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申请/专利权人：湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司

摘要：本发明公开了一种基于光纤传感的隧洞超前地质预报与安全监测方法及装置。方法包括：S1、在待测隧洞的已开挖段布置传感光纤；S2、解调得到传感光纤布置沿线隧洞岩土体的应变和应变率，由岩土体变形应变得到岩土体的变形应变分布，由场地振动应变率提取场地振动信息；S3、分析场地振动信息获取实测面波频散曲线，推演目标三维地质模型；S4、隧洞超前地质预报；S5、隧洞施工安全监测；S6、隧洞建后安全监测。本发明采用光纤传感技术，能对隧洞整个施工期和使用期的岩土体变形应变、场地振动应变率进行连续监测，在不同时期，所得数据能用于进行隧洞超前地质预报、隧洞施工安全监测和隧洞建后安全监测，满足多方面的隧洞工程安全监测需求。

主权项：1.基于光纤传感的隧洞超前地质预报与安全监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在待测隧洞的已开挖段衬砌前或衬砌过程中，于隧洞已开挖段的边墙、底板、顶板和掌子面布置传感光纤；S2、在隧洞施工过程中，对于相邻布设传感光纤的两个隧洞掌子面，将前一掌子面开始布设传感光纤到后一掌子面开始布设传感光纤的时间间隔确定为一个监测周期，在隧洞使用过程中，将一个自然月确定为一个监测周期，在各个监测周期内，等时间间隔划分为多个监测时段；在不同监测周期下的不同监测时段，光纤综合解调仪向传感光纤发射激光脉冲，并接收传感光纤背向传播的布里渊散射光，解调光信号获取布里渊散射光的频移，得到传感光纤布置沿线各点的应变信息，将应变信息区分为岩土体变形应变和场地振动应变，由岩土体变形应变得到传感光纤布置位置处的岩土体在各个监测周期下的各个监测时段的变形应变分布；在不同监测周期下的不同监测时段，光纤综合解调仪向传感光纤发射激光脉冲，并接收传感光纤背向传播的瑞利散射光，解调光信号获取瑞利散射光的相位变化，得到传感光纤布置沿线各点的应变率信息，将应变率信息区分为岩土体变形应变率和场地振动应变率，基于各个监测周期下的各个监测时段的场地振动应变率的频率和时间特征提取对应监测周期和监测时段的场地振动信息；S3、在各个监测周期下的各个监测时段，根据区域地质报告、区域地质图件及前期勘探数据获取隧洞沿线岩土体的主要分布情况，以构建初始三维地质模型，并根据岩土体的剪切模量G和密度ρ由公式计算岩土体的横波波速v，得到初始三维地质模型的横波波速结构，使用有限元法模拟面波在初始三维地质模型中的传播，通过数值模拟计算得到模拟面波频散曲线；在各个监测周期下的各个监测时段，对光纤综合解调仪实测的场地振动信息进行滤波处理，区分不同振动事件产生的振动信息，提取其中信噪比高的振动信息，利用频率-时间分析方法处理提取的振动信息得到实测面波频散曲线；对比模拟面波频散曲线和实测面波频散曲线的差异，使用迭代优化算法不断调整初始三维地质模型岩土体的地质特征，直至同一监测周期下的同一监测时段的模拟面波频散曲线和实测面波频散曲线间的误差符合场地监测精度要求，将调整后的初始三维地质模型确定为对应监测周期和监测时段的目标三维地质模型；S4、在掌子面开始布设传感光纤的当前监测周期内，基于该监测周期在该掌子面继续开挖前的监测时段获取的目标三维地质模型，得到隧洞掌子面前方岩土体的地质特征，出具超前地质预报报告，并根据该监测周期在该掌子面继续开挖后的监测时段获取的目标三维地质模型及时更新超前地质预报报告；基于当前监测周期获取的目标三维地质模型分析隧洞掌子面前方岩土体的稳定性情况，计算岩土体结构稳定特征值，当隧洞掌子面前方岩土体结构稳定特征值超过岩土体结构稳定特征值预警阈值时自动报警，对照工程问题实例提出处理建议；S5、在隧洞施工过程中，基于各个监测周期下的各个监测时段获取的场地振动信息提取隧洞施工噪音振动数据，得到每日的施工时间、频率和进程，将监测到的施工时间、频率和进程与施工计划和现行规范进行对比，评估施工的规范性；基于各个监测周期下的各个监测时段获取的目标三维地质模型分析隧洞洞壁周围及掌子面前方的岩土体的稳定性情况，计算岩土体结构稳定特征值和岩土体结构稳定特征值差值，当岩土体结构稳定特征值超过岩土体结构稳定特征值预警阈值，或当岩土体结构稳定特征值差值超过岩土体结构稳定特征值差值预警阈值时自动报警，并对照工程问题实例提出处理建议；基于各个监测周期下的各个监测时段获取的岩土体变形应变得到隧洞洞壁周围岩土体的变形情况，计算岩土体变形应变特征值和岩土体变形应变特征值差值，当岩土体变形应变特征值超过岩土体变形应变特征值预警阈值，或当岩土体变形应变特征值差值超过岩土体变形应变特征值差值预警阈值时自动报警，并对照工程问题实例提出处理建议；S6、在隧洞使用过程中，基于各个监测周期下的各个监测时段获取的目标三维地质模型分析隧洞洞壁周围岩土体的稳定性情况，计算岩土体结构稳定特征值和岩土体结构稳定特征值差值，当岩土体结构稳定特征值超过岩土体结构稳定特征值预警阈值，或当岩土体结构稳定特征值差值超过岩土体结构稳定特征值差值预警阈值时自动报警，并对照工程问题实例提出处理建议；基于各个监测周期下的各个监测时段获取的岩土体变形应变得到隧洞洞壁周围岩土体的变形情况，计算岩土体变形应变特征值和岩土体变形应变特征值差值，当岩土体变形应变特征值超过岩土体变形应变特征值预警阈值，或当岩土体变形应变特征值差值超过岩土体变形应变特征值差值预警阈值时自动报警，并对照工程问题实例提出处理建议。

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