一种可大规模高精度在线监测盾构隧道错台的系统及方法技术领域
本发明涉及一种监测盾构隧道错台的系统及方法，尤其涉及一种
可大规模高精度在线监测盾构隧道错台的系统及方法，属于隧道工程
技术领域。
背景技术
盾构隧道，具有施工时间短，对环境影响小的特点，成为现在地
铁、过江、过海等交通隧道的主要施工形式，但是，盾构隧道衬砌由
预制的钢筋混凝土管片通过高强螺栓拼接而成，管片之间存在着接缝，
在外部荷载作用下，接缝处易发生剪切变形，使管片之间形成错台，
一方面使螺栓产生较大的剪切应力，另一方面带来防水隐患，易引起
螺栓锈蚀，带来安全隐患，严重时还会影响隧道净空，威胁交通安全，
因此，对管片错台实施监测对于隧道安全具有重要作用。
在实际工程中，由于管片接缝数量非常多，既有的监测或检测技
术手段无法实现大规模接缝的长期在线监测，因此，有必要设计一种
适合在线监测大规模接缝错台的系统及方法。
1989年Horiguchi等人首次提出了利用布里渊光的频移特性作
为分布式应变和温度传感以来，该技术受到工程研究人员的广泛关注，
其主要具有以下几个优点：1、分布式测量，理论上光纤每点的应变、
温度都可以测量，实际可每5cm采样，空间分解能达到2cm-10cm；2、
长距离传感，可测量的光纤长度达到50km以上；3、测试精度高，目
前应变测试精度可达到2με-10με，温度测试精度为0.1℃；4、
测试长期稳定，不受电磁场等环境干扰；因此，本发明基于布里渊分
布式光纤传感的技术设计了一种可大规模高精度在线监测盾构隧道
错台的系统及方法。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种可大规模高精度在线监
测盾构隧道错台的系统及方法，结构简单，监测精度高，实现大规模
盾构隧道管片错台的低成本在线监测。
本发明所采用的技术方案为：
一种可大规模高精度在线监测盾构隧道错台的系统，包括若干个
变形感应装置，所述若干个变形感应装置经光纤传感回路与分布式光
纤解调仪连通，所述分布式光纤解调仪与计算机连通，所述变形感应
装置包括变形梁体和传感光纤，所述变形梁体的一端固定连接在接缝
一侧的盾构隧道管片上，另一端定向固定连接在所述接缝另一侧的盾
构隧道管片上，所述变形梁体连接处的上下两面设有夹持螺帽，且所
述定向固定端的变形梁体与上下夹持螺帽之间存有空隙；所述传感光
纤沿变形梁体上下表面的中轴线布置，且在中轴线上形成有自由传感
光纤；所述光纤传感回路通过串联若干个变形感应装置上的传感光纤
与分布式光纤解调仪连通形成通光回路后与计算机连通。
进一步，所述变形梁体通过锚固在盾构隧道管片上的螺杆与接缝
两侧的盾构隧道管片连接，所述变形梁体的其中一端通过两个螺孔与
两个锚固在接缝一侧的盾构隧道管片上的螺杆固定连接，另一端通过
变形梁体上的条形孔与一根锚固在接缝另一侧盾构隧道管片上的螺
杆定向连接。
进一步，由于空间分解内应变的不均匀程度会严重影响应变监测
精度，因此，所述变形梁体为等强度、等厚度的变截面梁，为了保证
应变传感的灵敏度和精度，所述变形梁体长度为30cm-50cm。
进一步，为了提高变形感应装置的长期耐久性能，所述变形梁体、
螺杆和螺帽均为不锈钢材质。
进一步，所述空隙为0.1-0.5mm，保证在接缝发生张开或闭合时
变形梁体可以沿轴向自由移动而无应变，在错台情况发生时，变形梁
体产生弯曲应变，0.1-0.5mm的空隙不影响变形感应装置对错台变形
感应的敏感度，但是在变形解析计算时，需要将空隙大小作为错台变
形的初始项考虑进去。
进一步，所述传感光纤为单模光纤，在所述单模光纤外表面还包
覆有尼龙材料的光纤外包层，且在光纤外包层还编织有纤维层，尼龙
材料具有良好的性能，对环境要求低，且能够与纤芯良好粘结，编织
的纤维层可以提高光纤外包层的强度和耐腐蚀性能。
进一步，所述传感光纤通过粘贴剂沿变形梁体上下表面的中轴线
全面粘贴布置，可同时监测拉、压应变；所述粘贴剂为改型环氧树脂，
改型环氧树脂具有较高的耐久性能。
进一步，所述自由传感光纤大于等于20cm，自由传感光纤不受
变形梁体的影响，只对温度变化敏感，用来实施变形感应的温度补偿。
一种基于权利要求1所述的一种可大规模高精度在线监测盾构
隧道错台的方法，包括步骤如下：
(一)在每两个盾构隧道管片的接缝处设置变形感应装置；
(二)变形感应装置通过传感光纤监测变形梁体的上下表面应变情
况，通过形成的自由传感光纤监测温度；
(三)通过串联若干个变形感应装置上的传感光纤与分布式光纤解
调仪连接形成通光回路，分布式光纤解调仪解析通光回路反射光中的
布里渊散射信号的中心频率，并将数据发送给计算机；
(四)计算机通过软件程序存贮解析的光信号信息，计算变形感应
装置的应变、温度分布以及错台变形；所述错台变形采用积分法，计
算公式如下：
δ
=
∫
0
l
ϵ
(
x
)
-
ϵ
′
(
x
)
d
M
‾
(
x
)
d
x
+
Δ
]]>
式中，δ是错台变形，ε(x)和ε′(x)分别是变形梁体的下、上面应
变分布，l和d分别是变形梁体的长度和厚度，![]()
是需弯矩，Δ是
螺帽与变形梁体之间的初始空隙，x是在变形梁体中轴线上应变监测
点距变形梁体固定端的距离。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中采用了可大规模分布式监测的布里渊散射技术，解
决了盾构隧道管片错台以目测或检测手段为主，无法实现在线监测的
困境，提升了隧道工程的安全监测水平，具有较强的适用性及市场竞
争力；
2、本发明中通过合理的结构设计，使得盾构隧道管片错台变形
监测转变为变形梁体的应变监测，同时梁体的轴向应变为均匀应变，
大幅提升了应变传感和错台变形解析的精度,为进一步实施工程结构
的安全评估提供了有效依据；
3、本发明中传感设施结构简单，实现了大规模盾构隧道管片错
台的低成本在线监测，市场竞争力强，为保障国家基础设施安全产生
有益效果。
附图说明：
图1为本发明的变形感应装置结构示意图一；
图2为本发明的变形感应装置结构示意图二；
图3为本发明各部件连接示意图；
图中主要附图标记含义如下：
1、接缝，2、盾构隧道管片，3、变形梁体，4、螺杆，5、螺帽，
6、传感光纤，7、粘贴剂，8、螺孔，9、条形孔，10、变形感应装置，
11、分布式光纤解调仪，12、计算机。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做具体的介绍。
图1为本发明的变形感应装置结构示意图一；图2为本发明的变
形感应装置结构示意图二；图3为本发明各部件连接示意图；
如图3所示：本实施例是一种可大规模高精度在线监测盾构隧道
错台的系统，包括若干个变形感应装置10，若干个变形感应装置10
经光纤传感回路与分布式光纤解调仪11连通，分布式光纤解调仪11
与计算机12连通，如图1和2所示：变形感应装置10包括变形梁体
3和传感光纤6，变形梁体3的一端固定连接在接缝1一侧的盾构隧
道管片2上，另一端定向固定连接在所述接缝1另一侧的盾构隧道管
片2上，变形梁体3连接处的上下两面设有夹持螺帽5，且所述定向
固定端的变形梁体3与上下夹持螺帽5之间存有空隙；传感光纤6沿
变形梁体3上下表面的中轴线布置，且在中轴线上形成有自由传感光
纤；本实施例自由传感光纤长度为20cm，自由传感光纤不受变形梁
体3的影响，只对温度变化敏感，用来实施变形感应的温度补偿，为
了更好的温度补偿，自由传感光纤也可以根据变形梁体3设置长度大
于20cm；本实施例所述光纤传感回路通过串联若干个变形感应装置
10上的传感光纤6与分布式光纤解调仪11连通形成通光回路后与计
算机12连通。
本实施例中，变形梁体3通过锚固在盾构隧道管片2上的螺杆4
与接缝1两侧的盾构隧道管片2连接，变形梁体3的其中一端通过两
个螺孔8与两个锚固在接缝1一侧的盾构隧道管片2上的螺杆4固定
连接，另一端通过变形梁体3上的条形孔9与一根锚固在接缝1另一
侧盾构隧道管片2上的螺杆3定向连接。
由于空间分解内应变的不均匀程度会严重影响应变监测精度，因
此，本实施例中变形梁体3为等强度、等厚度的变截面梁，为了保证
应变传感的灵敏度和精度，本实施例变形梁体3长度为50cm，当然
也可以在30cm-50cm范围中选用；为了提高变形感应装置10的长期
耐久性能，本实施例所述变形梁体3、螺杆4和螺帽5均为不锈钢材
质。
本实施例在定向固定端的变形梁体3与上下夹持螺帽5之间存有
的空隙为0.5mm，保证在接缝1发生张开或闭合时变形梁体3可以沿
轴向自由移动而无应变，在错台情况发生时，变形梁体3产生弯曲应
变，0.5mm的空隙不影响变形感应装置10对错台变形感应的敏感度，
但是在变形解析计算时，需要将空隙大小作为错台变形的初始项考虑
进去，当然，也可以根据实际情况将空隙设置在0.1-0.5mm范围内。
本实施例中传感光纤6为单模光纤，在所述单模光纤外表面还包
覆有尼龙材料的光纤外包层，且在光纤外包层还编织有纤维层，尼龙
材料具有良好的性能，对环境要求低，且能够与纤芯良好粘结，编织
的纤维层可以提高光纤外包层的强度和耐腐蚀性能；传感光纤6通过
粘贴剂7沿变形梁体3上下表面的中轴线全面粘贴布置，可同时监测
拉、压应变；所述粘贴剂7为改型环氧树脂，改型环氧树脂具有较高
的耐久性能。
图3为本发明各部件连接示意图；
如图3所示：一种基于上述实施例所述的可大规模高精度在线监
测盾构隧道错台的方法，包括步骤如下：
(一)在每两个盾构隧道管片2的接缝1处设置变形感应装置10；
(二)变形感应装置10通过传感光纤6监测变形梁体3的上下表
面应变情况，通过形成的自由传感光纤监测温度；
(三)通过串联若干个变形感应装置10上的传感光纤6与分布式
光纤解调仪11连接形成通光回路，分布式光纤解调仪11解析通光回
路反射光中的布里渊散射信号的中心频率，并将数据发送给计算机
12；
(四)计算机12通过软件程序存贮解析的光信号信息，计算变形
感应装置10的应变、温度分布以及错台变形；所述错台变形采用积
分法，计算公式如下：
δ
=
∫
0
l
ϵ
(
x
)
-
ϵ
′
(
x
)
d
M
‾
(
x
)
d
x
+
Δ
]]>
式中，δ是错台变形，ε(x)和ε′(x)分别是变形梁体3的下、上面
应变分布，l和d分别是变形梁体3的长度和厚度，![]()
是需弯矩，
Δ是螺帽5与变形梁体3之间的初始空隙，x是在变形梁体3中轴线
上应变监测点距变形梁体3固定端的距离。
本实施例在可能会发生上、下两种方向错台变形的接缝1两侧盾
构隧道管片2上通过锚固在盾构隧道管片2上的螺杆4和以夹持方式
设置的螺帽5将变形梁体3固定，变形梁体3的其中一端通过两个螺
孔8与两个锚固在接缝1一侧的盾构隧道管片2上的螺杆4固定连接，
另一端通过变形梁体3上的条形孔9与一根锚固在接缝1另一侧盾构
隧道管片2上的螺杆3定向连接，且所述定向固定端的变形梁体3与
上下夹持螺帽5之间存有空隙；保证在接缝1发生张开或闭合时变形
梁体3可以沿轴向自由移动而无应变，在错台情况发生时变形梁体3
产生弯曲应变，不影响错台变形感应的敏感度，在变形解析计算时需
要将空隙大小作为错台变形的初始项考虑进去；空隙大小一般为
0.1-0.5mm，在不同方向的错台变形下，变形梁体3发生弯曲变形的
方向也不同，即变形梁体3上下表面的应变符号将发生改变，为了能
更好地感应变形梁体3的弯曲应变，将传感光纤6采用全面粘贴的方
式沿变形梁体3上、下表面的中轴线分别布设，且在中轴线上形成有
自由传感光纤；其长度不小于20cm，不受变形梁体3的影响，只对
温度变化敏感，用来实施变形感应的温度补偿；粘贴剂7选用具有较
高耐久性能的改型环氧树脂；考虑到分布式布里渊光纤传感技术的特
点，即在空间分辨率内的应变的不均匀程度会严重影响应变监测精度，
变形梁体3为等强度、等厚度的变截面梁，为了保证应变传感的灵敏
度和精度，变形梁体3用于变形感应的区域长度在30cm-50cm；考虑
到变形感应装置的长期耐久性能，变形梁体3、螺杆4和螺帽5均采
用不锈钢材料。
通过传感光纤6将不同位置的变形感应装置10串联成光纤传感
回路，串联后的传感光纤6两端分别与分布式光纤解调仪11连接；
分布式光纤解调仪11通过发射激光、解调发射回来的布里渊光等环
节，将串联在光纤传感回路上所有变形感应装置10的变形和温度变
化解调成光的中心频率变化；分布式光纤解调仪11通过数据连接端
口与计算机12连接传输数据信息，在计算机12内安装有控制分布式
光纤解调仪11的应用软件，并可以对考虑温度补偿后的变形感应装
置10的应变分布进行解析、记录，通过变形计算软件可直接计算出
变形梁体3端部的挠度，即盾构隧道管片2的错台变形。
错台变形的解析方法：在错台作用下，变形梁体3发生弯曲变形，
位于条形孔9内的螺杆4所对应位置的变形梁体3产生的挠度再加上
初始空隙就是错台变形，利用传感光纤6监测的变形梁体3上下表面
应变分布，可计算其曲率分布，采用积分法进一步计算出变形梁体3
的挠度，从而获得错台变形，公式如下所示：
δ
=
∫
0
l
ϵ
(
x
)
-
ϵ
′
(
x
)
d
M
‾
(
x
)
d
x
+
Δ
]]>
式中，δ是错台变形，ε(x)和ε′(x)分别是变形梁体3的下、上面
应变分布，l和d分别是变形梁体3计算长度和截面厚度，![]()
是需
弯矩，Δ是螺帽5与变形梁体3之间的初始空隙，x是在变形梁体3
中轴线上应变监测点距变形梁体3固定端的距离。
本发明是一种基于布里渊分布式光纤传感的盾构隧道管片错台
监测系统及方法，利用盾构隧道管片错台引起变形梁体上分布式传感
光纤的应变变化，再利用分布式布里渊应变测量解调应变变化，反演
错台情况，实现对大规模盾构隧道管片错台的长期高精度、低成本在
线监测，并且温度可以自补偿。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技
术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还
可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保
护范围。