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龙图腾网获悉湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司申请的专利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获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN118962783B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2026-04-21发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411016504.2，技术领域涉及：G01V1/28；该发明授权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是由孟凡威;刘喜凤;杜兴武;黄玉清;彭鹏程;李海鸥;王强翔设计研发完成，并于2024-07-28向国家知识产权局提交的专利申请。

本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在说明书摘要公布了：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。

本发明授权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在权利要求书中公布了：1.一种用于实现基于光纤传感的隧洞超前地质预报与安全监测方法的装置，其特征在于， 隧洞超前地质预报与安全监测方法，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； 所述步骤S1中布置传感光纤的原则为：隧洞边墙、底板和顶板的传感光纤连续布设，隧洞掌子面的传感光纤间断布设； 所述步骤S1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具体包括：于隧洞已开挖段的边墙、底板、顶板和掌子面开凿小型沟槽，将传感光纤埋置于沟槽内部，并用泥土或施工浆料进行回填固定；布设于隧洞边墙、底板、顶板的传感光纤，位于隧洞开挖进口的一端连接光纤综合解调仪，靠近隧洞开挖掌子面的一端留设自由段，随着隧洞不断开挖，自由段的光纤沿新开挖段在隧洞内连续布设；布设于隧洞掌子面的传感光纤，一端连接光纤综合解调仪，监测后随隧洞开挖直接拆除，随着隧洞开挖，在新的待测掌子面重新布设传感光纤； 所述步骤S2中所述岩土体变形应变为岩土体内部形变所产生的应变，所述场地振动应变为岩土体感受场地振动信号所产生的应变，所述岩土体变形应变率为岩土体内部形变所产生的应变率，所述场地振动应变率为岩土体感受场地振动信号所产生的应变率；激发场地振动信号的震源包括施工噪音、环境噪音和人为地震，人为地震包括重锤敲击和火药爆炸的多种类型； 所述步骤S3中所述岩土体地质特征包括岩性分布、孔隙度、裂隙与溶洞发育、地下水分布；在隧洞开挖后，将新开挖段实际的地质特征补充到当前监测周期下的最新监测时段的初始三维地质模型中，将得到的新三维地质模型设为邻近的下一个监测周期和监测时段的初始三维地质模型；在当前监测周期，对比隧洞新开挖段实际的地质特征和推演得到的目标三维地质模型所反映的地质特征，分析两者之间的差异，识别目标三维地质模型的误差，改进迭代优化算法参数，在下一个监测周期中，采用改进后的迭代优化算法调整初始三维地质模型； 所述步骤S5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、频率和进程具体包括：分析提取的隧洞施工噪音振动数据，根据噪音振动的时间特征，得到每日施工的起止时间和工作时段，根据噪音振动的频率分布，结合不同类型的施工设备产生的噪音频率特征，得到不同施工设备和工序的工作频率，根据噪音振动的强度、频率变化和振动位置，确定施工进程的进展情况； 所述步骤S4、S5和S6中，岩土体结构稳定特征值至少包括裂隙发展长度、溶洞发育尺寸、断层发育宽度、地下水位高程、软弱岩层发育范围和不稳定区域范围；所述步骤S5和步骤S6中，岩土体变形应变特征值至少包括日应变、月应变和累计应变，岩土体结构稳定特征值差值为当前监测周期下的最新监测时段的岩土体结构稳定特征值与其他前期监测周期下的监测时段的岩土体结构稳定特征值的最大差值，岩土体变形应变特征值差值为当前监测周期下的最新监测时段的岩土体变形应变特征值与其他前期监测周期下的监测时段的岩土体变形应变特征值的最大差值，对位于隧洞不同位置处的岩土体根据现行规范和施工要求分别预设不同的岩土体结构稳定特征值预警阈值、岩土体结构稳定特征值差值预警阈值、岩土体变形应变特征值预警阈值、岩土体变形应变特征值差值预警阈值； 在隧洞整个施工期和使用期内，定期分析历史数据和实时数据，对比各个监测周期下的各个监测时段的隧洞洞壁周围岩土体的结构稳定特征值和变形应变特征值，识别其中有明显异常值、异常趋势出现的时间段，分析异常值、异常趋势出现的施工因素和自然因素，生成监测报告，在隧洞后续施工和使用中进行改进和预防； 该装置包括传感光纤、光纤综合解调仪和中央处理台站，所述光纤综合解调仪用于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、瑞利散射光和拉曼散射光，解调光信号获取布里渊散射光的频移、瑞利散射光的相位变化和拉曼散射光的光强，得到传感光纤布置沿线各点的应变信息和应变率信息，所述中央处理台站包括： 数据接收与处理模块，用于划分监测周期和监测时段，获取光纤综合解调仪测得的岩土体应变信息和应变率信息，将应变信息区分为岩土体变形应变和场地振动应变，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，由场地振动应变率提取场地振动信息，得到实测面波频散曲线，推得各个监测周期下的各个监测时段的目标三维地质模型； 隧洞超前地质预报模块，用于根据当前监测周期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，生成超前地质预报报告； 隧洞施工安全监测模块，用于在隧洞施工过程中，根据场地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，以评估隧洞施工的规范性；并根据场地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；以及根据场地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； 隧洞建后安全监测模块，用于在隧洞使用过程中，根据场地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；并根据场地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； 隧洞安全预警模块，用于在隧洞施工和使用过程中，基于隧洞超前地质预报模块、隧洞施工安全监测模块和隧洞建后安全监测模块的监测结果，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、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、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，分析自动报警对应的监测周期和监测时段的隧洞岩土体工程地质问题，生成工程问题处理建议报告； 所述隧洞安全预警模块内置工程问题实例数据库，该工程问题实例数据库涵盖隧洞施工和使用过程中遇到的问题及对应的处理方法实例，针对所识别的自动报警的隧洞岩土体工程地质问题，通过类比场地的主要地质条件、隧洞的开挖深度和埋设条件、工程地质问题类型，从工程问题实例数据库中检索类似工程实例，根据类似度最高的工程实例中的处理办法和应对策略，生成工程问题处理建议报告；详细记录所监测隧洞的工程问题、处理方法及处理效果，将这些新记录输入工程问题实例数据库，以持续更新、扩展所述工程问题实例数据库的库容。

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