CN105155597B - 一种地下结构的监测与调节系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种地下结构的监测与调节系统及其施工方法，所述监测与调节系统包括依次连接的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与管理系统、评估与控制系统以及调节系统：所述传感器系统包括分布在地下结构与其周围土体中的多组传感器；所述数据采集与传输系统设有信号调理模块、数据采集模块和数据通信模块，接收各传感器发送信号，并将采集数据传输给数据处理与管理系统；所述数据处理与管理系统设有数据处理模块、数据显示模块与数据通信模块，将处理后的数据传输至评估与控制系统；所述调节系统包括多个设置在地下结构与桩基之间的位移调节器，所述位移调节器与所述评估与控制系统连接，接收并执行评估与控制系统根据评估结果发布的调节指令。

Description

一种地下结构的监测与调节系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及土工工程技术领域，具体为一种地下结构的监测与调节系统及其施工方法。

背景技术

地下结构受周围土体的影响较大，而外界条件的变化会导致土体发生反应，比如列车振动、地震、地下水渗流等，从而导致地下结构发生相应的变化。随着城市地下空间结构的日益增多，其工程安全也逐步受到重视，通过合理的监测手段可以有效预测工程的安全状况，以减少甚至避免事故的发生。

发明内容

本发明的技术目的是提出一种地下结构的监测与调节系统及其施工方法，可同时对地下结构和其周围土体进行监测，了解土-地下结构体系的实时动态，同时针对该动态对地下结构进行调节。

为实现上述技术目的，本发明公开的技术方案为：

一种地下结构的监测与调节系统，其特征在于，包括依次连接的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与管理系统、评估与控制系统以及调节系统：

所述传感器系统包括分布在地下结构与其周围土体中的多组传感器；

所述数据采集与传输系统设有信号调理模块、数据采集模块和数据通信模块，接收各传感器发送信号，并将采集数据传输给数据处理与管理系统；

所述数据处理与管理系统设有数据处理模块、数据显示模块与数据通信模块，与所述数据采集与传输系统通信连接，并将处理后的数据传输至评估与控制系统；

所述调节系统包括多个设置在地下结构与桩基之间的位移调节器，所述位移调节器与所述评估与控制系统连接，接收并执行评估与控制系统根据评估结果发布的调节指令。

进一步的，所述传感器系统包括：

分布安装在地下结构上，分别采集地下结构应变、应力、加速度或位移信息的多组传感器；

分布在地下结构周围土体中，分别采集土体加速度、孔隙水压力信息的多组传感器。

优选的布置方案为：

将采集地下结构应力信息的传感器分布安装在地下结构顶板、侧板与土体接触的外侧面，优选采用光纤应力传感器；

将采集地下结构加速度信息的传感器分布安装在地下结构顶板、底板及侧板的内侧面，优选采用光纤加速度传感器；

将采集地下结构位移信息的传感器分布安装在地下结构底板与土体接触的外侧面，优选采用光纤位移传感器；

将采集地下结构应变信息的传感器分布安装在地下结构顶板、底板、侧板的内、外侧面以及地下结构内部的支撑构件上，优选采用光纤光栅应变传感器。

安装在土体中的传感器设置在地下结构的上方和侧方，优选采用孔隙水压力传感器和光纤加速度传感器。

采集土体孔隙水压力信息的传感器组、采集土体加速度信息的传感器组均由多个传感器列构成，所述多个传感器列以以地下结构为中心向外发散的形式排布在地下结构周围。

用于上述一种地下结构的监测与调节系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)开挖基坑；

b)在基坑底部打入桩基；

c)在桩基顶部安装位移调节器；

d)施工地下结构底板部分；

e)在地下结构底板与土体接触的外侧面安装应变传感器、位移传感器；

在底板内侧面安装应变传感器、加速度传感器；

f)在基坑侧部的土体中钻孔，在孔径中放入孔隙水压力、加速度传感器；

g)施工地下结构的侧板部分；

h)在侧板与土体接触的外侧面安装应变传感器、应力传感器；

在侧板内侧面安装加速度传感器；

i)施工地下结构中柱等支撑构件；

j)在中柱等支撑构件上安装应变传感器；

k)施工地下结构顶板；

l)在顶板与土体接触的外侧面安装应变传感器、应力传感器；

在顶板内侧面安装加速度传感器；

m)覆盖填土，填土过程中在土体中安装孔隙水压力、加速度传感器，使之和步骤f)中的传感器按照预设方式排布；

上述步骤中，所述预设方式为若干同种传感器一字排开成列后，多个同种传感器列以地下结构为中心向外发散地排布在地下结构的上方和侧方。

本发明监测与调节系统可对地下结构和土体实施共同监测，通过对土体的监测可掌握地质变化情况，从而预测其对地下结构影响，以便提前采取相应的措施；对于地下结构本身的监测，可及时了解地下结构的特征变化，及分析各种因素对地下结构耐久性的影响程度。对各传感器采集信息进行评估后，再根据评估结果通过地下结构底部的位移调节系统进行调节，缓解地下结构产生的上浮、下沉、扭转等不利影响。

附图说明

图1为本发明的结构及工作原理示意图；

图2为本发明监测与调节系统的施工流程图；

图3为光纤光栅应变传感器在地下结构上的分布安装示意图；

图4为光纤加速度传感器在地下结构上的分布安装示意图；

图5为光纤应力传感器在地下结构上的分布安装示意图；

图6为光纤位移传感器在地下结构上的分布安装示意图；

图7为位移调节器安装结构示意图；

图8为孔隙水压力传感器在土体中的分布示意图；

图9为光纤加速度传感器在土体中的分布示意图；

图10为一实施例中底板位移监测数据图；

图11为一实施例中各光纤应力传感器检测数据图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所示，一种地下结构的监测与调节系统，包括依次连接的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与管理系统、评估与控制系统以及油压式调节系统等组成部分。

所述地下结构1由顶板、底板、侧板构成外围框架，内部还设有中柱等支撑构件。

所述传感器系统包括分布在地下结构1与其周围土体中的多组传感器，包括采集地下结构应变、应力、加速度、位移信息以及采集土体加速度、孔隙水压力信息的多组传感器。

如图3至6所示的一实施例中：

采集地下结构应变信息的光纤光栅应变传感器9分布安装在地下结构顶板、底板、侧板的内、外侧面以及地下结构内部的支撑构件上；

采集地下结构加速度信息的光纤加速度传感器8分布安装在地下结构顶板、底板及侧板的内侧面；

采集地下结构应力信息的光纤应力传感器7分布安装在地下结构顶板、侧板与土体接触的外侧面；

采集地下结构位移信息的光纤位移传感器6分布安装在地下结构底板与土体接触的外侧面。

安装在土体中的传感器则布置在地下结构的上方和侧方，如图8、图9所示，若干孔隙水压力传感器5、光纤加速度传感器4等距间隔、一字排开构成传感器列，同一种类型的多个传感器列构成采集一种信息的传感器组。这些传感器列优选采用以地下结构1为中心向外发散的形式排布在地下结构1周围。

所述数据采集与传输系统设有信号调理模块、数据采集模块和数据通信模块等，将各传感器发送信号在信号调理模块中进行放大、过滤和模数转换。所述数据采集模块与信号调理模块连接，按照预设控制程序采样，将采集的数据存储编档后，通过通信模块将编档数据发送给数据处理与管理系统。

所述数据处理与管理系统设有数据处理模块、数据显示模块与数据通信模块，在数据处理模块中完成对接收的原始数据的预处理(对噪声数据点、离散点，进行识别并删除，以此来解决数据的个别不一致性)和二次处理(对预处理后的数据进行分析，分析监测数据的变化趋势以及数据突变情况，用于评估地下结构的变化形态)等，原始数据、处理后的数据及其它资料或参数可通过数据显示模块进行显示，供工作人员查看。

所述评估与控制系统和所述数据处理与管理系统连接，接收处理后的数据，并在系统中完成对地下结构是否发生变形、位移以及安全性、耐久性、综合评定等各事项的评估，并根据评估结果生成调节指令，控制调节系统运作，以减缓地下结构产生的上浮、下沉或扭转等不利影响。

所述油压式调节系统包括多个设置在地下结构1与桩基3之间的位移调节器2，所述位移调节器2与所述评估与控制系统连接，接收并执行评估与控制系统发布的调节指令。

施工过程如下：

a)开挖基坑；

b)在基坑底部打入桩基2；

c)在桩基顶部安装位移调节器3；

d)施工地下结构底板部分；

e)在底板相应位置处安装加速度、位移、应变传感器；

f)在基坑侧部的土体中钻孔，按照预设的排布方式在孔径中放入部分孔隙水压力、加速度传感器；

g)使用地下结构的侧板部分；

h)在侧板相应位置安装加速度、应力、应变传感器；

i)施工地下结构中柱等支撑构件；

j)在中柱等支撑构件上安装应变传感器；

k)施工地下结构顶板；

l)在顶板相应位置处安装加速度、应力、应变传感器；

m)覆盖填土，填土过程中在土体中安装剩余的孔隙水压力、加速度传感器，使之和步骤f)中的传感器按照预设的方式排布。

本发明通过在地下结构1上布设光纤加速度传感器8和光纤光栅应变传感器9，可监测地下结构的加速度反应和应变反应，了解地下结构是否发生了强度、变形和稳定性的变化；通过在地下结构顶部、侧部与土体的接触面上布设光纤应力传感器7，可监测土与地下结构之间的接触性能，了解土与地下结构之间是否发生滑移和脱离的现象；通过在地下结构的底部布设光纤位移传感器6，可监测地下结构沉降变化，了解地下结构是否发生因不均匀沉降导致的扭转现象。

在地下结构构建过程中将位移调节器3按照如图7所示的位置安装，在图4、图5中，P1-P13为光纤应力传感器7的各个监测点，A1-A5为光纤位移传感器6的各个检测点。施工完成后，地下结构处于初始平衡状态，收集此时各个传感器的对应数据，继而开始对地下结构的日常监测。

如图10、11所示的一实施例中：

地下结构底板位置监测点采集数据如图10所示，显示地下结构发生了不均匀沉降，进一步结合光纤位移传感器的监测结果(图11)可知底板沉降最大值已达到警戒值2mm，同时根据顶板、侧板接触压力的监测结果可知由于不均匀沉降已导致P4、P5、P10的接触压力值明显偏大，说明地下结构整体向右倾斜。此时可通过位移调节器进行结构提升，将A3、A4、A5的沉降量控制在1mm，以减少不均匀沉降，在提升过程中监测地下结构应变测点的变化，应变测点的变化应控制在100με以内。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种地下结构的监测与调节系统，其特征在于，包括依次连接的传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与管理系统、评估与控制系统以及调节系统：

所述数据采集与传输系统设有信号调理模块、数据采集模块和数据通信模块，接收各传感器发送信号，并将采集数据传输给数据处理与管理系统；

所述数据处理与管理系统设有数据处理模块、数据显示模块与数据通信模块，与所述数据采集与传输系统通信连接，并将处理后的数据传输至评估与控制系统；

所述调节系统包括多个设置在地下结构与桩基之间的位移调节器，所述位移调节器与所述评估与控制系统连接，接收并执行评估与控制系统根据评估结果发布的调节指令；

所述传感器系统包括分布安装在地下结构上，分别采集地下结构应变、应力、加速度或位移信息的多组传感器，以及分布在地下结构周围土体中，分别采集土体加速度、孔隙水压力信息的多组传感器；

分布安装在地下结构上的传感器包括光纤光栅应变传感器、光纤加速度传感器、光纤应力传感器、光纤位移传感器；分布在土体中的传感器包括孔隙水压力传感器和光纤加速度传感器;

采集地下结构应力信息的传感器分布安装在地下结构顶板、侧板与土体接触的外侧面；

采集地下结构加速度信息的传感器分布安装在地下结构顶板、底板及侧板的内侧面；

采集地下结构位移信息的传感器分布安装在地下结构底板与土体接触的外侧面；

采集地下结构应变信息的传感器分布安装在地下结构顶板、底板、侧板的内、外侧面以及地下结构内部的支撑构件上。

2.根据权利要求1所述的一种地下结构的监测与调节系统，其特征在于，安装在土体中的传感器设置在地下结构的上方和侧方。

3.根据权利要求2所述的一种地下结构的监测与调节系统，其特征在于，采集土体孔隙水压力信息的传感器组、采集土体加速度信息的传感器组均由多个传感器列构成，所述多个传感器列以以地下结构为中心向外发散的形式排布在地下结构周围。

4.用于权利要求1所述一种地下结构的监测与调节系统的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

开挖基坑；

在基坑底部打入桩基；

在桩基顶部安装位移调节器；

施工地下结构底板部分；

在地下结构底板与土体接触的外侧面安装应变传感器、位移传感器；在底板内侧面安装应变传感器、加速度传感器；

在基坑侧部的土体中钻孔，在孔径中放入孔隙水压力、加速度传感器；

施工地下结构的侧板部分；

在侧板与土体接触的外侧面安装应变传感器、应力传感器；

在侧板内侧面安装加速度传感器；

施工地下结构中柱等支撑构件；

在中柱等支撑构件上安装应变传感器；

施工地下结构顶板；

在顶板与土体接触的外侧面安装应变传感器、应力传感器；

在顶板内侧面安装加速度传感器；

覆盖填土，填土过程中在土体中安装孔隙水压力、加速度传感器，使之和步骤f)中的传感器按照预设方式排布；

上述步骤中，所述预设方式为若干同种传感器一字排开成列后，多个同种传感器列以地下结构为中心向外发散地排布在地下结构的上方和侧方。