[发明专利]一种分布式隧道加固钢环失效监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种分布式隧道加固钢环失效监测装置及方法，属于分布式光纤传感领域。该装置包括光源模块、传感模块和加固钢环失效诊断模块；其中，加固钢环失效探测模块基于传感光纤中反射光的相位随隧道管壁与钢环间空腔的谐振频率而变化的原理，将隧道管壁与钢环间空腔的谐振状态转化为反射光的相位变化信息来采集带有谐振信息的钢环失效状态信号。本发明通过对采集到的谐振信号进行处理，将实时测得的幅频信号与不失效时的标准信号进行比对，判定钢环是否失效。本发明通过分布式光纤振动传感实现对加固钢环失效状态的全天候、实时、在线监测，解决了现有技术中无法实时监测加固钢环状态的难题。

技术领域

本发明属于分布式光纤传感领域，更具体地，涉及一种隧道加固钢环失效监测装置及方法。

背景技术

隧道是铺设铁路或公路供机动车辆通行的建筑物，是世界交通和运输的重要连接枢纽。随着世界隧道基础设施建设的发展和老化，对隧道安全和可靠运行的监测需求也在不断增加。

目前隧道的修缮方式大多是对隧道开裂或渗水处安装加固钢环，如中国专利申请CN108386213A提出了使用变厚度钢环，根据隧道管片受力特征确定钢环的合适厚度以提高加固效果，中国专利CN203978444U提出在加固钢环和隧道衬砌的间隙和加固钢环的外侧面安装多个浆囊袋，改变隧道衬砌的受力状态，从而提高隧道衬砌的安全系数。这些方法大多是围绕提高加固效果方面展开研究，在一定程度上有利于保障隧道的正常使用。然而，一旦加固钢环失效，隧道开裂处会更加严重，地下水也会涌入隧道，此时如继续使用此隧道，将造成极大的安全隐患，然而现有的工程实践中人们鲜少关注加固钢环的失效程度。

目前基于分布式传感技术的安全监测方法主要运用于桥梁、管道中。运用声发射技术的分布式传感技术，使用声源进行主动式结构探伤，但该方法需人为添加合适的外部声源，且所添加的外部声源一般在传输过程中不断衰减，传输距离有限。因此，亟需一种灵敏度更高、实时性好且无需额外添加声源的全面监测隧道加固钢环失效状态的装置，以实时精确的获取加固钢环与隧道的耦合情况，为隧道安全提供保障。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种分布式隧道加固钢环失效监测装置及方法，旨在解决现有技术中无法实时监测加固钢环失效状态的问题。

本发明提供了一种分布式隧道加固钢环失效监测装置，包括光源模块、传感模块、加固钢环失效诊断模块；

所述光源模块用于产生C波段的窄线宽激光信号；

所述传感模块用于探测隧道管片与加固钢环间的谐振信号，将隧道管片与加固钢环的贴合状态转化为谐振信号的幅频信息；

所述加固钢环失效诊断模块用于提取稳定的有效信息，判断加固钢环是否失效，并根据失效程度发出预警信息。

进一步地，所述传感模块包括传感光纤、固定单元和消噪单元。

进一步地，所述光源模块发出的窄线宽激光信号经调制后注入传感光纤，隧道管片与加固钢环间的谐振引起传感光纤中后向散射光信号的相位改变，所述后向散射光信号与本振信号相干，对相干信号进行解调以获取光信号的相位信息，然后通过相位解调进一步得到所述谐振信号的幅频信息。

进一步地，所述固定单元包括环氧胶和环形钉，用于将所述传感光纤固定至隧道管片和加固钢环的内壁上。

进一步地，所述消噪单元包括：

物理消噪单元，包括可粘贴隔音棉，用于去除传感光纤附近的物理噪声；

算法消噪单元，利用小波变换把含噪信号分解到多尺度中，在每一尺度下把属于噪声的小波系数去除，保留并增强属于谐振频带信号的小波系数。

进一步地，所述传感光纤从加固钢环的一端，沿着垂直于隧道轴向的方向紧密贴合加固钢环开始布设，到达加固钢环另一端后，再沿相反方向往回布设，循环此过程，从而传感光纤沿加固钢环内壁迂回布设数圈。