一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法

摘要

本发明属于隧道联络通道冻结施工技术领域，提供一种基于光纤光栅的隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法，包括前端光纤光栅传感器、数据采集装置、数据分析装置、监测预警装置和显示装置，所述前端光纤光栅传感器的输出端与数据采集装置相连，数据采集装置与数据分析装置相连，数据分析装置的输出端与监测预警装置相连，监测预警装置与显示装置相连。本发明能够实时连续的对冻结过程中的冻土温度、应变及既有隧道变形进行监测并实时评估其安全状态。

说明书

技术领域

本发明属于隧道联络通道冻结施工技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法。

背景技术

联络通道是隧道运营的重要保证，现阶段联络通道冻结施工由于其在高水压、软弱地层的不利地质条件下对土体的良好改良性在地铁等城市市政建设中得到越来越广泛的应用。人工冻结施工技术具有技术可靠、工艺成熟、施工可控的特点：

1)封水性好。有自由水就能结冻成冻土，形成冻土壁。无论是透水层，还是隔水层。冻土壁可以阻隔地下水侵入，形成干燥的施工环境；

2)强度高。一般认为，冻土是一种粘弹塑性材料，其强度与土质、容重、含水率、含盐量、是否存在冰透镜体及温度等因素有关.冻土强度一般可达到2-lOMPa，远大于融土强度。从而起到结构支撑墙的作用；

3)适应性强。适应各种土层及多种地下工程。尤其是适用于含水量大、地层软弱，其它工法施工困难或无法施工的地下工程；

4)复原性。施工结束后土层恢复原状。对土层破坏性小，这是其它工法所无法比拟的；

5)无公害。用电能换取冷能，不污染大气环境。无有害物质排放，对地下水无污染。在环保要求高的工程中，优越性尤其明显；

6)可控性。冻结工期、冻结壁厚度、冻结壁形状等人为都可调控；

7)可在密集建筑区和现有工程建筑物下施工，不需进行基坑排水，可避免因抽水引起地基沉降造成对周围建筑物的不利影响；

8)无支衬、无拉锚，可进行敞开式施工并扩大建筑面积，缩短工期。

人工冻结技术虽业己成熟，但冻土人工技术的理论研究仍有许多重要的课题，如冻土温度场、冻胀力、融沉、强制解冻等。我们知道人工地层冻结开始后，冻结管中的低温冷媒剂(盐水)流动与周围地层不断发生热交换，以致在每个冻结管周同形成低温冻土圆柱，随着冻结管冷量的不断供给，冻土圆柱不断扩展，相邻冻土圆柱交接并形成具有一定厚度和强度的隔水承载冻土帷幕(墙)。冷冻效果的好坏直接关系到联络通道开挖的安全，冻胀融沉的大小直接关系到既有隧道结构及周边环境的安全，故冷冻体的成型效果监测及隧道既有结构的变形监测对实际施工具有至关重要的指导作用。

传统的隧道联络通道冻结施工安全状态评估主要通过冻土进行冻土温度和冻土压力两方面监测及人工巡查进行评估。冻土测温使用测温仪，其制冷系统和冷却水循环以及冻结帷幕帮壁温度使用测温仪并结合精密水银温度计测量。这种方法使得一条冷冻管内需要多根防水信号传输电缆，且每个电子式传感器都需要很好的防水防潮保护；冻土压力的监测主要靠埋设到土层中的土压力盒进行监测，这种方法中土压力盒仅埋设在贴近管片的土层中，监测出的土压力无法代表土层其它各处的压力。在监测所得的数据基础上进行简单的计算得出冻土帷幕的发展范围，加上现场巡查，根据施工经验对隧道联络通道冻结施工安全状态进行评估。

综上所述，鉴于传统的隧道联络通道冻结施工在安全预警方面存在的缺陷，对隧道联络通道冻结施工过程进行实时监测和安全预警具有重要的工程意义和推广应用价值。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法，该分析仪能够实时连续的对冻结过程中的冻土温度、应变及既有隧道变形进行监测并实时评估其安全状态。

本发明所述的一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪，包括前端光纤光栅传感器、数据采集装置、数据分析装置、监测预警装置和显示装置。

前端光纤光栅传感器，用于感知联络通道冻土施工中温度及应变的变化；前端光纤光栅传感器包括传感器、光纤线缆和法兰盘，使用时将光纤光栅传感器植入被冷冻土体或固定在隧道管片上，用法兰盘将传感器与光纤线缆连接，并串联至数据采集装置；

数据采集装置，用于实时连续采集前端光纤光栅传感器测出的波长数据；

数据分析装置，由数据存储、数据计算、数据分析和数值模拟耦合模块构成，能将采集的光纤光栅传感器的波长数据进行实时的分类存储、计算、分析；得出相应的温度、应变、位移及应力，并进行多场耦合；

监测预警装置，由监测点预警和安全评估模块构成，将数据分析装置计算出的结果进行冻结施工实时安全状态分析，对单测点及施工状态进行实时安全评估，并根据分析结果进行预警；

显示装置，将评估结果进行空间的可视化显示，由单测点的动态时程变化曲线、静态时程变化曲线，单测点的动态安全状态及结构的动态安全状态构成；

所述前端光纤光栅传感器的输出端与数据采集装置相连，数据采集装置与数据分析装置相连，数据分析装置的输出端与监测预警装置相连，监测预警装置与显示装置相连。

本发明还提供一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪的工作方法，该方法包括以下步骤：

（1）在土层中及隧道管片上预埋光纤光栅传感器，并将传感器与数据采集装置串联；

（2）在现场通过数据采集装置实时采集数据并进行存储；

（3）数据分析装置将采集的光波数据实时进行计算得出温度、应变、位移及应力变化，并进行实时多场数值模拟分析；

（4）监测预警装置对施工的安全状态进行实时评估并进行预警；

（5）在显示装置中对施工的安全状态进行显示，实现结构安全的空间可视化。

在上述技术方案中，所述的数据分析装置处理流程如下：

第一步，预处理，将初始存储的数据导出，并进行分类区分，得出各传感器测点的各监测时刻波长；

第二步，单测点数据解析，对所测波长进行计算，得出单测点对应的每个监测时刻的温度、应变、位移及应力；并能自动绘制出动态、静态的时程图；

第三步，多场数值模拟，根据单测点的监测结果进行空间等数值模拟，并进行多场耦合。

在上述技术方案中，所述监测预警装置及显示装置处理流程如下：

第一步，模型建立，根据施工图纸，建立被测物体空间三维模型；

第二步，单测点实时预警，根据数据分析装置计算出的单测点的实时变化量采用绿、黄、红三级实时预警；

第三步，结构安全状态实时预警，根据数据分析装置空间等数值模拟的耦合结果对结构采用绿、黄、橙、红四级实时预警；

第四步，安全状态空间可视化，根据各测点及结构的安全状态，在显示装置上进行区别显示。

本发明一种基于光纤光栅的隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪及其工作方法，采用光纤光栅对隧道联络通道冻结施工的安全状态进行实时评估预警，具有如下优点：

（1）检测方便：基于光纤光栅的隧道联络通道冻结施工安全实时预警，只需完成检测设备设置后，检测人员无需再次进入隧道内部，便可进行自动监测，进而简化监测过程。

（2）实时检测：通过于光纤光栅的隧道联络通道冻结施工安全实时预警，能够实现实时不间断获取监测数据并进行分析。

（3）精度较高：相比传统的人工现场监测法，采用光纤光栅的监测方法，实现隧道联络通道冻结施工的温度、应变监测精度的提升。

（4）智能判断：采用数据分析仪实时对监测数据进行解析，将监测数据与预警控制模型相叠加，并提供了可视化效果，监测人员无需采用传统的监测工具，便能快速判定施工安全状态，实现智能化施工安全状态评估。

附图说明

图1是本发明一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪的结构示意图及工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪，包括前端光纤光栅传感器、数据采集装置、数据分析装置、监测预警装置和显示装置。

前端光纤光栅传感器植入被测物体上并串联至数据采集装置；

数据采集装置实时采集光波信号，并传输至数据分析装置；

数据分析装置由数据存储、数据计算、数据分析和数值模拟耦合模块构成，分析装置将采集的光波信号进行实时的分类存储，根据光波波长的变化采用相应的算法对温度、应变、位移和应力进行计算，然后通过有限元对被测物进行多场数值模拟耦合；

监测预警装置由监测点预警和安全评估模块构成，该装置能通过上述计算分析结果，结合相应的预警机制对单测点的安全状态进行实时评估预警，并综合分析评估出施工状态下冷冻体、既有隧道及联络通道结构的实时安全状况；

显示装置可以显示单测点的动态时程变化曲线和静态时程变化曲线，同时能将评估结果根据不同的安全级别进行实时的空间可视化区别显示，包括单测点安全状态显示和施工安全状态显示。

所述前端光纤光栅传感器的输出端与数据采集装置相连，数据采集装置与数据分析装置相连，数据分析装置的输出端与监测预警装置相连，监测预警装置与显示装置相连。

上述实施例还提供一种隧道联络通道冻结施工安全预警分析仪的工作方法，该方法包括以下步骤：

（1）在土层中埋入或既有隧道管片上附着光纤光栅传感器，传感器用光纤线缆及法兰盘串联，接入数据采集装置；

（2）数据采集装置实时采集每个传感器传出的光波信号，即光波波长数据，并在数据分析装置中进行分类存储；

（3）制定单测点的预警机制，确定不同施工阶段的单测点的温度、应变、位移和应力的警戒值、临界值、相对临界值及绝对临界值，并导入光纤光栅分析仪；同时规定单测点的安全状态表现为一般风险、显著风险和高风险三级，分别用绿色、黄色、红色三种颜色标记；

（4）数据分析装置实时对存储的波长进行计算，计算公式如下：

    上式中：

ε_总为应变量，单位με；B为传感器温度修正系数，单位με/nm；λ₁为应变光栅当前的波长值（nm）；

ε为应变量，单位με；λ₀为应变光栅初始的波长值（nm）；λ_t1为温补光栅当前的波长值（nm）；

K为应变计应变系数（με/nm）；λ_t0为温补光栅初始的波长值（nm）；

α为被测物体热膨胀系数，单位取 (με/℃)。  

得出的温度及应变根据冻土及既有隧道管片的弹性模量进一步计算得出相应的位移及应力；

（5）计算出的温度、应变、位移和应力值与制定的单测点的预警值进行拟合，得出单测点的实时安全状态；

（6）数据分析装置采用有限元的方法实时对已计算出的各数据进行数值模拟，耦合出冻土、既有隧道及联络通道结构的温度、受力及变形状态；

（7）制定冻土、既有隧道及联络通道结构的预警等级，分为一般风险、显著风险、高风险和严重风险四级，并用绿色、黄色、橙色和红色四种颜色标记；

（8）根据数据分析装置耦合出的冻土、既有隧道及联络通道结构的温度、受力及变形状态，通过监测预警装置对其做出实时的安全状态评估；

（9）对冻土、既有隧道和联络通道结构进行三维空间建模，与传感器位置进行对应，并存储到监测预警装置中；

（10）对单测点及冻土、既有隧道和联络通道结构的实时安全状态在显示装置中显示。