所述后台处理器分析获得所述关注断面上的振动横向传播和衰减特性，判断所述关注断面上的振动横向传播对沿线建筑物的影响程度，以便于对隧道沿线建筑物进行保护。

9.如权利要求7所述的运营安全监测方法，其特征在于，还包括：

所述横向振动监测光缆还自隧道侧壁竖直穿出，并在隧道围岩中延伸至地面上；通过所述横向振动监测光缆获取隧道周围工程施工产生的振动信息，所述后台处理器根据所获得的隧道周围工程施工产生的振动信息，判断隧道周围工程施工对隧道围岩及隧道主体的影响程度，以便于对所述轨道交通隧道进行保护。