[发明专利]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

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；