【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道监测，尤其是涉及一种隧道结构三向位移监测装置及方法。
技术介绍
1、在隧道建设中，由于围岩与支护的复杂相互关系，以及地质变化、施工不当等因素，会导致隧道结构产生位移、变形甚至失稳，需要对隧道位移进行位移监测。
2、隧道结构位移监测是通过一定的技术手段和仪器设备，对隧道结构在施工和运营过程中发生的位移、变形进行实时跟踪和记录的过程，其对于确保隧道施工和运营的安全至关重要。隧道结构位移监测可以实时发现结构异常，并及时采取措施，从而保障施工人员的安全。监测数据还可用于评估隧道的稳定性，优化施工方案，避免长期沉降和变形，确保隧道长期安全使用。同时，位移监测也有助于满足相关法规要求，提前发现潜在风险，提高隧道的维护和管理效率。
3、目前常用的隧道结构位移监测方法有：
4、人工全站仪监测：在隧道中设置一系列测点，利用人工操作全站仪测量测点坐标，比对其坐标变化来分析位移。这种方法工作量大，工作效率低，耗时耗力，检测精度也有限。
5、非接触式视觉监测：在隧道中上埋设棱镜标靶，利用激光仪或机器视觉仪等检测仪器观测标靶的位移变化。这类监测方法要求仪器与标靶之间可以通视，对有弯折角度或内部有遮挡物的隧道需要设置多台观测仪器，增加工作量与成本；仪器与标靶要求相对静止，其精度易受振动影响。
6、专利cn118687516a提出了急曲线隧道管片平面位移监测系统及其监测方法，利用平行于隧道轴向的位移传感器检测隧道中各管片环的相对姿态，但是该方法只能得到各隧道结构位置与姿态的平面图，
7、专利cn118328973a提出了一种隧道管片位移检测装置，提及一种接触式测量方法，即在隧道管片组成的圆弧面上设置多个共面检测点，通过平移位移传感器来检测这些测点是否还处于同一平面。这种方法只能检测隧道一个维度的位移，且需要在隧道中平移位移传感器，对隧道的平整度有一定要求。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的无法检测隧道在三维空间所产生位移的缺陷而提供一种隧道结构三向位移监测装置及方法。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、根据本专利技术的一个方面，提供了一种隧道结构三向位移监测装置，包括三脚架和光纤监测仪，三脚架数目为多个并间隔固定安装在隧道内壁，每个三脚架上均设有锚固装置，相邻两个三脚架之间通过锚固装置连接有光纤，光纤末端连接光纤监测仪，光纤监测仪为光纤应变监测装置。
4、进一步地，三脚架为l形，每个三脚架上的锚固装置数目为三个且分别位于l形的拐角处和两个末端，每个锚固装置与相邻三脚架上的三个锚固装置间均连接有光纤，光纤在锚固装置间为拉直状态，且每根光纤在不同的三脚架间仅连接三个锚固装置中的一个或两个。
5、更进一步地，三脚架的横截面为t形，t形的横位于l形的直角外侧，l形直角外侧设有多个装配孔，用于与隧道内壁固定连接，且连接方式为膨胀螺丝。
6、进一步地，锚固装置包括卡扣和松紧圈，卡扣为高韧性塑料制成的圆台式筒状结构，圆台式筒状结构的根部直径大于端部直径，且圆台式筒状结构的端部设有凹槽，光纤从圆台式筒状结构中间的贯穿孔中穿过，卡扣的外表面设有螺纹；
7、松紧圈为刚性材料制成的圆环状结构，圆环状结构内表面设有螺纹，螺纹与卡扣的外表面相配合。
8、进一步地，光纤监测仪为集成了光纤应变分析仪与手提式计算机的光纤应变监测装置。
9、根据本专利技术的另一个方面，提供了一种隧道结构三向位移监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
10、将三脚架间隔安装在隧道内壁，利用三维激光扫描仪扫描隧道测段，确定各三角架上各锚固装置之间的初始距离；
11、将光纤从锚固位置穿过三脚架，其中每个锚固位置穿过三条光纤，并连接相邻三角架的三个锚固装置；
12、对光纤进行张拉，为光纤施加预应力f；
13、将光纤的一端接入光纤监测仪，获得沿光纤各点的应变值；
14、对光纤的应变值进行处理，计算每个三脚架每个锚固位置处三条光纤发生应变后的长度；
15、根据每个三脚架每个锚固位置处三条光纤发生应变后的长度，计算每个三脚架每个锚固位置的坐标值；
16、对比每个三脚架的锚固位置随时间的坐标值变化，得到三脚架所在位置在空间中的平移、旋转情况，监测隧道结构的三向位移。
17、进一步地，预应力f的计算方法为：
18、
19、其中，l为相邻两三角架锚固装置之间的距离，x为该距离内的隧道结构位移极限值，e为光纤的弹性模量，s为光纤的横截面积。
20、更进一步地，l的取值为5-15m。
21、进一步地，三条光纤发生应变后的长度l′1、l′2、l′3分别为：
22、l′1＝l1+l1·δσ1
23、l′2＝l2+l2·δσ2
24、l′3＝l3+l3·δσ3
25、其中，l1、l2、l3分别为三条光纤的初始长度，δσ1、δσ2、δσ3分别为三条光纤发生应变的变化量。
26、进一步地，要计算的锚固位置所在的坐标值(x0，y0，z0)的计算方法为：
27、
28、其中，(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)分别构成要计算的锚固位置所在三脚架前一个三脚架上三个锚固位置所在的坐标值。
29、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
30、1、本专利技术通过固定在隧道内壁的三脚架和光纤监测仪实现隧道结构三向位移监测，三脚架上设有锚固装置，光纤从锚固装置中穿过，与光纤监测仪连接，光纤在多个三脚架间以一定规律连接，可实现对隧道结构三向位移监测，且分布式光纤传感技术，具有监测距离长、耐干扰的有益效果，同时，搭建的监测系统柔韧性好，能够适应弯曲隧道的工况。
31、2、本专利技术的锚固装置由卡扣和松紧圈组成，卡扣为高韧性塑料的圆台式筒状结构，外表面刻有螺纹，沿轴向有个刻槽；松紧圈为一内部有螺纹的刚性圆环，可在卡扣上旋进旋出，当光纤从卡扣中穿过时，松紧圈向下旋紧，挤压卡扣向内压缩，从而形成对光纤的挤压力，结构简单，锚固效果好。
32、3、本专利技术提出的监测方法，通过光纤监测仪获得以一定规律连接布置的光纤的应变变化量，利用光纤应变变化量计算光纤所穿过三脚架的位移，进而得到隧道的位移，所有的数据处理算法均集成在光纤监测仪中，将光纤的应变信息转化为三角架的坐标信息，可实现对隧道结构三向位移监测，且数据采集方便，安装完毕后，光纤监测仪持续自动采集数据，可实现全天候、全时段持续监测，省时省力。
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1.一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，包括三脚架(1)和光纤监测仪(2)，所述三脚架(1)数目为多个并间隔固定安装在隧道内壁，每个三脚架(1)上均设有锚固装置(12)，相邻两个三脚架(1)之间通过锚固装置(12)连接有光纤，所述光纤末端连接光纤监测仪(2)，所述光纤监测仪(2)为光纤应变监测装置。
2.根据权利要求1所述的一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，所述三脚架(1)为L形，每个三脚架(1)上的锚固装置(12)数目为三个且分别位于L形的拐角处和两个末端，每个锚固装置(12)与相邻三脚架(1)上的三个锚固装置(12)间均连接有光纤，所述光纤在锚固装置(12)间为拉直状态，且每根光纤在不同的三脚架(1)间仅连接三个锚固装置(12)中的一个或两个。
3.根据权利要求2所述的一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，所述三脚架(1)的横截面为T形，所述T形的横位于L形的直角外侧，所述L形直角外侧设有多个装配孔(11)，用于与隧道内壁固定连接，且连接方式为膨胀螺丝。
4.根据权利要求1所述的一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，所
5.根据权利要求1所述的一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，所述光纤监测仪(2)为集成了光纤应变分析仪与手提式计算机的光纤应变监测装置。
6.一种根据权利要求1-5所述的一种隧道结构三向位移监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述预应力F的计算方法为：
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述l的取值为5-15m。
9.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述三条光纤发生应变后的长度l′1、l′2、l′3分别为：
10.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于，所述要计算的锚固位置(12)所在的坐标值(x0，y0，z0)的计算方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，包括三脚架(1)和光纤监测仪(2)，所述三脚架(1)数目为多个并间隔固定安装在隧道内壁，每个三脚架(1)上均设有锚固装置(12)，相邻两个三脚架(1)之间通过锚固装置(12)连接有光纤，所述光纤末端连接光纤监测仪(2)，所述光纤监测仪(2)为光纤应变监测装置。
2.根据权利要求1所述的一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，所述三脚架(1)为l形，每个三脚架(1)上的锚固装置(12)数目为三个且分别位于l形的拐角处和两个末端，每个锚固装置(12)与相邻三脚架(1)上的三个锚固装置(12)间均连接有光纤，所述光纤在锚固装置(12)间为拉直状态，且每根光纤在不同的三脚架(1)间仅连接三个锚固装置(12)中的一个或两个。
3.根据权利要求2所述的一种隧道结构三向位移监测装置，其特征在于，所述三脚架(1)的横截面为t形，所述t形的横位于l形的直角外侧，所述l形直角外侧设有多个装配孔(11)，用于与隧道内壁固定连接，且连接方式为膨胀螺丝。
4.根据权利要求1所述的一种隧道结构三向位移监测装...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐亘跻，谢雄耀，刘旭，王强，刘怀阳，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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