本發(fā)明屬于隧道工程安全檢測技術領域，具體涉及一種基于檢測光纖監(jiān)測技術的隧道施工安全預警方法。

背景技術：
由于技術及資金的瓶頸突破，近年來我國鐵路、公路等建設項目中選擇了大量的長大隧道，以縮短線路長度，提高線路的運輸能力。因此，隧道工程項目在日益增多。近年來，在許多地質(zhì)狀況復雜的地區(qū)，隧道的修建數(shù)量也在增加。隧道施工中的安全問題一直是關系到人員生命及國家財產(chǎn)的重大問題。多年來，建設者從管理、勘察設計、施工工藝等方面采取了大量的有效的措施，但施工過程中的塌方、突泥、涌水等自然災害還是在不斷的發(fā)生，工程的風險依然很大。從掘進面到已經(jīng)砌襯完成之間的部分，最容易發(fā)生塌方等災害。換句話說，在施工人員向前掘進到一定位置時，在未砌襯的空間和時間段內(nèi)，發(fā)生災害的概率非常大，而且用常規(guī)手段難以預測、預報此類災害的發(fā)生。目前國內(nèi)外有很多防災安全監(jiān)控技術，尚無未襯砌隧道的安全檢測手段。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種能有效感知未襯砌隧道表面的溫度、應力和應變變化的基于檢測光纖監(jiān)測技術的隧道施工安全預警方法，從而對施工過程中的塌方、突泥和涌水等事故的預防。本發(fā)明所采用的技術方案是：基于檢測光纖監(jiān)測技術的隧道施工安全預警方法，其特征在于：由以下步驟實現(xiàn)：步驟一：在施工隧道壁上分割出多個監(jiān)測區(qū)域，將檢測光纖敷設到這些區(qū)域，使光纖應力附著在隧道壁上；步驟二：寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)過隔離器和3dB耦合器，傳輸?shù)綑z測光纖上，折射率分布的周期性結(jié)構導致某一特定波長光的反射，經(jīng)過這些檢測光纖的波長選擇后，一組不同波長的窄帶光被反射；步驟三：當檢測光纖隨隧道壁變化時,導致檢測光纖的諧振波長漂移，其反射光再次經(jīng)過3dB耦合器由波長解調(diào)器接收，經(jīng)過波長解調(diào)器對這些波長進行識別，監(jiān)測出波長的變化即應力變化；步驟四：當檢測光纖產(chǎn)生應力突變時，產(chǎn)生災害預警或報警信息；步驟五：將預警或報警信號送入專用或公眾網(wǎng)絡向工程人員發(fā)布，還可以通過衛(wèi)星、電信、移動等公眾網(wǎng)絡發(fā)布到上級建設管理部門。步驟一中，檢測光纖為應力傳感器，以等間隔串接方式布設。步驟三中，波長解調(diào)器包括可調(diào)F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動信號發(fā)生器、信號混合器和LP低通濾波器；波長編碼的壓力傳感信號輸入到可調(diào)F-P濾波器，當鋸齒波驅(qū)動F-P濾波器使其透射波峰與檢測光纖反射峰重合時，可根據(jù)此時F-P濾波器的驅(qū)動電壓－透射波長關系,測得檢測光纖反射峰位置，鋸齒波掃描電壓發(fā)生器的掃描電壓上加入抖動信號發(fā)生器產(chǎn)生的抖動電壓，輸出經(jīng)信號混合器和LP低通濾波器，測量抖動頻率，在信號為零時，所測即為檢測光纖的反射峰值波長。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：（1）檢測光纖具有體積小、精度高、重量輕、高靈敏度、高可靠性，極易置入到待測物的表面或內(nèi)部，實現(xiàn)對物體的高精度、無干擾測量。（2）檢測光纖使用壽命可長達30年、信號可遠距離傳輸，特別適合用于長大隧道安全監(jiān)測，尤其是隧道施工的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。（3）可實現(xiàn)數(shù)字化傳感，傳感量以光的波長信號形式在光纖中傳輸，測量結(jié)果不受外界干擾、傳輸損耗、設備老化等因素的影響。（4）光纖的信息容量大，在一根光纖上可制備數(shù)百、數(shù)千個探測點，與“波分復用”技術相結(jié)合，可以形成檢測光纖傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)對待測物體的分布式測量和定位。（5）可靠、易安裝、易維護。附圖說明圖1為等間隔分布多個檢測光纖應力傳感器的布防。圖2為反射光的形成原理。圖3為不同應力變化的預警方式。具體實施方式下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細的說明。本發(fā)明所涉及的隧道施工安全預警方法，是基于檢測光纖監(jiān)測技術而實現(xiàn)的，有著穩(wěn)定、敏感、高可靠的優(yōu)勢。檢測光纖利用紫外曝光技術在光纖芯中引起折射率的周期性變化而形成，光纖中折射率分布的周期性結(jié)構，導致光纖某一特定波長光的反射譜。當光纖受外界溫度、應力或應變發(fā)生變化時，反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量來實現(xiàn)對溫度、應力和應變的感知，從而感知未襯砌隧道表面的變化，將未襯砌隧道上的應力物理變化量，轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖送到波長解調(diào)器中，再轉(zhuǎn)換成電信號，通過網(wǎng)絡送到計算機信息處理系統(tǒng)。本發(fā)明所述的隧道施工安全預警方法有以下步驟實現(xiàn)：步驟一：在隧道壁上分割出多個監(jiān)測區(qū)域，將檢測光纖敷設到這些區(qū)域，使光纖應力附著在隧道壁上。檢測光纖是作為應力傳感器而應用到本方法中的，圖1中為等間隔分布多個檢測光纖應力傳感器的布防，通常采用串接方式。步驟二：寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號經(jīng)過隔離器和3dB耦合器傳輸?shù)酱拥臋z測光纖上，經(jīng)過這些檢測光纖的波長選擇后，一組不同波長的窄帶光被反射。當某一寬帶光源的光入射到檢測光纖中時，折射率分布的周期性結(jié)構導致某一特定波長光的反射，反射光的波長（即諧振波長）由Bragg公式確定：其中，、和分別為光纖光柵的諧振波長、導波模的有效折射率和周期。步驟三：當檢測光纖隨隧道壁變化時,導致檢測光纖的諧振波長漂移，其反射光再次經(jīng)過3dB耦合器由波長解調(diào)器接收，經(jīng)過波長解調(diào)器對這些波長進行識別，監(jiān)測出波長的變化即應力變化。如圖2所示。光纖應力是附著在未襯砌隧道壁上的，當檢測光纖隨隧道壁變化時,導致光纖的諧振波長漂移，漂移量為：其中，為彈性體（未襯砌隧道壁）的熱膨脹系數(shù)，為光纖的熱光系數(shù)，為溫度改變量，為光纖的軸向應變，pe為光纖的有效彈性系數(shù)。其中，光纖的有效彈性系數(shù)pe由下式確定：其中，μ為纖芯材料的泊松比。由漂移量公式可得：光纖的軸線和法線應變的導致發(fā)射波長變化，隧道內(nèi)部不考慮熱膨脹系數(shù)、和，在隧道內(nèi)視為常量，所以檢測光纖只檢測隧道壁的彈性系數(shù)變化。波長解調(diào)器包括可調(diào)F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動信號發(fā)生器、信號混合器和LP低通濾波器。波長解調(diào)器的工作原理是，將波長編碼的壓力傳感信號輸入到可調(diào)F-P濾波器，當鋸齒波驅(qū)動F-P濾波器使其透射波峰與檢測光纖反射峰重合時，即可根據(jù)此時F-P濾波器的驅(qū)動電壓－透射波長關系,測得檢測光纖反射峰位置。但由于F－P濾波器輸出的透射譜是光柵反射譜與F-P濾波器透射譜的卷積，會使帶寬增加，分辨率降低，所以，在鋸齒波掃描電壓發(fā)生器的掃描電壓上加入抖動信號發(fā)生器產(chǎn)生的抖動電壓，輸出經(jīng)信號混合器和LP低通濾波器，測量抖動頻率，在信號為零時，所測即為檢測光纖的反射峰值波長。步驟四：當檢測光纖產(chǎn)生應力突變或單光網(wǎng)斷開時，產(chǎn)生災害報警信號。當檢測光纖產(chǎn)生應力變化時，計算單位時間內(nèi)應力變化的軸線和法線變化量，產(chǎn)生塌方、突泥、涌水和巖爆的預警信號。如圖3所示。兩種不同巖層間檢測裂隙的變化，可作如下安全預警：第一，檢測巖層的相對位移對檢測光纖發(fā)生的軸線和法線的變化，可預警可能發(fā)生的塌方；第二，檢測大面積塌落和泥漿涌出造成檢測光纖的嚴重形變，乃至斷裂，可報告已經(jīng)發(fā)生塌方的位置和程度；第三，檢測裂隙處大量涌水造成檢測光纖的抖動，抖動程度報告涌水的強度；第四，檢測突發(fā)巖爆引起檢測光纖位移突變，報告巖爆發(fā)生的面積和程度。步驟五：預警或報警信息通過通信光纜傳到波長解調(diào)器，經(jīng)過分析處理后產(chǎn)生不同區(qū)域的預警或報警信號送入專用或公眾網(wǎng)絡向工程人員發(fā)布，還可以通過衛(wèi)星、電信、移動等公眾網(wǎng)絡發(fā)布到上級建設管理部門。