一种分布式隧道加固钢环失效监测装置及方法

摘要

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。

权利要求

1.一种分布式隧道加固钢环失效监测装置，其特征在于，包括光源模块（201）、传感模块（202）、加固钢环失效诊断模块（203）；

所述光源模块（201）用于产生C波段的窄线宽激光信号；

所述传感模块（202）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（203）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；

所述传感模块（202）包括传感光纤（301）、固定单元（302）和消噪单元（303）；

所述光源模块（201）发出的窄线宽激光信号经调制后注入传感光纤（301），隧道管片与加固钢环间的谐振引起传感光纤（301）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；

所述传感光纤（301）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（301）沿加固钢环内壁迂回布设数圈。

2.如权利要求1所述的分布式隧道加固钢环失效监测装置，其特征在于，所述固定单元（302）包括环氧胶和环形钉，用于将所述传感光纤（301）固定至隧道管片和加固钢环的内壁上。

3.如权利要求1所述的分布式隧道加固钢环失效监测装置，其特征在于，所述消噪单元（303）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。

4.如权利要求3所述的分布式隧道加固钢环失效监测装置，其特征在于，所述传感光纤（301）沿加固钢环内壁布设时，传感光纤（301）每布设2m，就将其盘绕成环50cm用作预留光纤，而后继续布设。

5.如权利要求4所述的分布式隧道加固钢环失效监测装置，其特征在于，加固钢环失效诊断模块（203）包括：

采集模块，用于实时采集并提取有效区段的幅频信息，采用标定的方式确定有效信号对应于加固钢环上具体位置的坐标；

失效判定模块，把不失效状态下的幅频信息作为标准信号，将采集到的信号与标准信号对比，若与标准信号的频率或幅值不一致，则判断加固钢环失效。

6.如权利要求5所述的分布式隧道加固钢环失效监测装置，其特征在于，采集模块对布设在加固钢环内壁的光纤进行标定，通过事先标定所述预留光纤的位置，判定所述预留光纤所在区域的信号为无效信号并筛除，选取有效信号送入所述失效判定模块。

7.一种基于权利要求1‑6任一项所述的分布式隧道加固钢环失效监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将隧道中列车行进时的声音作为声源，引起隧道管片与加固钢环间空腔的谐振；

（2）所述谐振作用于加固钢环内壁的传感光纤上，获取所述传感光纤中因谐振而改变的光相位信号，将所述光相位信号转化为谐振信号的幅频信息；

（3）从所述幅频信息中提取有效信号，并作收敛性判断：每秒循环测量N次，求取第N次测量信号对于第N‑1次测量信号的相对误差，若相对误差小于5%，则判定为真实的有效信号，并将其与标准信号进行比对以判断加固钢环是否失效，根据失效程度发出预警信息；若误差大于等于5%，判定为干扰信号并舍弃。

说明书

一种分布式隧道加固钢环失效监测装置及方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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；

[0007] 所述光源模块用于产生C波段的窄线宽激光信号；

[0008] 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；

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 进一步地，所述消噪单元包括：

[0014] 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；

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 进一步地，所述传感光纤沿加固钢环内壁布设时，传感光纤每布设2m，就将其盘绕成环50cm用作预留光纤，而后继续布设。

[0018] 进一步地，加固钢环失效诊断模块包括：

[0019] 采集模块，用于实时采集并提取有效区段的幅频信息，采用标定的方式确定有效信号对应于加固钢环上具体位置的坐标；

[0020] 失效判定模块，把不失效状态下的幅频信息作为标准信号，将采集到的信号与标准信号对比，若与标准信号的频率或幅值不一致，则判断加固钢环失效。

[0021] 进一步地，采集模块对布设在加固钢环内壁的光纤进行标定，通过事先标定所述预留光纤的位置，判定所述预留光纤所在区域的信号为无效信号并筛除，选取有效信号送
入所述失效判定模块。

[0022] 本发明还提供了一种基于上述分布式隧道加固钢环失效监测装置的监测方法，包括以下步骤：

[0023] (1)将隧道中列车行进时的声音作为声源，引起隧道管片与加固钢环间空腔的谐振；

[0024] (2)所述谐振作用于加固钢环内壁的传感光纤上，获取所述传感光纤中因谐振而改变的光相位信号，将所述光相位信号转化为谐振信号的幅频信息；

[0025] (3)从所述幅频信息中提取有效信号，并作收敛性判断：每秒循环测量N次，求取第N次测量信号对于第N‑1次测量信号的相对误差，若相对误差小于5％，则判定为真实的有效
信号，并将其与标准信号进行比对以判断加固钢环是否失效，根据失效程度发出预警信息；
若误差大于等于5％，判定为干扰信号并舍弃。

[0026] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

[0027] (1)本发明采用分布式传感光纤，将光纤沿加固钢环布设，利用分布式光纤传感的无盲区特性，可实现对隧道中加固钢环实时而全面的监测。

[0028] (2)本发明一方面采用隔音棉覆盖分布式光纤进行封装处理，从物理上减小隧道中环境噪声对光纤的干扰作用；另一方面采用小波变换进行消噪处理，提高信噪比，降低环
境噪声的影响，进一步提高了监测的精度。

[0029] (3)本发明中传感光纤沿加固钢环内壁迂回布设数圈，采用这样的布设方式可灵敏地感知谐振腔的谐振频率，并实现失效位置的精准定位，便于对加固钢环及时进行修补。

附图说明

[0030] 图1是分布式隧道加固钢环失效监测结构整体示意图；

[0031] 图2是分布式隧道加固钢环失效监测装置的结构框图；

[0032] 图3是进行加固钢环失效监测的结构剖面图；

[0033] 图4是本发明提供的装置中传感模块的结构框图。

具体实施方式

[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0035] 图1所示为分布式隧道加固钢环失效监测结构的整体示意图。图中101为传感光纤，102为隧道管片，103为隧道管壁，104为加固钢环，105为被标定的传感光纤，106为轨道。
传感光纤101沿隧道管壁侧底部直线布设，在加固钢环104处迂回布设，隧道管片102内侧即
为隧道管壁103。隧道铺设的全分布式传感光纤中，仅有数段位于加固钢环104内侧的传感
光纤处包含有效信号。传感光纤101用于传输信号，被标定的传感光纤105用于采集并传感
隧道管片与加固钢环104间的状态信号。

[0036] 首先简要介绍本发明的基本检测原理。光源从激光器发出，经光调制将激光器产生的连续光调制为脉冲光，并将脉冲光注入后向散射链路，后向散射链路中连接的传感光
纤在加固钢环部分有标定，当声源到达，隧道管片与加固钢环间若有空腔，则会产生谐振，
这种谐振振动传递到置于加固钢环内壁的传感光纤上，会引起光纤中后向散射光信号的相
位改变，经解调得到该谐振信号的幅度和频率信息再进行后续的处理和分析，即通过分布
式光纤传感技术可实时在线监测并分析谐振信号的变化，实现了全覆盖式监测。本发明利
用分布式光纤传感的无盲区特性，可实现对隧道中加固钢环实时而全面的监测。

[0037] 本发明实施例提供了一种分布式隧道加固钢环失效监测装置，如图2，包括

[0038] 光源模块201，用于产生并发送C波段的窄线宽激光信号；

[0039] 传感模块202，用于探测并传输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变化来采集加固钢环失效信息；

[0040] 加固钢环失效诊断模块203，用于提取稳定的有效信息，判断加固钢环是否失效。

[0041] 本发明实施例中将列车的行进声音作为声源。如图3所示，当列车来临时，声音由列车传入空气，再由空气传入隧道管片102与加固钢环104之间的空隙中，并激发谐振腔108
发生谐振。此处的谐振腔108是由于钢环与管片贴合的黏性材料——环氧树脂层107的失
效，造成管片与钢环的局部分离，从而导致加固钢环无法对管片起到有效的支撑作用，这种
分离使得管片与钢环间形成一个谐振腔108，具有特定的谐振频率，不同程度的失效引起不
同尺度的谐振腔，产生不同的谐振频率和振动幅度。

[0042] 如图4，传感模块202包括传感光纤301、固定单元302和消噪单元303。传感光纤301用于在线监测隧道管片与加固钢环间谐振腔的谐振信号。光源模块发出的窄线宽激光信号
经调制后注入传感光纤301，谐振传递至加固钢环内壁的传感光纤301上，所述谐振引起传
感光纤301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。

[0043] 下面继续参阅图1和图3介绍传感光纤的具体布设方式。传感光纤从加固钢环底部垂直于隧道轴向的一端，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。优选地，传感光纤
沿加固钢环内壁布设时，传感光纤每布设2m，就将光纤盘绕成环50cm以用作预留光纤，而后
继续布设光纤，如此按照“布设‑盘绕‑布设‑盘绕”的方式，避免了光纤因机械断裂而无法复
接。对于无加固钢环的隧道区域，传感光纤沿着隧道管片侧壁直线布设即可。采用这样的布
设方式可灵敏地感知谐振腔的谐振频率，并实现失效位置的精准定位，便于对加固钢环及
时进行修补。

[0044] 固定单元302包括环氧胶和环形钉，用于将传感光纤301固定至隧道壁和加固钢环内壁上。使用环氧胶涂覆至隧道壁和加固钢环内壁的光纤待铺设区，然后将传感光纤与环
氧胶紧密贴合；此外，为避免光纤因贴合不紧密或年久脱落而悬空造成列车行驶障碍和监
测系统的损坏，待环氧胶固化，在布设好的传感光纤每隔20厘米使用环形钉二次固定，环形
钉包裹住环氧胶上的传感光纤。

[0045] 消噪单元303包括物理消噪单元和算法消噪单元，用于消除环境噪声，使采集到的光相位信号有更高的信噪比，提高后续的识别精度。物理消噪用于去除传感光纤附近的物
理噪声，使用可粘贴隔音棉贴附至所述传感光纤表面，隔音棉沿着传感光纤粘贴；算法消噪
包括采用小波变换进行消噪处理，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。

[0046] 加固钢环失效诊断模块203包括采集模块和失效判定模块：

[0047] 采集模块用于实时采集并存储有效区段的谐振信息，并采用标定的方式确定有效信号对应于钢环上具体位置的坐标。此处所述的有效区段是指布设于加固钢环内壁的传感
光纤区段，此区段的传感光纤用于对谐振腔的振动信号进行监测。具体地，采集模块用于获
取隧道管片与加固钢环间谐振腔的幅频信息，考虑到所采集到的信号是全区段信号，包括
预留的光纤环区段信号，而这部分信号不是所需的谐振信号，所以需要对全区段信号进行
筛选，去掉无效信号，因此采集模块须对采集到的信号进行筛选处理：对布设在加固钢环内
壁的光纤进行定标处理，由于光纤可以准确确定信号的位置，所以可以预先标定预留光纤
的位置，定义此区域信号为无效信号，选取有效信号送入失效判定模块。

[0048] 失效判定模块用于判定钢环失效程度。把不失效状态下的谐振特征信号作为标准信号，将采集到的加固钢环信号与标准信号对比，若与标准信号的频率或幅值不一致，则判
断加固钢环失效，并根据失效程度发出预警信息，起到实时监测的作用。

[0049] 本发明还提供了一种分布式隧道加固钢环失效监测方法，包括以下步骤：

[0050] (1)利用隧道里地铁行进时的声音作为声源，引起隧道管片与加固钢环间空腔的谐振；

[0051] (2)所述谐振作用于加固内壁的传感光纤上，获取所述传感光纤中因谐振而改变的光相位信号，将所述光相位信号转化为幅频信号；

[0052] (3)从所述幅频信号中提取稳定的有效信号，比对采集到的有效信号与标准信号，判断加固钢环是否失效，并根据失效程度发出预警信息。其中，稳定的含义是指同一位置至
少连续三次信号都保持同样的变化，即判定为稳定的失效信号。

[0053] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。