CN115930792B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种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，该系统包括准分布式裂缝监测站点、分布式光纤传感线路、定点铆钉、BOTDR数据采集与传输装置、数据处理与分析装置、数据服务器云端、警报发生器及远程监测中心。所述准分布式裂缝监测站点处设有定点铆钉；所述定点铆钉包括Ⅰ型铆钉和Ⅱ型铆钉；所述分布式光纤传感线路包括传感光纤和温补光纤。本发明将着重解决现有技术背景下的隧道裂缝监测难题，旨在运用光纤传感技术设计一套既满足空间分辨率又灵敏可靠的隧道裂缝监测系统，并提出相应预警方法，从而弥补传统隧道裂缝装置及方法监测精度低、分辨率低及监测效率低的不足。
Description
技术领域:
本发明涉及隧道裂缝监测技术领域，特别涉及一种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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容：
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。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
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：
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；
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；
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；
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；
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；
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。
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：
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；
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。
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：
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；
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；
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。
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：
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；
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：
Δε＝(ΔVB-ΔVT)/Cε (1)
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；
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：
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；
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：
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：
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；
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：
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：
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：
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：
Xi＝Zi′cos(i×θ2)+Xi′sin(i×θ2) (7)
Zi＝Xi′cos(i×θ2)-Zi′sin(i×θ2) (8)
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：
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；
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：
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：
Δε2＝Δε2 X+Δε2 Y+Δε2 Z (11)
ΔεX/Xi＝ΔεY/Yi＝ΔεZ/Zi (12)
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
所述远程监测中心实时动态显示监测信息和警报信号。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
图1是本发明实施例中隧道裂缝监测系统整体结构示意图；
图2-1是本发明实施例中Ⅰ型铆钉结构示意图；
图2-2是本发明实施例中Ⅱ型铆钉结构示意图；
图3是本发明实施例中隧道裂缝监测第i区段结构示意图；
图4是本发明实施例中分布式光纤定点布置示意图；
图5是本发明实施例中分布式光纤定点布置局部放大图；
图6是本发明实施例中定点铆钉详细构造示意图；
图7本发明实施例中传感光纤粘贴方式示意图；
图8是XOZ投影平面内监测站点相对位移计算图(产生裂缝前)；
图9是XOZ投影平面内监测站点相对位移计算图(产生裂缝后)；
图10是XOY投影平面内监测站点相对位移计算图(产生裂缝前)；
图11是XOY投影平面内监测站点相对位移局部计算图(产生裂缝后)；
图12是YOZ投影平面内监测站点相对位移计算图(产生裂缝前)；
图13是YOZ投影平面内监测站点相对位移局部计算图(产生裂缝后)；
图14是相邻监测站点相对位移计算框图。
图中，1、分布式光纤传感线路；1-1、传感光纤，1-2、温补光纤，2、定点铆钉，2-1、固定螺杆，2-2、栓板，2-2-1、圆弧过渡段，2-2-2、光纤粘连段，2-2-3、栓板固定段，2-2-4粘接剂，3、Ⅰ型铆钉，4、Ⅱ型铆钉，5、BOTDR数据采集与传输装置；6、数据处理与分析装置；7、数据服务器云端，8、警报发生器，9、远程监测中心。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参考图1，一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统，该系统包括准分布式裂缝监测站点、分布式光纤传感线路、定点铆钉、BOTDR数据采集与传输装置、数据处理与分析装置、数据服务器云端、警报发生器及远程监测中心。
所述分布式光纤传感线路与定点铆钉串联在一起，且温补光纤固定在定点铆钉上。
所述BOTDR数据采集与传输装置与光纤传感线路相连，并对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。
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，以及将该信息无线传输至数据服务器云端和警报发生器。
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。
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。
所述远程监测中心实时动态显示监测信息和警报信号。
参考图2-1和图2-2，所述定点铆钉包括Ⅰ型铆钉和Ⅱ型铆钉。
参考图1和图3，参考所述准分布式裂缝监测站点在隧道监测区段内连续等间距布置，并在每个准分布式裂缝监测站点处设置定点铆钉。
参考图3，所述准分布式监测站点在监测区段内沿隧道纵轴线(Y轴)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。
优选地，α夹角取60°～75°。
参考图1和图3，所述分布式光纤传感线路呈椭圆型锯齿状布置，且位于相邻两个定点铆钉之间的传感光纤处于预拉伸状态，以及固定于铆钉上的温补光纤处于呈松弛状态。
参考图4和图5，所述分布式光纤传感线路包括传感光纤和温补光纤，且传感光纤与温补光纤交替布置；
参考图6，所述定点铆钉包括：
栓板，所述栓板包括圆弧过渡区段、光纤粘连段、栓板固定区段，用于固定分布式光纤传感线路，且根据栓板与固定螺杆相对位置的不同分为Ⅰ型铆钉和Ⅱ型铆钉。
固定螺杆，所述固定螺杆，其中上端与栓板固定区段连接，下端固定在隧道内壁上。
圆弧过渡区段，所述圆弧过渡区段的曲率半径一定，位于光纤粘连段两侧，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。
光纤粘连段，所述光纤粘连段设有传感光纤和温补光纤。
参考图7，所述传感光纤沿分布式监测站点方向采用粘贴和自由过渡两种方式布设在定点铆钉上，且所述传感光纤在定点铆钉上采用粘接剂固定，并在经过粘贴段后，与光纤粘连段所在平面成一定夹角，其中奇数裂缝监测站点取θ1，偶数裂缝监测站点取(θ1-θ2)。
优选地，粘接剂采用硅胶或环氧树脂；
所述温补光纤为在准分布式裂缝监测站点处铺设传感光纤时预留的小段光纤，并对该小段光纤进行环圈绕制。
采用上述基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统的安全预警方法，包括以下步骤：
步骤a，监测站点布置，将一系列两种类型的定点铆钉等间距交叉布置在隧道监测区域内，形成准分布式裂缝监测站点；
步骤b，分布式光纤传感线路布置，将分布式光纤与各个定点铆钉相连，分别布置分布式光纤传感线路的传感光纤和温补光纤；
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；
步骤d，裂缝数据换算，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；
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。
上述步骤a中，所述的定点铆钉的布置方法包括：
步骤a1，将监测区域分为多个监测区段(参考图1，其中一段为Mi-1～Mi，)，在监测区段内沿隧道纵轴线(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；
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里，形成准分布式裂缝监测站点；
上述步骤b中，所的分布式光纤传感线路的布置方法为：
步骤b1，调整铆钉栓板在固定螺杆上的位置，使得传感光纤呈锯齿状布置；
步骤b2，布置传感光纤时，在铆钉处预留小段进行光纤环圈绕制形成温补光纤，并保持温补光纤处于松弛状态；
步骤b3，在铆钉栓板光纤粘连段采用粘接剂固定传感光纤，并在经过铆钉栓板粘贴段后，与栓板光纤粘连段所在平面一定夹角，其中奇数裂缝监测站点取θ1，偶数裂缝监测站点取(θ1-θ2)，并保持传感光纤处于预拉伸状态。
上述步骤d中，所述的隧道裂缝宽度值的计算方法为：
步骤d1，在监测区段内，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号监测站点相对第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，以下计算取i为偶数，若i为奇数时计算原理一致；
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：
Δε＝(ΔVB-ΔVT)/Cε (1)
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；
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：
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。
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：
参考图8，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：
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为各段传感光纤延伸方向与对应奇数号监测站点的光纤粘连段平面所成夹角；θ2为各段传感光纤延伸方向与对应偶数号监测站点光纤粘连段平面所成夹角；R表示隧道的半径；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：
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：
参考图9，为了方便计算，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跨光纤与第i号监测站点处铆钉切线方向所成夹角θ1′之间的三角形几何关系建立相关关系式，公式如下：
参考图8和图9，根据XOZ投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度S1、S′1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X′i、Z′i之间三角形几何关系建立相关关系式，公式如下：
参考图9，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：
Xi＝Z′icos(iθ2)+X′isin(iθ2) (7)
Zi＝X′icos(iθ2)-Z′isin(iθ2) (8)
式中，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为各段传感光纤与奇数号监测站点铆钉切线方向所成夹角；θ2为各段传感光纤与偶数号监测站点铆钉切线方向所成夹角。
参考图10和图11，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、S′2，并根据S2、S′2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：
式中，α为XOY投影平面和YOZ投影平面上光纤传感线路与Y轴的夹角。
参考图12和图13，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、S′3，并根据S3、S′3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：
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，公式如下：
Δε2＝Δε2 X+Δε2 Y+Δε2 Z (11)
ΔεX/Xi＝ΔεY/Yi＝ΔεZ/Zi (12)
参考图14，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，得到传感光纤由应变信息引起的布里渊频移，进而根据公式(1)推算得出分布式光纤传感线路上的总应变变化Δε，随后利用公式(2)求解得出分布式光纤传感线路中发生频率漂移处至BOTDR数据采集和传输装置的距离，之后分别在XOZ投影平面、XOY投影平面与YOZ投影平面三个投影平面计算相邻监测站点的相对位移变化；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公式(3)求解XOZ投影平面上第i跨光纤的总长度S1，然后建立XOZ投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度S1、S′1与传感光纤在X、Z轴方向上的应变变化ΔεX、ΔεZ之间的相关关系式(4)，再构建基于第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X′i、Z′i，并建立S′1、X′i、Z′i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θ′1的三角形几何关系建立相关关系式(5)，并根据XOZ投影平面上第i跨光纤产生裂缝前、后的总长度S1、S′1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X′i、Z′i之间三角形几何关系建立相关关系式(6)，再利用第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的公式(7)、(8)，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；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、S′2，再根据S2、S′2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(9)，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；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、S′3，再根据S3、S′3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(10)，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；结合上述三个投影平面的相关关系式(3)～(10)和光纤传感线路上的总应变变化Δε求解公式(1)，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(11)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(12)联立求解得出相对位移Xi、Yi、Zi。
本发明具有准分布式、精度高、分辨率高的特点，适用于对隧道可能出现的结构损伤及已经出现的结构破坏进行监测，收集每个隧道监测区域的裂缝信息，处理方案、损失状况等相关数据，建立隧道裂缝的数据库并与相关管理部门共享。
尽管上面结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是并不局限于说明书与实施方案所述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，它完全可以用在适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员来说，很容易对其进行修改，因此在不脱离本发明宗旨和权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示。
Claims (6)
1.一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
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；
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：
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；
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；
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；
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；
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；
步骤d中，隧道裂缝宽度值D的计算方法为：
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号监测站点相对第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；
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：
Δε＝(ΔVB-ΔVT)/Cε (1)
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；
隧道裂缝位置，即分布式光纤传感线路中发生频率漂移处至BOTDR数据采集和传输装置的距离d，采用下式计算得到：
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；
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：
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：
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为各段传感光纤延伸方向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；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：
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′之间的三角形几何关系建立相关关系式，公式如下：
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：
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：
Xi＝Z′icos(i×θ2)+X′isin(i×θ2) (7)
Zi＝X′icos(i×θ2)-Z′isin(i×θ2) (8)
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：
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；
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：
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：
Δε2＝Δε2 X+Δε2 Y+Δε2 Z (11)
ΔεX/Xi＝ΔεY/Yi＝ΔεZ/Zi (12)
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；
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。
2.如权利要求1所述的基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝预警方法，其特征在于，步骤b中，所述分布式光纤传感线路的布置方法为：
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；
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；
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。
3.一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统，其特征在于，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数据采集和传输装置；BOTDR数据采集和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权利要求1或2所述的基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝预警方法；
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；
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；
所述BOTDR数据采集和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；
所述数据处理与分析装置对BOTDR数据采集和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；
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；
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；
所述远程监测中心实时动态显示监测信息和警报信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统，其特征在于：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。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统，其特征在于：所述准分布式裂缝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。
6.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感技术的隧道全寿命裂缝监测系统，其特征在于：所述传感光纤两端分别粘贴在光纤粘连段(2-2-2)，并自由经过圆弧过渡段(2-2-1)，传感光纤与光纤粘连段(2-2-2)所在平面成预设的夹角。
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