本發(fā)明屬于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體為基于分布式光纖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及施工方法，其基于新型智能支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)多層采空區(qū)的隧道圍巖變形進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)。

背景技術(shù)：

1、目前，傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用先柔后剛、剛?cè)岵?jì)的理念。然而，在不良地質(zhì)條件下，隧道容易發(fā)生變形，傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于注重剛度，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)柔性不足，變形適應(yīng)性差。隧道開(kāi)挖后，局部圍巖的擠入變形可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，使得拱架部分扭曲失穩(wěn)甚至破壞，從而引發(fā)整體支護(hù)系統(tǒng)的失效，后期可能出現(xiàn)較大的變形問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)方法多為點(diǎn)式測(cè)量，無(wú)法連續(xù)有效地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的全局變形趨勢(shì)和局部變形狀況。

2、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)所存在的缺陷和不足，急需改進(jìn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)有效的變形監(jiān)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于分布式光纖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及施工方法，以實(shí)現(xiàn)多層采空區(qū)的隧道圍巖變形的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于分布式光纖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：光纖分布式解調(diào)儀、第一應(yīng)變感測(cè)光纜、第二應(yīng)變感測(cè)光纜和設(shè)置在隧道圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)；

3、所述支護(hù)結(jié)構(gòu)包括沿隧道曲面延伸的混凝土鋼管和多根柔性格柵鋼架，所述混凝土鋼管設(shè)置在柔性格柵鋼架形成的框架結(jié)構(gòu)中心，且所述混凝土鋼管與所述柔性格柵鋼架通過(guò)弱剛性連接筋固定連接；

4、所述第一應(yīng)變感測(cè)光纜的一端與光纖分布式解調(diào)儀的第一輸出端連接，另一端沿其中一根柔性格柵鋼架延伸至端點(diǎn)后，延伸至相對(duì)的另一根柔性格柵鋼架的端點(diǎn)，并沿其反方向延伸至另一端點(diǎn)后與所述光纖分布式解調(diào)儀的第一輸入端連接；

5、所述第二應(yīng)變感測(cè)光纜的一端與光纖分布式解調(diào)儀的第一輸出端連接，另一端經(jīng)注漿孔進(jìn)入混凝土鋼管后，沿混凝土鋼管延伸至其底部后再沿混凝土鋼管返回并與所述光纖分布式解調(diào)儀的第二輸入端連接；混凝土鋼管內(nèi)設(shè)置有混凝土；

6、所述光纖分布式解調(diào)儀用于根據(jù)第一應(yīng)變感測(cè)光纜、第二應(yīng)變感測(cè)光纜內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)，解調(diào)得到隧道水平方向和垂直方向的位移。

7、所述光纖分布式解調(diào)儀解調(diào)得到隧道水平方向和垂直方向的位移的具體方法為：

8、通過(guò)固定于仰拱和拱腰段的光纜段中的相對(duì)位置的應(yīng)變差計(jì)算隧道水平方向的位移，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定補(bǔ)償，通過(guò)固定于拱頂段的光纜去程段和回程段的應(yīng)變差計(jì)算隧道豎直方向的位移。

9、所述水平方向的位移的計(jì)算公式為：

10、s(x)＝∫∫(―δε(x)/d)dxdx+cx+e；

11、其中，s(x)表示隧道中x位置的水平位移，δε(x)表示x位置處的實(shí)測(cè)應(yīng)變差，d表示對(duì)應(yīng)的光纜的去程段和回程段之間距離，c、e為常數(shù)。

12、所述豎直方向的位移計(jì)算公式為：

13、

14、其中εc為拱頂光纜的去程段得的應(yīng)變，εd為拱頂光纜的回程段測(cè)得的應(yīng)變，h為豎直方向的位移，即隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降，l0為拱頂部分支護(hù)結(jié)構(gòu)離最近的固定點(diǎn)的距離。

15、柔性格柵鋼架的弱剛性節(jié)點(diǎn)失效前，所述光纖分布式解調(diào)儀根據(jù)第一應(yīng)變感測(cè)光纜內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)，解調(diào)得到隧道水平方向和垂直方向的位移；

16、柔性格柵鋼架的弱剛性節(jié)點(diǎn)失效后，所述光纖分布式解調(diào)儀根據(jù)第二應(yīng)變感測(cè)光纜內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)，解調(diào)得到隧道水平方向和垂直方向的位移。

17、所述第一應(yīng)變感測(cè)光纜、第二應(yīng)變感測(cè)光纜包括纖芯和封裝在纖芯外側(cè)的保護(hù)層，所述保護(hù)層為聚氨酯彈性體或hy料。

18、所述的一種基于分布式光纖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還包括導(dǎo)線和配重錘，所述導(dǎo)線用于將所述第一應(yīng)變感測(cè)光纜、第二應(yīng)變感測(cè)光纜的兩端與所述光纖分布式解調(diào)儀連接，所述導(dǎo)線采用金屬基索狀光纜，通過(guò)多股金屬加強(qiáng)件保護(hù)內(nèi)部光纖；

19、所述配重錘設(shè)置在混凝土鋼管底部，用于對(duì)所述第二應(yīng)變感測(cè)光纜進(jìn)行配重拉伸。

20、所述第一應(yīng)變感測(cè)光纜通過(guò)固定夾具固定在所述柔性格柵鋼架上，所述固定夾具包括固定環(huán)、定位銷(xiāo)和螺母，所述固定環(huán)套設(shè)置在柔性格柵鋼架和第一應(yīng)變感測(cè)光纜外周，所述定位銷(xiāo)穿過(guò)固定環(huán)兩端，并通過(guò)螺母擰緊將固定環(huán)固定在所述柔性格柵鋼架上；

21、所述支護(hù)結(jié)構(gòu)包括四根柔性格柵鋼架；

22、所述弱剛性連接筋包括套環(huán)和與套環(huán)連接的八根連接筋，其中四個(gè)連接筋與四根柔性格柵鋼架在套環(huán)上方連接，四個(gè)連接筋與四根柔性格柵鋼架在套環(huán)下方連接。

23、所述支護(hù)結(jié)構(gòu)為多個(gè)支護(hù)單元拼接而成，各個(gè)支護(hù)單元之間的柔性格柵鋼架通過(guò)連接板連接在一起，連接板之間敷設(shè)高強(qiáng)度橡膠墊；各個(gè)支護(hù)單元之間的混凝土鋼管通過(guò)套筒焊接形式連接，混凝土鋼管的末端封閉。

24、此外，本發(fā)明還提供了一種基于分布式光纖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的施工方法，包括以下步驟：

25、步驟1：支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝：上臺(tái)階開(kāi)挖后，初噴混凝土封閉掌子面；掛網(wǎng)、架立新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，并施加系統(tǒng)錨桿；下臺(tái)階開(kāi)挖后，架立新型拱架，并施打鎖腳錨管；其中每個(gè)單元鋼格柵之間鋪設(shè)高強(qiáng)度強(qiáng)韌性橡膠墊通過(guò)高強(qiáng)度螺栓實(shí)現(xiàn)連接，混凝土鋼管以套筒焊接形式連接，套筒量側(cè)端頭由封閉環(huán)實(shí)現(xiàn)密封；安裝i20工字剛仰拱拱架，以高強(qiáng)度螺栓及連接板實(shí)現(xiàn)單元之間連接；

26、步驟：布設(shè)第一應(yīng)變感測(cè)光纜和第二應(yīng)變感測(cè)光纜：將第一應(yīng)變感測(cè)光纜和第二應(yīng)變感測(cè)光纜分別對(duì)折成回路，然后使用固定夾具將第一應(yīng)變感測(cè)光纜沿設(shè)定布置位置固定在柔性格柵鋼架表面，通過(guò)并在回路底部使用聚丙烯酸樹(shù)脂膠固定，同時(shí)，通過(guò)配重錘將第二應(yīng)變感測(cè)光纜放入混凝土鋼管內(nèi)，然后對(duì)混凝土鋼管內(nèi)進(jìn)行高壓注漿；

27、步驟：連接光纖分布式解調(diào)儀：將第一應(yīng)變感測(cè)光纜和第二應(yīng)變感測(cè)光纜與光纖分布式解調(diào)儀連接；通過(guò)光纖分布式解調(diào)儀對(duì)多層復(fù)雜采空區(qū)上方隧道圍巖的整體變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

28、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

29、(1)本發(fā)明利用框架核心筒結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠合理分配柔性格柵鋼架和混凝土鋼管之間的剛度比值，調(diào)動(dòng)圍巖自承載能力，更加全面、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)隧道圍巖變形。

30、(2)本發(fā)明的支護(hù)結(jié)構(gòu)既具有一定的柔性，又有一定的剛度，能夠抵抗長(zhǎng)期變形、膨脹等持續(xù)壓力作用，適用于長(zhǎng)周期、大范圍、大變形的工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)。

31、(3)本發(fā)明采用分布式光纖對(duì)柔性格柵鋼架、混凝土鋼管進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，可全過(guò)程、實(shí)時(shí)地、高效地、穩(wěn)定地對(duì)圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且相比傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)方法，分布式傳感光纜能夠節(jié)省傳感器的布置成本，降低監(jiān)測(cè)成本，光纜安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)成本低，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，減少了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù)工作量。

32、綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于分布式光纖的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及施工方法，利用光纖傳感技術(shù)，可以在隧道的關(guān)鍵部位進(jìn)行變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)比較不同位置光纖傳感器的應(yīng)變差，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)在水平和豎直方向上的精確位移監(jiān)測(cè)，本發(fā)明不僅提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，也為隧道的安全評(píng)估和維護(hù)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。