本發(fā)明屬于隧道超前支護(hù)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域,更具體涉及一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖監(jiān)測方法,同時還涉及一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖的監(jiān)測裝置。
背景技術(shù):
在隧道開挖過程中,經(jīng)常會遇到破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段,在這類地質(zhì)條件下進(jìn)行開挖,如果不進(jìn)行超前預(yù)支護(hù),很容易出現(xiàn)坍塌情況,導(dǎo)致安全事故,不僅給相關(guān)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失,增加工程成本,而且極大地影響工程施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。在隧道施工下穿既有線路或建筑物及河流、湖泊的開挖前,如果不進(jìn)行超前預(yù)支護(hù),很容易造成隧道上既有線路或建筑物的沉降以及河流、湖泊涌水而帶來各種安全隱患。
管棚超前支護(hù)是將一組鋼管(即管棚管)沿隧道的開挖輪廓線外側(cè)已鉆好的鉆孔打入地層內(nèi),并與鋼拱架組合形成強(qiáng)大的棚架預(yù)支護(hù)加固體系,用以支承來自管棚上部圍巖的荷載,并通過注漿孔加壓向地層中注漿,以加固軟弱破碎的地層,提高地層的自穩(wěn)能力。管棚支護(hù)在穩(wěn)定開挖圍巖的同時,也產(chǎn)生了相應(yīng)的變形,通過對該變形進(jìn)行測試,綜合地表沉降、拱頂下沉和凈空收斂的監(jiān)測結(jié)果,可形成完整的管棚支護(hù)圍巖穩(wěn)定性評價體系,實(shí)時監(jiān)測管棚支護(hù)圍巖的變形情況,極大的增加隧道施工的安全性。
目前,在隧道超前支護(hù)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域,特別是與隧道工程施工期監(jiān)測有關(guān)的技術(shù)方法主要有地中土體沉降監(jiān)測技術(shù)、土體測斜技術(shù)、地表、拱頂沉降監(jiān)測技術(shù)等,儀器設(shè)備多采用沉降儀、測斜儀、全站儀、水準(zhǔn)儀等。這些技術(shù)方法具有點(diǎn)式測量特點(diǎn),測點(diǎn)稀疏,難以實(shí)現(xiàn)對被測對象的全方位監(jiān)控。常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)多數(shù)仍不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測,且傳感原理多種多樣,數(shù)據(jù)種類多,難以集成大規(guī)模實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。因此,有必要研究開發(fā)適用于隧道管棚超前支護(hù)洞內(nèi)圍巖變形超前實(shí)時監(jiān)測方法和技術(shù),以滿足日益增長的隧道施工安全監(jiān)測的要求和理論研究的需要。
基于布里淵散射原理的預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析ppp-botda(pulse-prepumpbirlouinopticaltime-domainanalysis)是一項(xiàng)極具發(fā)展前景的應(yīng)變和溫度監(jiān)測技術(shù)。它除了具有一般光纖傳感技術(shù)的耐腐蝕、抗干擾等特點(diǎn),該技術(shù)還是傳統(tǒng)botda系統(tǒng)的升級產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了高分辨率(<10cm)與高精度(<±8)測量,在空間分辨率和精度方面具有明顯優(yōu)勢。該技術(shù)在導(dǎo)入脈沖光之前,加載適當(dāng)?shù)拿}沖預(yù)泵浦光,預(yù)先激發(fā)聲子,然后利用脈沖光在光纖中的受激布里淵散射效應(yīng)和光時域反射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的長距離全分布式測量,可以得到光纖沿線任意點(diǎn)應(yīng)變和溫度信息。ppp-botda分布式光纖適用于大型結(jié)構(gòu)體的健康狀況的檢測和監(jiān)測,目前在隧道圍巖超前支護(hù)監(jiān)測方面還沒有較完善的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)。它尤其適用于特殊困難地段,如在極破碎巖體、斷層破碎巖體、塌方體、巖錐地段、砂土質(zhì)地層、強(qiáng)膨脹性地層、強(qiáng)流變性地層、裂隙發(fā)育巖體、淺埋大偏壓等圍巖的隧道超前支護(hù)變形監(jiān)測。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對隧道超前支護(hù)常規(guī)監(jiān)測方法和手段的不足,目的是在于提供了一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖監(jiān)測方法,可以實(shí)現(xiàn)隧道管棚支護(hù)圍巖分布式監(jiān)測和超前監(jiān)測,高密度測點(diǎn)間距可達(dá)到5cm,克服了傳統(tǒng)監(jiān)測手段測點(diǎn)不連續(xù)的缺點(diǎn),并且具有經(jīng)濟(jì),方便,抗干擾,耐久性優(yōu)良等特點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個目的是在于提供了一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖的監(jiān)測裝置,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,巧妙利用管棚支護(hù)鉆孔,將預(yù)制好的光纖測管單節(jié)段放置在管棚鋼管內(nèi),可形成完整的管棚支護(hù)圍巖穩(wěn)定性評價體系,實(shí)時監(jiān)測管棚支護(hù)圍巖的變形情況,極大的增加隧道施工的安全性。
為了實(shí)現(xiàn)上述的目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)措施:
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是:將管棚鋼管沿隧道的開挖輪廓線外側(cè)已鉆好的監(jiān)測鉆孔打入地層內(nèi),鋼管之間采用絲扣連接;鋼管安裝完畢后,沿隧道縱向延伸方向由后向前對預(yù)制好的分段光纖測管單節(jié)段進(jìn)行拼接組裝,由于隧道洞內(nèi)操作空間的狹窄,上一節(jié)段光纖測管單節(jié)段送入鋼管內(nèi),然后在鋼管口處拼接組裝下一節(jié)段光纖測管單節(jié)段,多個所述節(jié)段的光纖測管單節(jié)段拼接組裝方法均相同。
一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖的監(jiān)測方法,其步驟是:
步驟一、采用管棚鉆機(jī),從導(dǎo)向管內(nèi)鉆孔,套管跟進(jìn)的方法,沿著隧道開挖輪廓線外的設(shè)定部位鉆取監(jiān)測孔、水平鋪設(shè)鋼管;管棚鋼管由機(jī)械頂進(jìn),鋼管節(jié)段間用絲扣連接;
步驟二、管棚鋼管頂?shù)轿缓螅瑢⒌谝还?jié)段光纖測管單節(jié)段開始端第一凹槽和第二凹槽光纖轉(zhuǎn)換延長接頭串聯(lián)搭接,第三凹槽和第四凹槽光纖轉(zhuǎn)換延長接頭串聯(lián)搭接,光纖接頭處用塑料薄膜進(jìn)行密封保護(hù),由機(jī)械緩慢頂進(jìn),將光纖測管單節(jié)段開始端送入管棚鋼管內(nèi),并在鋼管口處預(yù)留0.18-0.22m光纖測管單節(jié)段長度,注意保證光纖測管單節(jié)段第一凹槽豎直向上;
步驟三、在鋼管口處將第二節(jié)段的光纖測管單節(jié)段采用內(nèi)接管膠結(jié)方式,與第一節(jié)段光纖測管單節(jié)段末端拼接,拼接時確保兩根光纖測管單節(jié)段的凹槽對齊,光纖采用延長轉(zhuǎn)換接頭串聯(lián)形成豎向和水平光纖回路,光纖接頭處用塑料薄膜進(jìn)行密封保護(hù),拼接完成后由機(jī)械緩慢頂進(jìn),將第二節(jié)段光纖測管單節(jié)段送入管棚鋼管內(nèi),并在鋼管口處預(yù)留0.18-0.22m光纖測管單節(jié)段長度,注意保證光纖測管單節(jié)段第一凹槽豎直向上;
步驟四、其它節(jié)段的光纖測管單節(jié)段拼接方法與步驟三所述第二節(jié)段光纖與第三節(jié)段光纖測管單節(jié)段拼接方法相同,最終可得到與管棚鋼管長度相同的光纖測管單節(jié)段;
步驟五、安裝鉆孔封孔裝置,采用注漿機(jī)注入配置好的水泥漿至漿液充滿光纖測管單節(jié)段與管棚圍巖空隙,并用保護(hù)套管將光纖由鉆孔封孔裝置蓋板上的光纖引出孔引出管棚鋼管。
步驟六、將隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測位置處光纖測管單節(jié)段的傳感光纖通過延長轉(zhuǎn)換接頭串聯(lián),由ppp-botda預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析儀同步測量光纖的應(yīng)變分布,構(gòu)成分布式光纖監(jiān)測網(wǎng),通過應(yīng)變做差、積分運(yùn)算計算出光纖測管單節(jié)段二維位移分布,超前實(shí)時監(jiān)測隧道管棚支護(hù)圍巖的變形情況。
通過上述監(jiān)測方法,改進(jìn)了隧道超前支護(hù)常規(guī)監(jiān)測方法和手段的不足,實(shí)現(xiàn)隧道管棚支護(hù)圍巖分布式監(jiān)測和超前監(jiān)測,克服了傳統(tǒng)監(jiān)測手段測點(diǎn)不連續(xù)的缺點(diǎn),高密度測點(diǎn)間距可達(dá)到5cm,并且具有經(jīng)濟(jì),方便,抗干擾,耐久性優(yōu)良等特點(diǎn)。
一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖的監(jiān)測裝置,它由光纖測管單節(jié)段,光纖、空心圓管、內(nèi)接管、第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽、延長轉(zhuǎn)換接頭、導(dǎo)向管、監(jiān)測孔、管棚鋼管、出漿孔、導(dǎo)向墻、鋼拱架、注漿孔、光纖引出管道、鉆機(jī)組成,其連接關(guān)系是:光纖測管單節(jié)段由光纖、延長轉(zhuǎn)換接頭和空心圓管組成,光纖測管單節(jié)段外側(cè)壁開有正交對稱的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽,光纖黏貼在凹槽表面,端部設(shè)有延長轉(zhuǎn)換接頭方便拼接;管棚鋼管中空且側(cè)壁設(shè)有多個(60-120)(出漿孔孔徑12mm,孔間距15cm,呈梅花形布置)出漿孔;導(dǎo)向管和導(dǎo)向墻對鉆機(jī)起引導(dǎo)方向作用,導(dǎo)向管斜插于鋼拱架之上;管棚鋼管位于導(dǎo)向管內(nèi)部,隨著鉆機(jī)鉆進(jìn)過程不斷向掌子面方向推進(jìn),光纖測管單節(jié)段位于管棚鋼管內(nèi)部,通過注漿孔注漿使光纖測管單節(jié)段和管棚鋼管在圍巖作用下協(xié)調(diào)變形,光纖由光纖引出管道引出方便監(jiān)測;不同監(jiān)測孔的光纖測管單節(jié)段的傳感光纖通過延長轉(zhuǎn)換接頭串聯(lián),由ppp-botda預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析儀同步測量光纖的應(yīng)變分布。
所述的光纖測管單節(jié)段包括緊皮光纖、轉(zhuǎn)換延長接頭和空心圓管,緊皮光纖通過環(huán)氧樹脂膠黏貼在空心圓管外壁凹槽面,并在圓管端部與轉(zhuǎn)換延長接頭串聯(lián)連接;所采用的空心圓管的外壁開設(shè)有第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽;所述的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽以及第四凹槽之間的夾角分別是180度、90度(逆時方向)以及90度(順時方向);所述光纖測管單節(jié)段的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽分別黏貼布設(shè)預(yù)定長度的緊皮光纖,光纖端部均設(shè)有轉(zhuǎn)換延長接頭。
作為優(yōu)選,本發(fā)明所采用的空心圓管是pp-r管,具有良好的柔韌性,空心圓管的管徑可根據(jù)管棚支護(hù)用的鋼管內(nèi)徑大小來確定,且小于鋼管內(nèi)徑。
作為優(yōu)選,本發(fā)明所采用的空心圓管單根的長度一般在2或4m,所述的空心圓管的外徑不小于40mm,空心圓管壁厚不小于5mm,所述的空心圓管外壁上開設(shè)的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽的橫截面尺寸均為3mm×3mm,兩根空心圓管端部可通過內(nèi)接管膠結(jié),對接時要注意凹槽對齊。
作為優(yōu)選,本發(fā)明所采用的分布式光纖是緊包護(hù)套應(yīng)變感測光纖,光纖的長度略大于空心圓管單根長度,一般在2.2或4.2m,空心圓管兩端各多出0.1m預(yù)留光纖長度,且光纖兩端均設(shè)有轉(zhuǎn)換延長接頭;空心圓管第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽對應(yīng)的光纖采用轉(zhuǎn)換延長接頭串聯(lián),所述分布式光纖的纖芯外側(cè)封裝有聚氨酯彈性材料保護(hù)層,所述分布式光纖的直徑是2mm,重量是2kg/km。
通過上述裝置,克服了傳統(tǒng)監(jiān)測裝置布設(shè)不方便、操作困難、監(jiān)測工作量繁重的缺點(diǎn),單根光纖既作為傳感元件又為信號傳輸通道,不需要額外導(dǎo)線,對數(shù)據(jù)采集傳輸和施工有利,不同位置監(jiān)測孔光纖可串聯(lián)使得大規(guī)模布設(shè)時數(shù)據(jù)采集和引出都較為簡單易行,可用于監(jiān)測項(xiàng)目多,大規(guī)模監(jiān)測成本低,提高監(jiān)測效率;
一種光纖測管單節(jié)段的制備(預(yù)制)方法,其步驟是:
a、根據(jù)隧道管棚支護(hù)鋼管的長度確定空心圓管的長度和數(shù)量,對空心圓管進(jìn)行凹槽加工,即空心圓管外壁上開設(shè)的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽的橫截面尺寸均為3mm×3mm,第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽以及第四凹槽之間的夾角分別是180度、90度(逆時方向)以及90度(順時方向);
b、開槽完成后,用無水乙醇洗凈凹槽粘貼面,風(fēng)干,確保粘結(jié)表面潔凈,以保證粘貼質(zhì)量;
c、嚴(yán)格按比例調(diào)制環(huán)氧樹脂,先順著空心圓管某一端第一凹槽均勻涂抹0.4-0.6mm厚薄底層環(huán)氧樹脂,并及時順著第一凹槽敷設(shè)兩端帶有轉(zhuǎn)換延長接頭的緊皮光纖直至空心圓管凹槽末端,注意兩端各預(yù)留0.1m長度的光纖,此過程要確保光纖適當(dāng)繃緊保持順直,不得出現(xiàn)人為造成光纖初始彎曲缺陷;30-40分鐘后底層環(huán)氧樹脂達(dá)到初凝強(qiáng)度,重新調(diào)制環(huán)氧樹脂,涂刮覆蓋層環(huán)氧樹脂直至達(dá)到設(shè)計涂層厚度,使環(huán)氧樹脂層面與空心圓管外壁面保持基本一致;
d、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽光纖的黏貼方法與第一凹槽相同,具體操作重復(fù)c步驟一次;
根據(jù)經(jīng)典材料力學(xué),在計算結(jié)構(gòu)變形的諸方法中,應(yīng)變二次積分法能直接建立結(jié)構(gòu)應(yīng)變和變形之間的關(guān)系,計算如下
式中:w(x)為結(jié)構(gòu)軸線坐標(biāo)x處豎向變形,向下為正;ε(x)為結(jié)構(gòu)下部離中性軸距離y處的應(yīng)變,受拉為正;a和b分別為x=0處的轉(zhuǎn)角和變形,轉(zhuǎn)角以逆時針為正。
管棚鋼管沿隧道的開挖輪廓線往掌子面方向按照一定長度10-45m布置,鋼管軸線與隧道軸線具有一定夾角α=1-13°,隧道開挖過程中管棚內(nèi)光纖測管單節(jié)段單節(jié)段出口端先發(fā)生沉降變形,掌子面向前方向另一端相對固定(既無轉(zhuǎn)角也無位移),可簡化為懸臂梁模型,以管棚鋼管軸線為坐標(biāo)軸x軸,帶入懸臂梁模型邊界x=0,w(0)=0;x=0,θ(0)=0到公式(1),得到a=0,b=0,則光纖測管單節(jié)段單節(jié)段任意位置x處(圖1)相對于基點(diǎn)0的位移為:
投影到以隧道軸線方向?yàn)闄M軸的坐標(biāo)系下,光纖測管單節(jié)段單節(jié)段的水平位移分布為公式(2),由于鋼管軸線與隧道軸線具有一定夾角α,光纖測管單節(jié)段單節(jié)段的豎向位移分布為:
式中:δε(x)為空心圓管第一凹槽和第二凹槽或第三凹槽和第四凹槽對稱布設(shè)得光纖應(yīng)變變化值(相對于初始應(yīng)變的變化值)之差,d為空心圓管外直徑,α為鋼管軸線與隧道軸線夾角,cosα為鋼管軸線與隧道軸線夾角余弦值,w1(x)為光纖測管單節(jié)段單節(jié)段的豎向位移分布;根據(jù)公式(3)由空心圓管第一凹槽和第二凹槽上下兩條光纖的應(yīng)變,進(jìn)行做差、積分運(yùn)算可以計算出光纖測管單節(jié)段單節(jié)段豎向的位移分布;同理,根據(jù)公式(2)由空心圓管第三凹槽和第四凹槽左右兩條光纖的應(yīng)變,進(jìn)行做差、積分運(yùn)算也可以計算出光纖測管單節(jié)段單節(jié)段水平方向的位移分布。
當(dāng)隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,空心圓管將隨著管棚發(fā)生同步變形,空心圓管布設(shè)的四條傳感光纖會隨著管的變形產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變,將空心圓管第一凹槽和第二凹槽上下兩條光纖的應(yīng)變,進(jìn)行做差、積分運(yùn)算可以計算光纖測管單節(jié)段單節(jié)段豎向的位移分布,同理,將空心圓管第三凹槽和第四凹槽左右兩條光纖的應(yīng)變,進(jìn)行做差、積分運(yùn)算可以計算光纖測管單節(jié)段單節(jié)段水平向的位移分布。做差運(yùn)算指的是空心圓管第一凹槽和第二凹槽或者第三凹槽和第四凹槽對稱分布的光纖的應(yīng)變值相減,分別得到傳感器豎直向和水平向的二維差值應(yīng)變分布;通過對差值應(yīng)變分布沿空心圓管長度進(jìn)行二次積分運(yùn)算得到空心圓管任意點(diǎn)相對于基點(diǎn)0點(diǎn)的位移;將隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測位置處光纖測管單節(jié)段單節(jié)段的傳感光纖通過延長轉(zhuǎn)換接頭串聯(lián),由ppp-botda預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析儀同步測量光纖的應(yīng)變分布,構(gòu)成分布式光纖監(jiān)測網(wǎng),超前實(shí)時監(jiān)測隧道管棚支護(hù)圍巖的變形情況。
本發(fā)明與現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)相比,最大的特點(diǎn)是提供了一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖監(jiān)測方法及裝置,優(yōu)點(diǎn)如下:
1)通過將預(yù)制好的光纖測管單節(jié)段單節(jié)段放入隧道管棚鋼管內(nèi),監(jiān)測隧道開挖過程中管棚支護(hù)圍巖的動態(tài),實(shí)現(xiàn)超前、實(shí)時監(jiān)測;
2)可以實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測,高密度測點(diǎn)間距可達(dá)到5cm,克服了隧道洞內(nèi)傳統(tǒng)監(jiān)測手段測點(diǎn)不連續(xù)的缺點(diǎn),
3)單根光纖既作為傳感元件又為信號傳輸通道,不需要額外導(dǎo)線,對數(shù)據(jù)采集傳輸和施工是有利的,具有經(jīng)濟(jì),方便,抗干擾,耐久性優(yōu)良,數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)勢;
4)傳感器可串聯(lián)使得大規(guī)模布設(shè)時數(shù)據(jù)采集和引出都較為簡單易行,可用于監(jiān)測項(xiàng)目多,大規(guī)模監(jiān)測成本低,提高監(jiān)測效率;
5)綜合地表沉降、拱頂下沉和凈空收斂的監(jiān)測結(jié)果,可形成完整的管棚支護(hù)圍巖穩(wěn)定性評價體系,實(shí)時監(jiān)測管棚支護(hù)圍巖的變形情況,極大的增加隧道施工的安全性;
附圖說明
圖1為一種基于管棚支護(hù)的監(jiān)測原理模型簡化示意圖。
圖2為一種光纖測管單節(jié)段結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為一種光纖測管單節(jié)段橫截面示意圖。
圖4為一種隧道管棚支護(hù)鉆孔布設(shè)位置示意圖。
圖5為一種管棚鋼管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為一種管棚復(fù)合管橫截面示意圖。
圖7為一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中,1-光纖測管單節(jié)段、1-1-光纖、1-2-空心圓管、1-3-內(nèi)接管、1-4-第一凹槽、1-5-第二凹槽、1-6-第三凹槽、1-7-第四凹槽、1-8-延長轉(zhuǎn)換接頭、2-導(dǎo)向管、3-監(jiān)測孔、4-管棚鋼管、5-出漿孔、6-導(dǎo)向墻、7-鋼拱架、8-注漿孔、9-光纖引出管道、10-鉆機(jī)(zsdl-160多功能全液壓履帶鉆機(jī))。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
根據(jù)圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7可知,一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖監(jiān)測方法,具體包括以下步驟:
步驟一、采用管棚鉆機(jī)10,從導(dǎo)向管2內(nèi)鉆孔,鋼管4跟進(jìn)的方法,沿著隧道開挖輪廓線外的設(shè)定部位鉆取監(jiān)測孔3、水平鋪設(shè)鋼管4;管棚鋼管4由機(jī)械頂進(jìn),鋼管4節(jié)段間用絲扣連接;
步驟二、管棚鋼管4頂?shù)轿缓?,將第一?jié)段光纖測管單節(jié)段1開始端第一凹槽1-4和第二凹槽1-5光纖轉(zhuǎn)換延長接頭1-8串聯(lián)搭接,第三凹槽1-6和第四凹槽1-7光纖轉(zhuǎn)換延長接頭1-8串聯(lián)搭接,光纖接頭處用塑料薄膜進(jìn)行密封保護(hù),由機(jī)械緩慢頂進(jìn),將光纖測管單節(jié)段1開始端送入管棚鋼管4內(nèi),并在鋼管4口處預(yù)留0.2m光纖測管單節(jié)段1長度,注意保證光纖測管單節(jié)段1第一凹槽1-4豎直向上;
步驟三、在鋼管4口處將第二節(jié)段的光纖測管單節(jié)段1采用內(nèi)接管1-3膠結(jié)方式,與第一節(jié)段光纖測管單節(jié)段單節(jié)段1末端拼接,拼接時確保兩根光纖測管單節(jié)段1的凹槽對齊,光纖1-1采用延長轉(zhuǎn)換接頭1-8串聯(lián)形成豎向和水平光纖回路,光纖接頭處用塑料薄膜進(jìn)行密封保護(hù),拼接完成后由機(jī)械緩慢頂進(jìn),將第二節(jié)段光纖測管單節(jié)段單節(jié)段1送入管棚鋼管4內(nèi),并在鋼管4口處預(yù)留0.2m光纖測管單節(jié)段1長度,注意保證光纖測管單節(jié)段1第一凹槽1-4豎直向上;
步驟四、其它節(jié)段的光纖測管單節(jié)段1拼接方法與步驟三所述第二節(jié)段光纖測管單節(jié)段1與第三節(jié)段光纖測管單節(jié)段1拼接方法相同,最終可得到與管棚鋼管4長度相同的光纖測管單節(jié)段單節(jié)段1;
步驟五、安裝鉆孔封孔裝置,通過注漿孔8注入配置好的水泥漿至漿液充滿光纖測管單節(jié)段1與管棚圍巖空隙,并將光纖1-1由鉆孔封孔裝置側(cè)面的光纖引出管道9引出管棚鋼管4;
步驟六、將隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測孔3處光纖測管單節(jié)段1的傳感光纖1-1通過延長轉(zhuǎn)換接頭1-8串聯(lián),由ppp-botda預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析儀同步測量光纖1-1的應(yīng)變分布,構(gòu)成分布式光纖監(jiān)測網(wǎng),通過應(yīng)變做差、積分運(yùn)算計算出光纖測管單節(jié)段1二維位移分布,超前實(shí)時監(jiān)測隧道管棚支護(hù)圍巖的變形情況。
所述做差、積分運(yùn)算指的是,當(dāng)隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形,空心圓管第一凹槽1-4和第二凹槽1-5或者第三凹槽1-6和第四凹槽1-7對稱分布的光纖1-1的應(yīng)變值相減,分別得到光纖測管單節(jié)段單節(jié)段1豎直向和水平向的二維差值應(yīng)變分布;通過對差值應(yīng)變分布沿空心圓管1-2長度進(jìn)行二次積分運(yùn)算得到空心圓管1-2任意點(diǎn)相對于基點(diǎn)0點(diǎn)的位移,將隧道管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測孔3位置處光纖測管單節(jié)段1的傳感光纖1-1通過延長轉(zhuǎn)換接頭1-8串聯(lián),由ppp-botda預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析儀同步測量光纖1-1的應(yīng)變分布,構(gòu)成分布式光纖監(jiān)測網(wǎng),超前實(shí)時監(jiān)測隧道管棚支護(hù)圍巖的變形情況。
所述積分運(yùn)算計算公式為:在以隧道軸線方向?yàn)闄M軸的坐標(biāo)系下,光纖測管單節(jié)段單節(jié)段的水平位移分布為
實(shí)施例2:
根據(jù)圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7可知,一種基于管棚支護(hù)的隧道圍巖變形分布式光纖的監(jiān)測裝置,它由光纖測管單節(jié)段1、光纖1-1、空心圓管1-2、內(nèi)接管1-3、第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6、第四凹槽1-7、延長轉(zhuǎn)換接頭1-8、導(dǎo)向管2、監(jiān)測孔3、管棚鋼管4、出漿孔5、導(dǎo)向墻6、鋼拱架7、注漿孔8、光纖引出管道9、鉆機(jī)10組成,其連接關(guān)系是:光纖測管單節(jié)段1由光纖1-1、延長轉(zhuǎn)換接頭1-8和空心圓管1-2組成,光纖測管單節(jié)段1外側(cè)壁開有正交對稱的第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7,光纖1-1黏貼在凹槽表面,端部設(shè)有延長轉(zhuǎn)換接頭1-8方便拼接;管棚鋼管4中空且側(cè)壁設(shè)有多個(60或70或80或90或100或110或120)出漿孔5;導(dǎo)向管2和導(dǎo)向墻6對鉆機(jī)10起引導(dǎo)方向作用,導(dǎo)向管2斜插于導(dǎo)向墻6之上,在導(dǎo)向墻6上裝有鋼拱架7,管棚鋼管4位于導(dǎo)向管2內(nèi)部,鉆機(jī)10鉆頭穿過導(dǎo)向管2,鉆機(jī)10鉆桿位于管棚鋼管4內(nèi)部,隨著鉆機(jī)10鉆進(jìn)過程不斷向掌子面方向推進(jìn)完成,光纖測管單節(jié)段單節(jié)段1位于管棚鋼管4內(nèi)部,在光纖測管單節(jié)段1一端開有光纖引出管道9,在光纖引出管道9上開有注漿孔8,通過注漿孔8注漿使光纖測管單節(jié)段1和管棚鋼管4在圍巖作用下協(xié)調(diào)變形,光纖1-1由光纖引出管道9引出方便監(jiān)測;不同監(jiān)測孔3的光纖測管單節(jié)段1的傳感光纖1-1通過延長轉(zhuǎn)換接頭1-8串聯(lián),由ppp-botda預(yù)脈沖泵浦布里淵光時域分析儀同步測量光纖1-1的應(yīng)變分布。
所述光纖測管單節(jié)段1包括緊皮光纖1-1、轉(zhuǎn)換延長接頭1-8和空心圓管1-2,緊皮光纖1-1通過環(huán)氧樹脂膠黏貼在空心圓管1-2外壁凹槽面,并在圓管端部與轉(zhuǎn)換延長接頭1-8串聯(lián)連接;所采用的空心圓管1-2的外壁開設(shè)有第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7;所述第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6以及第四凹槽1-7之間的夾角分別是180度、90度(逆時方向)以及90度(順時方向);所述光纖測管單節(jié)段1的第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7分別黏貼布設(shè)預(yù)定長度的緊皮光纖1-1,光纖1-1端部均設(shè)有轉(zhuǎn)換延長接頭1-8。
作為優(yōu)選,本發(fā)明所采用的空心圓管1-2是pp-r管,具有良好的柔韌性,空心圓管1-2的管徑大小50mm或80mm可根據(jù)管棚支護(hù)用的鋼管4內(nèi)徑大小76mm或108mm來確定,且小于鋼管4內(nèi)徑。
作為優(yōu)選,本發(fā)明所采用的空心圓管1-2單根的長度一般在2m或4m,所述空心圓管1-2壁厚6.9mm或10.3mm,所述空心圓管1-2外壁上開設(shè)的第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7的橫截面尺寸均為3mm×3mm,兩根空心圓管1-2端部可通過內(nèi)接管1-3膠結(jié),對接時要注意凹槽對齊。
作為優(yōu)選,本發(fā)明所采用的分布式光纖1-1是緊包護(hù)套應(yīng)變感測光纖,光纖1-1的長度略大于空心圓管1-2單根長度,一般在2.2或4.2m,空心圓管1-2兩端各多出0.1m預(yù)留光纖1-1長度,且光纖1-1兩端均設(shè)有轉(zhuǎn)換延長接頭1-8;空心圓管1-2第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7對應(yīng)的光纖1-1采用轉(zhuǎn)換延長接頭1-8串聯(lián),所述分布式光纖1-1的纖芯外側(cè)封裝有聚氨酯彈性材料保護(hù)層,所述分布式光纖1-1的直徑是2mm,重量是2kg/km。
通過實(shí)施例2,克服了傳統(tǒng)監(jiān)測裝置布設(shè)不方便、操作困難、監(jiān)測工作量繁重的缺點(diǎn),單根光纖1-1既作為傳感元件又為信號傳輸通道,不需要額外導(dǎo)線,對數(shù)據(jù)采集傳輸和施工有利,不同位置監(jiān)測孔3光纖1-1可串聯(lián)使得大規(guī)模布設(shè)時數(shù)據(jù)采集和引出都較為簡單易行,可用于監(jiān)測項(xiàng)目多,大規(guī)模監(jiān)測成本低,提高監(jiān)測效率。
實(shí)施例3:
一種光纖測管單節(jié)段的制備方法,其步驟是:
a、根據(jù)隧道管棚支護(hù)鋼管4的長度16m確定空心圓管1-2的單根長度4m和數(shù)量4根,對空心圓管1-2進(jìn)行凹槽加工,即空心圓管1-2外壁上開設(shè)的第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽和第四凹槽的橫截面尺寸均為3mm×3mm,空心圓管1-2第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7之間的夾角分別是180度、90度(逆時方向)以及90度(順時方向);
b、開槽完成后,用無水乙醇洗凈空心圓管1-2第一凹槽1-4、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7粘貼面,風(fēng)干,確保粘結(jié)表面潔凈,以保證粘貼質(zhì)量;
c、嚴(yán)格按比例調(diào)制環(huán)氧樹脂,先順著空心圓管1-2某一端第一凹槽1-4均勻涂抹0.5mm厚薄底層環(huán)氧樹脂,并及時順著第一凹槽1-4敷設(shè)兩端帶有轉(zhuǎn)換延長接頭1-8的緊皮光纖1-1直至空心圓管1-2凹槽1-4末端,注意兩端各預(yù)留0.1m長度的光纖1-1,此過程要確保光纖1-1適當(dāng)繃緊保持順直,不得出現(xiàn)人為造成光纖初始彎曲缺陷;30分鐘后底層環(huán)氧樹脂達(dá)到初凝強(qiáng)度,重新調(diào)制環(huán)氧樹脂,涂刮覆蓋層環(huán)氧樹脂直至達(dá)到設(shè)計涂層厚度,使環(huán)氧樹脂層面與空心圓管1-2外壁面保持基本一致;
d、第二凹槽1-5、第三凹槽1-6和第四凹槽1-7光纖1-1的黏貼方法與第一凹槽1-4相同,具體操作重復(fù)c步驟一次;
以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明,但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言,在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi),對這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形,而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。