本技術(shù)涉及隧道工程，特別涉及一種監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、目前工程中常用的隧道沉降和收斂測(cè)量方法有全站儀測(cè)量法、收斂計(jì)法、水準(zhǔn)儀測(cè)量法、微波雷達(dá)和超聲波檢測(cè)技術(shù)。其中，全站儀法利用全站儀進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，從而得到隧道沉降和收斂的數(shù)據(jù)，測(cè)量效率較好；收斂計(jì)法即使用收斂計(jì)測(cè)量隧道周邊圍巖收斂，操作簡(jiǎn)單；水準(zhǔn)儀測(cè)量法使用精密水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺進(jìn)行沉降觀測(cè)，測(cè)量精度較好；微波雷達(dá)能夠穿透隧道圍巖，檢測(cè)深部的變形情況；超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠檢測(cè)巖石內(nèi)部的裂隙等細(xì)微變化。

2、但是在隧道沉降收斂監(jiān)測(cè)中，不同的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。全站儀測(cè)量法雖然效率高，但容易受到隧道內(nèi)駛過(guò)物體的風(fēng)動(dòng)、震動(dòng)等外界因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差；收斂計(jì)法操作簡(jiǎn)單但可能對(duì)隧道造成破壞且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差；另外該方法只能測(cè)量隧道周邊的收斂情況，無(wú)法全面反映隧道整體的變形情況；水準(zhǔn)儀測(cè)量法精度高但操作復(fù)雜且監(jiān)測(cè)范圍有限。微波雷達(dá)成像分辨率相對(duì)較低，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的解釋能力有限，且受到地質(zhì)介質(zhì)影響。超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的深部應(yīng)用有限，需要清晰的聲波傳播路徑。因此，在選擇監(jiān)測(cè)方法時(shí)需要根據(jù)具體工程情況和需求進(jìn)行綜合考慮。

3、對(duì)此，本技術(shù)基于光頻域反射技術(shù)(opticalfrequency?domain?reflectometry，ofdr技術(shù))提供一種方案，從而為隧道掌子面等變形場(chǎng)的大范圍測(cè)量提供有效的手段，以解決相關(guān)技術(shù)中隧道監(jiān)控測(cè)量手段大都只能獲取隧道局部點(diǎn)的變形，難以監(jiān)測(cè)整個(gè)隧道的變形的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的在于至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本技術(shù)提出一種監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，通過(guò)獲取的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)從而重建保護(hù)材料的整體變形，為隧道掌子面等變形場(chǎng)的大范圍測(cè)量提供了有效的手段。

2、本技術(shù)還提出一種監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的裝置。

3、本技術(shù)還提出一種存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有至少一條指令，指令由處理器加載并執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法所執(zhí)行的操作。

4、根據(jù)本技術(shù)第一方面實(shí)施例的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，包括以下步驟：

5、光纖傳感鏈沿隧道環(huán)向安裝在隧道斷面的內(nèi)側(cè)，并與隧道內(nèi)表面緊密貼合；

6、可調(diào)諧激光器發(fā)出波長(zhǎng)連續(xù)的掃頻光后經(jīng)由耦合器a分為兩部分；

7、一部分光進(jìn)入與耦合器d連接的輔助干涉儀并拍頻干涉，產(chǎn)生外時(shí)鐘信號(hào)后并將該信號(hào)傳輸?shù)降谝还怆娞綔y(cè)器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；

8、另一部分進(jìn)入與耦合器b連接的主干涉儀中，經(jīng)耦合器b分光后，一部分光進(jìn)入?yún)⒖脊饴返钠窨刂破髦胁⒆鳛楸菊窆獯嬖?，另一部分光則經(jīng)三端口環(huán)形器進(jìn)入到光纖傳感鏈的測(cè)量光路中；

9、參考光路和測(cè)量光路中光信號(hào)進(jìn)行拍頻干涉，并分別由兩個(gè)光電探測(cè)器組成的平衡光電探測(cè)器進(jìn)行處理；

10、第一光電探測(cè)器和平衡光電探測(cè)器的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集卡所采集，此采集數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺(tái)中進(jìn)行解調(diào)算法處理并顯示。

11、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，至少具有如下有益效果：通過(guò)將光纖傳感鏈沿隧道環(huán)向安裝，從而可以獲得更加完整、全面的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用ofdr分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)隧道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣泛，而且具備卓越的抗干擾能力，光纖傳感鏈容易感測(cè)沿光纖長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變量，通過(guò)獲取的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)可以重建保護(hù)材料的整體變形，為隧道掌子面等變形場(chǎng)的大范圍測(cè)量提供了有效的手段。

12、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，在隧道內(nèi)表面的頂部、兩側(cè)的拱肩和兩側(cè)的拱腰區(qū)域安裝傾角傳感器，以捕捉隧道頂部斜45度位置處的傾角數(shù)據(jù)，并據(jù)此修正光纖傳感鏈產(chǎn)生的累積誤差。

13、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，設(shè)定傾角傳感器所測(cè)值為初始值，再用修正系數(shù)k完成修正，具體方法為：

14、首先，從上述傾角傳感器獲得實(shí)時(shí)傾角θ1，從傳感鏈獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)與θ1的乘積作為重建傾角θ2，基于粒子群算法確定目標(biāo)函數(shù)和全局最優(yōu)解來(lái)確定k值；

15、賦予若干粒子速度和位置屬性，每個(gè)粒子在設(shè)定的k值范圍內(nèi)確定最優(yōu)解，最后所有粒子最優(yōu)解共享確定全局最優(yōu)解k；

16、取拱肩處的兩個(gè)傳感器的傾角為θ11和θ12，重建后傾角為θ21和θ22，且此時(shí)傳感器所在位置為(xi,yi)，設(shè)(xi-1,yi-1)和(xi+1,yi+1)是相鄰兩點(diǎn)的坐標(biāo)，則θ21和θ22為：

17、

18、式中，m和n為傳傾角感器序號(hào)；

19、目標(biāo)函數(shù)為：

20、

21、在進(jìn)行累積誤差修正后，為衡量修正效果，傳感鏈重建變形與實(shí)際變形之間的誤差用x坐標(biāo)和y坐標(biāo)的平均絕對(duì)誤差來(lái)表示：

22、

23、式中，x1、x2為測(cè)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)，y1、y2為重建坐標(biāo)，n為被測(cè)點(diǎn)數(shù)量。

24、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，在隧道輪廓中安裝光纖傳感鏈的步驟包括：

25、工作開(kāi)始前需確定安裝位置，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求選擇合適的點(diǎn)位；

26、根據(jù)點(diǎn)位安裝固定支架或架設(shè)框架，以支撐光纖傳感鏈的安裝；

27、按照預(yù)定的輪廓或路徑敷設(shè)并布置光纖傳感鏈。

28、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，布置光纖傳感鏈的方法包括：使用固定夾具和/或粘合劑將光纖傳感鏈固定在固定支架或架設(shè)框架上。

29、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，光纖傳感鏈的制備流程包括：

30、沿柔性保護(hù)材料的中心軸線，將光纖與保護(hù)材料進(jìn)行貼合，并進(jìn)行初步的固定處理；

31、按照一比一的比例混合環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑，確保光纖與保護(hù)材料之間能夠緊密耦合，并在保護(hù)材料的兩端引出光纖。

32、根據(jù)本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法，保護(hù)材料為碳纖維保護(hù)材料。

33、根據(jù)本技術(shù)第二方面實(shí)施例的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的裝置，包括：

34、光纖傳感鏈，沿隧道環(huán)向安裝在隧道斷面的內(nèi)側(cè)，并與隧道內(nèi)表面緊密貼合；

35、可調(diào)諧激光器，用于發(fā)出波長(zhǎng)連續(xù)的掃頻光；

36、耦合器a，用于接收所述可調(diào)諧激光器的掃頻光并將其分為兩部分；

37、耦合器d，接收從所述耦合器a發(fā)出的一部分光，所述耦合器d經(jīng)拍頻干涉并產(chǎn)生外時(shí)鐘信號(hào)后并將該信號(hào)傳輸?shù)降谝还怆娞綔y(cè)器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；

38、耦合器b，接收從所述耦合器a發(fā)出的另一部分光并將其分為兩部分；

39、偏振控制器，接收所述耦合器b發(fā)出的一部分光，所述偏振控制器用于形成參考光路并作為本振光存在；

40、環(huán)形器，接收所述耦合器b發(fā)出的另一部分光，并經(jīng)所述環(huán)形器的三端口進(jìn)入到所述光纖傳感鏈的測(cè)量光路中；

41、平衡光電探測(cè)器，用于分別接收參考光路和測(cè)量光路中進(jìn)行拍頻干涉后的光信號(hào)；

42、數(shù)據(jù)采集卡，用于接收各所述光電探測(cè)器的信息并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理平臺(tái)中。

43、根據(jù)本技術(shù)的第二方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的裝置，還包括設(shè)置在隧道內(nèi)表面的頂部、兩側(cè)的拱肩和兩側(cè)的拱腰區(qū)域的傾角傳感器，所述傾角傳感器的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理平臺(tái)并用于對(duì)光纖傳感鏈環(huán)向變形場(chǎng)進(jìn)行原位修正。

44、根據(jù)本技術(shù)第三方面實(shí)施例的存儲(chǔ)介質(zhì)，包括：所述存儲(chǔ)介質(zhì)中存儲(chǔ)有至少一條指令，所述指令由處理器加載并執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)如本技術(shù)的第一方面實(shí)施例所述的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法所執(zhí)行的操作。

45、不難理解，本技術(shù)第二方面實(shí)施例中的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的裝置和本技術(shù)第三方面實(shí)施例中的存儲(chǔ)介質(zhì)，均具有如前所述第一方面實(shí)施例中的監(jiān)測(cè)隧道圍巖沉降和收斂的方法的技術(shù)效果，因而不再贅述。

46、本技術(shù)的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本技術(shù)的實(shí)踐了解到。