地铁隧道变形变位预警采集系统及分析方法

摘要

本发明涉及一种地铁隧道变形变位预警采集系统及分析方法，属于隧道安全预警技术领域。本发明包括综合安全预警服务器、分布式光纤解调模块、光纤及预警采集模块等。光纤沿地铁隧道方向铺设，连接检测地铁隧道变形变位的预警采集模块，预警采集模块包括光纤声波传感器、光纤光栅应变传感器和光纤光栅静力水准仪，综合安全预警服务器接收到光纤声波传感器、光栅应变传感器或者光栅静力水准仪的信息后，经过综合分析判断控制报警器动作。本发明通过对受施工影响范围内运营的地铁隧道进行振动、变形、变位自动预警，及时防止非地铁隧道施工造成的破坏，以便采取针对性的预防措施防止隧道局部和整体变形变位扩散。本发明可广泛运用于隧道安全预警场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地铁隧道变形变位预警采集系统及分析方法，属于隧道安全预警技术领域。

背景技术

在地铁已建和在建的城市中，在地铁沿线附近或上方进行非地铁项目施工的越来越多。项目存在钻孔、打桩、卸载加载、抽水、降水或振动等施工程序或因素，可能对隧道结构产生一定的影响，比如钻穿隧道、变形、倾斜、位移、隆起或沉降等。尚缺少一种采用地铁隧道环境综合采集与分析方法来解决管道安全预警问题是保障地铁安全运营的重要手段。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种地铁隧道变形变位预警采集系统及分析方法，确保地铁结构和运营安全。

本发明地铁隧道变形变位预警采集系统，包括设置在地面上的综合安全预警服务器，以及通过采集解调器连接综合安全预警服务器的光纤，光纤沿地铁隧道方向铺设，光纤连接至检测地铁隧道变形变位的预警采集模块，预警采集模块包括如下单元：

光纤声波传感器，采用分布式布线方式铺设于地铁隧道的顶部，分布式的光纤声波传感器将声波信号传递至综合安全预警服务器；

光栅应变传感器，光栅应变传感器包括本体以及连接本体的若干检测点，检测点通过托槽铺设于地铁隧道的侧壁上，检测点采集到的检测隧道裂缝或本体的应力变化信息经由光纤传递至综合安全预警服务器；

光栅静力水准仪，通过托架固定于地铁隧道的侧壁上，光栅静力水准仪将地铁隧道倾斜角的信息经由光纤传递至综合安全预警服务器；

综合安全预警服务器，包括报警器，综合安全预警服务器接收到光纤声波传感器、光栅应变传感器或者光栅静力水准仪的信息后，控制报警器动作。

优选地，所述光纤包括具有普适性的单模光纤，光纤外封装有连续金属细管。

优选地，所述光纤声波传感器为国标单模通信光缆，声波解调器向光纤声波传感器发射光，并接收从光纤声波传感器反射回的光。

优选地，所述光栅静力水准仪型号为JH-FGD-C，内部光纤应变元件采用金属化封装，尾纤采用耐腐蚀PU披覆铠装光缆。

本发明所述的地铁隧道变形变位预警采集系统的分析方法，包括如下步骤：

步骤1：综合安全预警服务器控制采集解调器发射光脉冲射入到光纤中；

步骤2：光纤声波传感器检测被预警地铁隧道的声波信号、光栅应变传感器检测被预警地铁隧道的应力变化信息、光栅静力水准仪检测被地铁隧道倾斜角的信息，三种信息以反向散射信号返回至综合安全预警服务器；

步骤3：综合安全预警服务器根据散射信号作如下判断：

若光纤声波传感器的振动强度超出上限值，则发出振动预警信号；

若至少一个光栅应变传感器的应力变化超出上限值，则发出变形预警信号；

若至少一个光栅静力水准仪的倾斜角变化超出上限值，则发出变位预警信号；

倘若以上至少两种预警采集模块预警超出上限值，则发出地铁隧道的综合预警信号；

步骤4：综合安全预警服务器构建预警平台，预警平台根据预警采集模块实时监测的地铁隧道的变形变位参数，生成坐标预警电子地图。

进一步地，所述步骤中，坐标预警电子地图包括如下模块：

地图数据库，储存电子地图坐标；

预警数据库，储存预警采集模块的数据和坐标系中多个坐标的变形变位参数；

预警判断模块，获取预警数据，分析变形变位参数得到预警信号；

坐标显示模块，在电子地图坐标显示预警数据。

本发明的有益效果是：本发明所述的地铁隧道变形变位预警采集系统及分析方法，通过对受施工影响范围内运营的地铁隧道进行振动、变形、变位自动预警，及时防止非地铁隧道施工造成的破坏，准确测量出隧道结构局部或整体变形的准确位置，大小量值，变形方向和变化速率，实时动态和准确的掌握非地铁施工过程中对地铁结构和地铁运营安全影响的程度，以便采取针对性的预防措施防止隧道局部和整体变形变位扩散。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是外力作用的采集过程示意图。

图中：1、地铁隧道；2、光纤；3、光纤声波传感器；4、光栅应变传感器；5、光栅静力水准仪；6、综合安全预警服务器；7、地面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至图2所示，本发明所述的地铁隧道变形变位预警采集系统，地铁隧道变形变位预警采集系统，包括设置在地面7上的综合安全预警服务器6，以及通过采集解调器连接综合安全预警服务器6的光纤2，光纤2沿地铁隧道1方向铺设，光纤2连接至检测地铁隧道1 变形变位的预警采集模块，预警采集模块包括如下单元：光纤声波传感器3采用分布式布线方式铺设于地铁隧道1的顶部，分布式的光纤声波传感器3将声波信号传递至综合安全预警服务器6；光栅应变传感器4包括本体以及连接本体的若干检测点，检测点通过托槽铺设于地铁隧道1的侧壁上，检测点采集到的检测隧道裂缝或本体的应力变化信息经由光纤2传递至综合安全预警服务器6；光栅静力水准仪5通过托架固定于地铁隧道1的侧壁上，光栅静力水准仪5将地铁隧道1倾斜角的信息经由光纤2传递至综合安全预警服务器6；综合安全预警服务器6包括报警器，综合安全预警服务器6接收到光纤声波传感器3、光栅应变传感器4或者光栅静力水准仪5的信息后，控制报警器动作。

本发明主要解决的是隧道安全预警问题，创新性地将光纤声波传感器3、光栅应变传感器4和光栅静力水准仪5作为预警判断的采集模块，统一用光纤2传递到综合安全预警服务器6进行数据综合处理。综合安全预警服务器6带有相应的声纹库和数学模型，可以快速识别光纤声波传感器3检测到的声波信号是钻孔、打桩、卸载加载、抽水、降水或振动等何种施工程序或因素造成的；同理，综合安全预警服务器6带有相应的应变与结构受力的对应关系数学模型，根据采集到的应力变化信号，可以快速识别是何种结构受力造成的；综合安全预警服务器6带有相应的倾斜角变化相对应的数学模型，可以快速识别是何种振动造成的。

需要说明的是：所述光纤2包括普适性的单模光纤，光纤2外封装有连续金属细管。

如图2所示，所述光纤声波传感器3为国标单模通信光缆，声波解调器向光纤声波传感器发射光，并接收从光纤声波传感器反射回的光。

所述光栅应变传感器4型号为SRS-S300，包括底座、光纤光栅和覆盖层，其中，底座为片状结构，在底座上的纵向开有一长槽；光纤光栅置于底座上的长槽中，光纤光栅的尾纤从光纤光栅的两端引出；覆盖层为一条状片形，覆盖层覆盖并固定在底座的中间。

所述光栅静力水准仪5型号为JH-FGD-C2，内部光纤应变元件采用金属化封装，尾纤采用耐腐蚀PU披覆铠装光缆。

实施例2：

本发明所述的地铁隧道变形变位预警采集系统的分析方法，包括如下步骤：

步骤1：综合安全预警服务器6控制采集解调器发射光脉冲射入到光纤2中；

步骤2：光纤声波传感器3检测被预警地铁隧道1的声波信号、光栅应变传感器4检测被预警地铁隧道1的应力变化信息、光栅静力水准仪5检测被地铁隧道1倾斜角的信息，三种信息以反向散射信号返回至综合安全预警服务器6；

步骤3：综合安全预警服务器6根据散射信号作如下判断：

若光纤声波传感器3的振动强度超出上限值，则发出振动预警信号；

若至少一个光栅应变传感器4的应力变化超出上限值，则发出变形预警信号；

若至少一个光栅静力水准仪5的倾斜角变化超出上限值，则发出变位预警信号；

倘若以上至少两种预警采集模块预警超出上限值，则发出地铁隧道1的综合预警信号；

步骤4：综合安全预警服务器6构建预警平台，预警平台根据预警采集模块实时监测的地铁隧道1的变形变位参数，生成坐标预警电子地图。

优选地，所述步骤4中，坐标预警电子地图包括如下模块：

地图数据库，储存电子地图坐标；

预警数据库，储存预警采集模块的数据和坐标系中多个坐标的变形变位参数；

预警判断模块，获取预警数据，分析变形变位参数得到预警信号；

坐标显示模块，在电子地图坐标显示预警数据。

当发生振动、变形、变位预警后，保障地铁安全运营的工作人员则根据电子地图上显示的预警信号，迅速动员排查隐患，及时防止非地铁隧道施工造成的破坏，准确测量出隧道结构局部或整体变形的准确位置，大小量值，变形方向和变化速率，实时动态和准确的掌握非地铁施工过程中对地铁结构和地铁运营安全影响的程度，以便采取针对性的预防措施防止隧道局部和整体变形变位扩散。

本发明可广泛运用于隧道安全预警场合。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。