基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法及系统

1.一种基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：针对山体隧道围岩监测区域采集传感光缆沿程的布里渊频移原始数据以及各传感节点的中心波长原始数据，同时获取隧道施工进度数据与围岩地质勘察数据；对布里渊频移原始数据、中心波长原始数据进行异常值剔除与噪声滤波处理，隧道施工进度数据与围岩地质勘察数据进行格式标准化与时序对齐处理，生成预处理后的光纤传感基础数据、施工时序数据及地质属性数据；步骤S2：基于光纤传感基础数据提取围岩变形特征参数，包括传感光缆各监测点的轴向应变值以及围岩沿程应变分布参数；解析得到各传感节点的中心波长偏移量并分离出纯应变分量，生成围岩关键点位的点应变参数，同时基于围岩变形特征参数结合施工时序数据与地质属性数据构建围岩变形多维特征向量；其中，步骤S2包括以下步骤：步骤S21：通过从预处理后的光纤传感基础数据中调取BOTDA解调系统输出的布里渊频移序列数据，并结合BOTDA解调系统标定的布里渊频移-应变灵敏度系数与温度补偿系数，计算得到传感光缆各监测点的轴向应变值；步骤S22：基于轴向应变值对应的空间分布特征提取出应变梯度变化率，其中具体为应变梯度变化率=相邻监测点应变差值/光缆布设间距，并通过应变梯度变化率识别出光缆沿程各监测点对应的应变突变段与平缓段；步骤S23：基于光缆沿程各监测点对应的应变突变段与平缓段，结合隧道施工BIM模型获取传感光缆对应的光缆三维布设轨迹，并基于光缆三维布设轨迹对传感光缆各监测点的轴向应变值进行线应变分布统计，以生成围岩沿程应变分布参数；步骤S24：通过FBG解调系统解析光纤传感基础数据得到各传感节点的中心波长偏移量，并依据FBG应变-温度交叉敏感补偿模型分离出纯应变分量，生成围岩关键点位的点应变参数；将围岩沿程应变分布参数与围岩关键点位的点应变参数组合生成围岩变形特征参数；步骤S25：基于围岩变形特征参数结合施工时序数据与地质属性数据构建包含线应变分布、点应变参数、施工关联规律及地质耦合关系对应的围岩变形多维特征向量；步骤S3：基于围岩变形多维特征向量对隧道不同监测断面的围岩进行变形模式密度聚类，以划分出均匀变形型、局部突变型及渐进累积型对应的变形模式类别；针对不同变形模式类别，引入施工时序数据中的工序进度权重与地质属性数据中的岩性影响系数进行围岩变形量动态预测，生成各监测断面对应的围岩变形动态预测值；步骤S4：将围岩变形动态预测值与隧道现场布设的全站仪监测数据、多点位移计监测数据进行对比，计算预测值与实测值的绝对误差、相对误差及均方根误差，形成围岩变形预测误差矩阵；基于围岩变形预测误差矩阵进行迭代修正，并按照隧道里程段与变形模式类别进行区域化聚合，生成山体隧道围岩变形时空分布可视化结果。 2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：步骤S11：通过在山体隧道围岩监测区域，基于地质勘察的围岩节理走向与应力集中区分布构建多维度传感网络，并通过BOTDA解调系统采集光缆沿程的布里渊频移原始数据，同步记录频移信号的幅值衰减率与光谱带宽，基于幅值衰减率与光谱带宽计算得到信号质量指数；通过FBG解调系统采集各传感节点的中心波长原始数据，同步获取反射光强与偏振态，并基于反射光强与偏振态计算得到节点传感可靠性系数；步骤S12：通过隧道BIM系统提取施工工序转换时间节点、掌子面推进特征参数及支护结构布设参数，组成隧道施工进度数据；通过地质雷达探测与钻孔取样分析，获取围岩完整性指数、岩体结构面抗剪强度及地下水渗透系数，组成围岩地质勘察数据；步骤S13：对布里渊频移原始数据进行处理，以基于信号质量指数，筛选并剔除信号质量指数低于阈值的异常数据段，并对有效数据段进行噪声抑制，得到去噪后的布里渊频移数据；基于去噪后的布里渊频移数据计算沿程应变初始分布参数；步骤S14：对中心波长原始数据进行处理，以基于节点传感可靠性系数，剔除节点传感可靠性系数低于阈值的失效节点数据，并对有效节点数据进行噪声分离，得到去噪后的中心波长数据；基于去噪后的中心波长数据计算节点应变初始值；步骤S15：对隧道施工进度数据进行标准化处理，以将施工工序转换时间节点转换为相对于隧道开工的累计时长，并将掌子面推进特征参数转换为与里程桩号关联的推进速率曲线，生成标准化施工时序数据；对围岩地质勘察数据进行标准化处理，以转换为无量纲的地质特征向量；基于隧道施工里程桩号建立时空基准轴，将去噪后的光纤传感数据，其中包含沿程应变初始分布参数及节点应变初始值、标准化施工时序数据及地质特征向量进行时空对齐，生成预处理后的光纤传感基础数据、施工时序数据及地质属性数据。 3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S23中所述的基于光缆三维布设轨迹对传感光缆各监测点的轴向应变值进行线应变分布统计包括以下步骤：步骤S2301：基于光缆三维布设轨迹并结合隧道施工BIM模型获取传感光缆在各隧道断面对应的环向曲率半径以及径向埋深参数；步骤S2302：基于环向曲率半径以及径向埋深参数计算得出光缆弯曲修正系数以及围岩约束系数，其中光缆弯曲修正系数=1-环向基准值/环向曲率半径，围岩约束系数=径向埋深参数×岩体弹性模量；步骤S2303：将传感光缆各监测点的轴向应变值与光缆弯曲修正系数以及围岩约束系数进行耦合计算，得到修正后的轴向应变值；基于修正后的轴向应变值，提取各监测点对应的应变累积量与应变变化速率参数；步骤S2304：通过光缆布设的空间角度参数计算径向转换权重，并通过岩体泊松比参数计算环向转换权重，同时基于径向转换权重与环向转换权重将各监测点对应的应变累积量与应变变化速率参数转换为对应的径向线应变与环向线应变；步骤S2305：对径向线应变与环向线应变进行空间插值处理，生成隧道沿程应变分布云图；从隧道沿程应变分布云图中提取应变极值点的空间坐标、应变等值线的密集程度及应变方向的主矢量参数，整合形成包含应变幅值、分布形态与空间梯度的围岩沿程应变分布参数。 4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S2301包括以下步骤：从隧道施工BIM模型中调取光缆三维布设轨迹对应的三维坐标数据集，其中包括光缆在隧道轴线方向的里程桩号、断面环向角度及径向深度初始值；基于三维坐标数据集提取光缆在各隧道断面的空间离散点坐标，并计算相邻离散点之间的弧长距离与角度偏差，生成光缆布设轨迹对应的空间拓扑关系参数；基于空间拓扑关系参数构建光缆连续曲线模型，以通过最小二乘法对空间离散点坐标进行曲线拟合，得到光缆在各隧道断面的环向布设曲线方程；根据环向布设曲线方程计算各点的曲率值，其中具体为曲率值=曲线二阶导数/(1+一阶导数平方) 3/2 ，基于曲率值反算得到光缆在对应位置的环向曲率半径初始值；从隧道施工BIM模型中调取隧道断面设计轮廓数据，包括开挖轮廓线、初期轮廓线及支护结构厚度参数；计算光缆三维布设轨迹与开挖轮廓线及初期轮廓线之间的法向距离，并结合法向距离与支护结构厚度参数的差值，得到光缆径向围岩内部的径向埋深初始值；引入光缆敷设过程中的施工偏差参数，该参数基于现场光缆敷设记录与隧道施工BIM模型的比对分析获取，包括环向角度偏差与径向深度偏差；将环向角度偏差代入环向曲率半径初始值进行修正，得到修正后的环向曲率半径，具体为修正环向曲率半径=环向曲率半径初始值×(1+环向角度偏差系数)；结合围岩开挖后的收敛变形量，对径向埋深初始值进行动态调整，以通过收敛变形量与径向埋深的耦合关系，计算得到修正后的径向埋深参数；整合生成传感光缆在各隧道断面对应的环向曲率半径以及径向埋深参数。 5.根据权利要求3所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S2304包括以下步骤：从光缆三维布设轨迹中提取各监测点的空间方位角参数θ，并结合隧道施工BIM模型中的岩体力学参数库，调取对应监测点的围岩泊松比μ与弹性模量E；基于空间方位角参数θ计算径向基础权重cosθ，基于围岩泊松比μ计算环向基础权重μ·sinθ；获取光缆敷设时的实测张力与设计张力，并计算得到张力影响系数=实测张力/设计张力；将径向基础权重与环向基础权重分别乘以张力影响系数，得到修正后的径向转换权重与环向转换权重；从应变累积量中提取各监测点的轴向应变总增量，并结合修正后的径向转换权重计算径向应变累积分量，同时结合环向转换权重计算环向应变累积分量；基于应变变化速率参数并引入时间维度的岩体蠕变修正因子进行动态修正，以生成修正后的速率参数；将修正后的速率参数分别与径向、环向转换权重耦合，得到径向应变变化速率与环向应变变化速率；将径向应变累积分量与径向应变变化速率进行时间积分验证，同时将环向应变累积分量与环向应变变化速率进行时间积分验证，以基于积分结果偏差率对径向、环向转换权重进行二次优化，其中积分结果偏差率=|积分值-累积分量|/累积分量，优化权重=原始权重×(1-积分结果偏差率)，从而输出经优化后的径向线应变与环向线应变。 6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S24中所述的通过FBG解调系统解析光纤传感基础数据得到各传感节点的中心波长偏移量，并依据FBG应变-温度交叉敏感补偿模型分离出纯应变分量包括以下步骤：步骤S2401：从光纤传感基础数据中提取FBG传感节点的原始光谱信号，并通过识别中心波长初始值，同时结合温度参考点的基准波长计算得到中心波长偏移量；基于中心波长偏移量的时间序列特征提取波长漂移速率=相邻时刻偏移量差值/时间间隔，通过波长漂移速率筛选出信号稳定的有效传感节点；步骤S2402：构建FBG应变-温度交叉敏感补偿模型，模型输入参数包括节点布设位置的岩体导热系数与光缆封装材料的热膨胀系数，并计算温度灵敏度修正系数，同时基于温度灵敏度修正系数对模型中的温度影响项进行动态校准，以生成校准后的交叉敏感模型；步骤S2403：将中心波长偏移量代入校准后的交叉敏感模型，分解得到包含应变与温度耦合影响的混合分量；引入同步采集的环境温度监测数据，计算温度影响占比，基于占比阈值分离出初步纯应变分量；步骤S2404：对初步纯应变分量进行时效修正，以通过分析施工时序数据中的支护施作时间节点，确定应变监测的时效基准点；计算应变时效衰减系数，基于该应变时效衰减系数对初步纯应变分量进行时间维度修正，得到修正后纯应变分量；步骤S2405：构建点应变参数有效性验证机制，将修正后纯应变分量与同区域BOTDA监测的线应变分布参数进行空间关联性分析，计算应变吻合度=1-两者绝对差值/线应变参数幅值，并基于应变吻合度对修正后纯应变分量进行加权优化，生成包含应变幅值、变化趋势及空间关联性对应的点应变参数。 7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：步骤S31：将围岩变形多维特征向量按隧道不同监测断面进行划分，每个监测断面对应一个特征向量样本，提取特征向量中的线应变分布参数与点应变参数作为核心特征维度，施工关联规律与地质耦合关系作为辅助特征维度；步骤S32：采用密度峰值聚类算法，计算各断面特征向量样本之间的欧氏距离，确定特征空间中的密度核心点；根据密度核心点对应的密度值与距离值，划分出均匀变形型、局部突变型及渐进累积型对应的变形模式类别；步骤S33：针对不同变形模式类别，从施工时序数据中提取开挖进尺、支护强度工序进度指标，赋予其对应的工序进度权重；从地质属性数据中提取围岩完整性系数、单轴抗压强度指标，计算得到岩性影响系数；步骤S34：将工序进度权重与岩性影响系数代入围岩变形多维特征向量，对核心特征维度与辅助特征维度进行加权优化；构建基于改进决策树的变形预测模型，以优化后的特征向量为输入，以历史监测的围岩实际变形量为输出，通过剪枝算法优化决策树节点，训练模型并输入实时特征向量，生成各监测断面对应的围岩变形动态预测值。 8.根据权利要求7所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：步骤S41：获取隧道现场全站仪监测的围岩断面位移数据与多点位移计监测的围岩深层位移数据，将两者融合得到各监测断面的围岩实际变形量；将围岩变形动态预测值与围岩实际变形量按断面一一对应，计算每个监测断面的绝对误差、相对误差及均方根误差，形成围岩变形预测误差矩阵；步骤S42：设定误差阈值，若某监测断面的围岩变形预测误差矩阵均大于误差阈值，则判定该断面预测结果超出允许误差范围；基于围岩变形预测误差矩阵，采用梯度下降算法对变形预测模型中的工序进度权重与岩性影响系数进行迭代修正，以计算各误差对工序进度权重与岩性影响系数的偏导数，沿误差减小方向调整参数值，直至所有断面的围岩变形预测误差矩阵均小于等于误差阈值，得到修正后的围岩变形精准预测值；步骤S43：按照隧道里程段与围岩变形模式类别，对修正后的围岩变形精准预测值进行区域化聚合，计算每个里程段内各类变形模式的平均变形量与变形占比；步骤S44：采用三维地理信息系统技术，将隧道轴线、监测断面位置与聚合后的变形数据进行空间关联，生成围岩变形时空分布三维模型；对变形量超过预警值的区域进行红色标注，生成山体隧道围岩变形预测可视化结果。 9.一种基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测系统，其特征在于，用于执行如权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测方法，该基于分布式光纤传感的山体隧道围岩变形监测系统包括：围岩区域数据采集模块，用于针对山体隧道围岩监测区域采集传感光缆沿程的布里渊频移原始数据以及各传感节点的中心波长原始数据，同时获取隧道施工进度数据与围岩地质勘察数据；对布里渊频移原始数据、中心波长原始数据进行异常值剔除与噪声滤波处理，隧道施工进度数据与围岩地质勘察数据进行格式标准化与时序对齐处理，生成预处理后的光纤传感基础数据、施工时序数据及地质属性数据；围岩变形特征分析模块，用于基于光纤传感基础数据提取围岩变形特征参数，包括传感光缆各监测点的轴向应变值以及围岩沿程应变分布参数；解析得到各传感节点的中心波长偏移量并分离出纯应变分量，生成围岩关键点位的点应变参数，同时基于围岩变形特征参数结合施工时序数据与地质属性数据构建围岩变形多维特征向量；围岩变形量预测模块，用于基于围岩变形多维特征向量对隧道不同监测断面的围岩进行变形模式密度聚类，以划分出均匀变形型、局部突变型及渐进累积型对应的变形模式类别；针对不同变形模式类别，引入施工时序数据中的工序进度权重与地质属性数据中的岩性影响系数进行围岩变形量动态预测，生成各监测断面对应的围岩变形动态预测值；围岩变形可视化模块，用于将围岩变形动态预测值与隧道现场布设的全站仪监测数据、多点位移计监测数据进行对比，计算预测值与实测值的绝对误差、相对误差及均方根误差，形成围岩变形预测误差矩阵；基于围岩变形预测误差矩阵进行迭代修正，并按照隧道里程段与变形模式类别进行区域化聚合，从而生成山体隧道围岩变形时空分布可视化结果。