CN107421677B - 一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置及方法，所述装置包括：薄膜式螺栓轴力传感器，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力直接转换为电信号；信号处理设备，在监测时与薄膜式螺栓轴力传感器连接，用于将薄膜式螺栓轴力传感器传递的电信号转换为可读压力信号；所述方法包括：通过薄膜式螺栓轴力传感器进行数据采集，得到接头螺栓承受的轴力的电信号；根据薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系，将电信号转换为压力信号并进行展示。与现有技术相比，本发明具有对安装空间要求低、对螺栓无损害、对监测环境适应性强以及适用范围广等优点。

Description

一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程结构安全监测领域，尤其是涉及一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置及方法。

背景技术

地铁隧道多采用盾构法施工，隧道结构由预制管片装配而成，管片与管片之间由接头螺栓连接，隧道结构的承载状态与管片接头的变形及受力状态息息相关，接头螺栓受力状态是评价结构安全性的重要指标。地铁盾构隧道多位于建筑密集的区域，隧道周边工程活动频繁，隧道结构在周边工程扰动下出现损坏的情况时有发生，若对盾构隧道螺栓轴力进行监测，及时掌握结构受力状态及其发展趋势并采取适当措施，能有效解决这一问题。

当前盾构隧道螺栓轴力测量方法主要有以下几种：

(1)螺栓上预埋应变计

申请号为201410268720.6的发明专利，提出了一种通过螺栓轴向应变测量螺栓轴向紧固力的方法，该方法需在螺栓端部钻孔并植入应变计，通过感知螺栓轴向应实现螺栓紧固力测量。申请号为201120551928.0的实用新型专利，提出了一种螺栓轴力测量螺栓，其核心轴力监测方法为在对螺栓杆外表面进行加工后粘贴应变片，并分别从端部和螺杆侧面进行钻孔，以便将传感器接线引出。这两种方法都需要对螺栓进行开孔和二次加工，对螺栓受力性能会造成一定损伤，且加工工序复杂，监测数据精准度受螺栓二次加工质量影响大，特别是当前地铁盾构隧道接头螺栓多弯螺栓，该方法进行在开孔及数据标定上难度提高，数据精准度也将受到影响。

(2)超声波检测法

申请号为02154474.3的发明专利，提出了一种超声螺栓紧固力测试装置，该装置是基于金属介质中声波传播速度与应力状态有关实现的，是一种无损检测装置，应用于地铁隧道时，需避开运营列车振动荷载干扰，且不适用于管片连接螺栓轴力状态的实时监测。

(3)环形应变式压力传感器

申请号为201310235117.3的发明专利，提供了一种螺栓组连接的预紧力测量系统及方法，提出将贴有应变片的筒形弹性体穿在螺栓上来测量螺栓预紧力，但当前应用类似方法实现的应变式压力传感器厚度、尺寸均较大，尤其是用类似地铁盾构隧道的大型工程时，需作为永久性承载结构一部分锚固在螺栓端部，结构安全性高要求以及作用在传感器上的高强度荷载都使得传感器尺寸难以减小，使得传感器用于地铁盾构隧道时需要额外的螺栓长度和预留安装空间，难以盾构隧道原有结构设计方案相适应。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，所述装置包括：

薄膜式螺栓轴力传感器，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力直接转换为电信号；

信号处理设备，在监测时与薄膜式螺栓轴力传感器连接，用于将薄膜式螺栓轴力传感器传递的电信号转换为可读压力信号。

所述薄膜式螺栓轴力传感器包括：

压力感应涂层，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力转换为电信号；

线路层，分别与压力感应涂层和信号处理设备连接，用于将转换的电信号传递至信号处理设备。

所述线路层上设有接线端子，所述接线端子与信号处理设备连接。

所述薄膜式螺栓轴力传感器还包括保护层，所述保护层位于薄膜式螺栓轴力传感器的外表面，与线路层连接。

所述保护层包括刚性层和绝缘层，所述绝缘层与线路层连接，所述刚性层位于薄膜式螺栓轴力的外表面，与线路层连接。

所述薄膜式螺栓轴力传感器与盾构隧道接头螺栓的连接方式包括卡接或套接。

所述薄膜式螺栓轴力传感器的厚度小于3mm。

所述装置还包括保护件，所述保护件分别与盾构隧道接头螺栓和薄膜式螺栓轴力传感器连接。

一种基于如上所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置实现的盾构隧道接头螺栓轴力的监测方法，其特征在于，所述方法包括：

s1)通过薄膜式螺栓轴力传感器进行数据采集，得到接头螺栓承受的轴力的电信号；

s2)根据薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系，将步骤s1)中得到的电信号转换为压力信号；

s3)对步骤s2)得到的压力信号进行展示。

所述薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系的获取方法具体为：

s21)通过室内试验测试，得到薄膜式螺栓轴力传感器的输出数据的线性度；

s22)结合再薄膜式螺栓轴力传感器安装过程中，通过拧紧盾构隧道接头螺栓得到的原位标定数据，得到薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过设置薄膜式螺栓轴力传感器，将盾构隧道接头螺栓承受的轴力直接转换为电信号，而现有技术中使用的环形应变式压力传感器，通过弹性件接收压力再通过垫片式力传感器将其转化为电信号，弹性件和垫片式力传感器的设置使得整个传感器的厚度对盾构隧道本身的结构产生了极大的影响，而本发明提出的薄膜式螺栓轴力传感器由于只需要压力感应涂层，因此厚度和尺寸大大地减小，解决了传感器用于地铁盾构隧道时需要额外的螺栓长度和预留安装空间的问题，同时通过信号处理设备，将电信号再转换为可读压力信号，便于读取螺栓轴力。

(2)由于本发明提出的装置是通过薄膜式螺栓轴力传感器将轴力信号转换为压力信号进行的监测，因而与超声螺栓紧固力测试装置相比，本发明提出的装置不受运营列车振动荷载的干扰，对监测环境的适应性强，适用范围广。

(3)薄膜式螺栓轴力传感器的核心部件为压力感应涂层和线路层，压力感应涂层的性能非常好，厚度小于1mm，最大可测压力可以达到200MPa，可以满足对螺栓紧固力测量的需求的同时，大大减小了所占空间。

(4)薄膜式螺栓轴力传感器还包括保护层，可以对压力感应涂层和线路层实现保护，避免由于压力过大而导致的压力感应涂层的破坏，提高了监测精度。

(5)保护层包括刚性层和绝缘层，刚性层设置在传感器的外表面，提高了薄膜式螺栓轴力传感器的压力承受能力，而绝缘层的设置则是避免了刚性层对线路层中传递的电信号产生干扰，进一步提高监测精度。

(6)薄膜式螺栓轴力传感器与盾构接头螺栓的连接方式包括卡接或套接，一方面保证了传感器可以与螺栓进行紧密接触，保证了接收的轴力信号的准确性，提高监测精度，另一方面连接方式灵活，可以扩大本监测装置的使用范围。

(7)薄膜式螺栓轴力传感器的厚度小于3mm，该厚度相比于螺栓本身几乎可以忽略不计，因此大大减小了该监测装置的所需空间。

(8)监测装置还包括垫片，垫片分别与盾构隧道接头螺栓和薄膜式螺栓轴力传感器连接，进一步保护了薄膜式螺栓轴力传感器在安装过程中被破坏，延长了监测装置的使用寿命。

(9)本发明提出的盾构隧道接头螺栓轴力的监测方法，通过对薄膜式螺栓轴力传感器进行数据采集，并通过该传感器中电信号和压力信号的转换关系，直接得到压力信号的大小，方法简便且易于实现，实用性能强。

(10)薄膜式螺栓轴力传感器的电信号与压力信号之间的转换关系具体是通过室内测验，再结合传感器安装过程中的原位标定数据得到的，通过试验得到的数据再结合实际情况进行标定，使得得到的转换关系准确度高，进而提高了监测精度。

附图说明

图1为盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置的结构示意图；

图2为薄膜式螺栓轴力传感器的安装总体示意图；

图3为薄膜式螺栓轴力传感器的分层布置结构的三种方案，其中(3a)为方案A，(3b)为方案B，(3c)为方案C；

图4为薄膜式螺栓轴力传感器中压力感应涂层的两种布置方案，其中(4a)为方案D，(4b)为方案E；

图5为薄膜式螺栓轴力传感器中线路层的两种布置方案，其中(5a)为方案F，(5b)为方案G；

图6为薄膜式螺栓轴力传感器输出的电信号随螺栓轴力的变化关系图；

其中，1为手孔，2为螺母，3为薄膜式螺栓轴力传感器，4为垫片，5为螺栓杆，6为螺栓孔，7为螺栓垫片，8为螺帽，9为管片，10为信号处理设备，11为刚性面层，12为绝缘层，13为线路层，14为压力感应涂层，15为刚性基层，16为接线端子。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例中提供了一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置及方法，监测装置包括：薄膜式螺栓轴力传感器3，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力直接转换为电信号；信号处理设备10，在监测时与薄膜式螺栓轴力传感器3连接，用于将薄膜式螺栓轴力传感器3传递的电信号转换为可读压力信号。其中，薄膜式螺栓轴力传感器3包括：压力感应涂层14，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力转换为电信号；线路层13，分别与压力感应涂层14和信号处理设备10连接，用于将转换的电信号传递至信号处理设备10。线路层13上设有接线端子16，接线端子16与信号处理设备10连接。薄膜式螺栓轴力传感器3还包括保护层，保护层位于薄膜式螺栓轴力传感器3的外表面，与线路层13连接。保护层包括刚性层和绝缘层12，绝缘层12与线路层13连接，刚性层位于薄膜式螺栓轴力的外表面，与线路层13连接。薄膜式螺栓轴力传感器3与盾构隧道接头螺栓的连接方式包括卡接或套接。该监测装置还包括保护件，分别与盾构隧道接头螺栓和薄膜式螺栓轴力传感器3连接。

基于如上所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，实现的盾构隧道接头螺栓轴力的监测方法具体为：

s1)通过薄膜式螺栓轴力传感器3进行数据采集，得到接头螺栓承受的轴力的电信号；

s2)根据薄膜式螺栓轴力传感器3的电信号和压力信号的转换关系，将步骤s1)中得到的电信号转换为压力信号，其中薄膜式螺栓轴力传感器3的电信号和压力信号的转换关系的获取方法具体为：

s21)通过室内试验测试，得到薄膜式螺栓轴力传感器3的输出数据的线性度；

s22)结合再薄膜式螺栓轴力传感器3安装过程中，通过拧紧盾构隧道接头螺栓得到的原位标定数据，得到薄膜式螺栓轴力传感器3的电信号和压力信号的转换关系；

s3)对步骤s2)得到的压力信号进行展示。

根据上述结构实现的监测装置具体如图1所示，从图中可以看出，本实施例中的监测装置包括薄膜式螺栓轴力传感器3和信号处理设备10，而薄膜式螺栓轴力传感器3在本实施例中采用环形外形，与盾构隧道螺栓套接，除此之外也可以采用U型来实现与螺栓的卡接，或通过其他形状来实现与螺栓的紧密接触。薄膜式螺栓轴力传感器3的内部具有压力感应涂层14，为采用压力敏感材料制作成的薄层，受垫片4(本实施例中的保护件为垫片)压力作用后电信号产生变化，并将电信号传递给信号处理设备10，信号处理设备10识别电信号，转换为可读压力信号输出。

该薄膜式螺栓轴力传感器3的安装位置如图2所示，从图中可以看出，本实施例中薄膜式螺栓轴力传感器3的受力面垂直螺栓轴线方向夹置于螺栓连接件的受力部件垫片4与管片9之间，获取螺栓轴力；进一步地，薄膜式螺栓轴力传感器3也可夹置于管片9与螺栓垫片7之间，或夹置于螺栓垫片7与螺帽8之间，所有可以令薄膜式螺栓轴力传感器3接收到螺栓轴力的位置均可以作为薄膜式螺栓轴力传感器3的安装位置。

本实施例中，薄膜式螺栓轴力传感器3具有分层布置结构，如图3所示，包括：刚性面层11、绝缘层12、线路层13、压力感应涂层14、刚性基层15以及接线端子16；进一步的，薄膜式螺栓轴力传感器3的实施结构可包含以上所述5层结构的全部或部分，也可以重复使用部分层，图3给出薄膜式螺栓轴力传感器的三种结构布置方案：方案A中从上至下，依次为刚性面层11、绝缘层12、线路层13、压力感应涂层14、线路层13、绝缘层12以及刚性基层15，线路层13分离布置于压力感应涂层14的上下侧，与中间压力感应涂层14组成压力感应电路，并从上下线路层13分别引出接线端子16；方案B中从上至下，依次为刚性面层11、绝缘层12、线路层13、压力感应涂层14以及刚性基层15，线路层13只布置于压力感应涂层14上侧；方案C中从上至下，依次为刚性面层11、绝缘层12、线路层13、压力感应涂层14、绝缘层12以及刚性基层15。上述实施例中，薄膜式螺栓轴力传感器3的刚性面层11及刚性基层15分别布置于顶端及底端，为传感器保护及承载层，用于分散压力、提高测量数据的准确性，以及保护线路层13及压力感应涂层14免于发生过度变形或破损。薄膜式螺栓轴力传感器3的布置结构不限于上述三种方案，但需要注意的是，无论采用哪种方案，压力感应涂层14都至少与一层线路层13进行直接连接。

本实施例中，薄膜式螺栓轴力传感器3采用的压力感应涂层14包含压力敏感材料，在承受压力作用下压力敏感材料产生电阻信号的变换，最大可测压力达到200MPa。但需要注意的是，本实施例中薄膜式螺栓轴力传感器3具有的压力感应涂层14布置范围不超出螺栓垫片7覆盖区域，以保证传感器全面受压，并使压力分布均匀，如图4所示，给出压力感应涂层14两种布置方案，其中方案D中，压力感应涂层14采用连续的布置形式，如图(4a)所示，而方案E中，压力感应涂层14采用离散的布置形式，如图(4b)所示。

由于薄膜式螺栓轴力传感器3具有的压力感应涂层14与线路层13共同组成测量电路，而压力感应涂层14具有的连续布置形式D或离散布置形式E，在线路层13连接下形成测量电路，因此线路层13的布置形式应该与压力感应涂层14的布置形式相匹配，如图5分别给出压力感应涂层14连续布置形式下线路层13的一种布置方案F(如图5a所示)和压力感应涂层14离散布置形式下线路层13的一种布置方案G(如图5b所示)：方案F中线路层13与线路之间的压力感应涂层14形成含单个压力敏感电阻测量电路；方案G中线路层13与线路之间的压力感应涂层14形成含4个压力敏感电阻串联的测量电路。

本实施例中，根据上述盾构隧道接头螺栓轴力监测装置来对盾构隧道的接头螺栓进行监测，过程如下：首先需要获得薄膜式螺栓轴力传感器3中压力与电信号之间的转换关系，因此通过室内试验对薄膜式螺栓轴力传感器3进行加载，加载范围与实际使用荷载相近，一般为0～360kN，获取不同压力下薄膜式螺栓轴力传感器3输出数据，传感器输出数据的线性度良好，如图6所示，本实施例中的转换公式如下：

P＝17.14+1.08x

其中，P为实测螺栓轴力值，单位为kN；x为传感器输出数据，单位为10^-4×1/Ω；

盾构管片9拼装时，将螺栓杆5穿入螺栓孔6，于螺母2一侧手孔1中布置两个垫片4，将薄膜式螺栓轴力传感器3夹置于两垫片4之间，如图2所示；根据螺栓拧紧控制力矩分4～5次拧紧螺母2，每次拧紧螺栓记录螺栓拧紧力矩及传感器输出数值，实现薄膜压力传感器原位标定，计算电阻信号-拧紧力矩信号转换公式如下：

M＝ax+b

其中，x为传感器输出数据，单位为10^-4×1/Ω；M螺栓拧紧力矩，单位为kN·m；a、b为常数；

进一步根据螺栓紧固力与螺栓拧紧力矩的转换关系：

M＝PKd

其中，P为螺栓预紧力，单位为kN；M为拧紧力矩，单位为kN·m；K为螺栓拧紧力矩系数；d为螺栓公称直径，单位m；

获取螺栓拧紧力与传感器输出数据的转换公式如下：

P＝(ax+b)/Kd；

螺栓安装完成后，将薄膜式螺栓轴力传感器3与信号处理设备10连接，如图1所示，并将信号处理设备10与外部计算机连接，根据原位标定获取的转换公式P＝(ax+b)/Kd将信号处理设备10输出信号设定为可读压力数据；通过外部计算机驱动信号处理设备10定时采集薄膜式螺栓轴力传感器3输出数据，并经外部传输设备传输至计算机或服务器，以供存储或分析，即实现螺栓轴力的监测。

需要注意的是，在实际的安装过程中，在进行试验测试时，首先会通过室内试验获取不同压力下薄膜式螺栓轴力传感器3输出电信号，测试压力范围覆盖薄膜式螺栓轴力传感器3量程，测试传感器电信号随压力变化的线性度，选用多次重复试验线性误差均不超过3％的传感器进行现场监测，从而提高监测精度。

Claims (7)

1.一种盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，其特征在于，所述装置包括：

薄膜式螺栓轴力传感器，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力直接转换为电信号；

信号处理设备，在监测时与薄膜式螺栓轴力传感器连接，用于将薄膜式螺栓轴力传感器传递的电信号转换为可读压力信号；

所述薄膜式螺栓轴力传感器包括：

压力感应涂层，与盾构隧道接头螺栓连接，用于将盾构隧道接头螺栓承受的轴力转换为电信号；

线路层，分别与压力感应涂层和信号处理设备连接，用于将转换的电信号传递至信号处理设备；

所述薄膜式螺栓轴力传感器还包括保护层，所述保护层位于薄膜式螺栓轴力传感器的外表面，与线路层连接；

所述保护层包括刚性层和绝缘层，所述绝缘层与线路层连接，所述刚性层位于薄膜式螺栓轴力传感器的外表面；

所述压力感应涂层具有连续布置形式或离散布置形式。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，其特征在于，所述线路层上设有接线端子，所述接线端子与信号处理设备连接。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，其特征在于，所述薄膜式螺栓轴力传感器与盾构隧道接头螺栓的连接方式包括卡接或套接。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，其特征在于，所述薄膜式螺栓轴力传感器的厚度小于3mm。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置，其特征在于，所述装置还包括保护件，所述保护件分别与盾构隧道接头螺栓和薄膜式螺栓轴力传感器连接。

6.一种基于如权利要求1所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测装置实现的盾构隧道接头螺栓轴力的监测方法，其特征在于，所述方法包括：

s1)通过薄膜式螺栓轴力传感器进行数据采集，得到接头螺栓承受的轴力的电信号；

s2)根据薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系，将步骤s1)中得到的电信号转换为压力信号；

s3)对步骤s2)得到的压力信号进行展示。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道接头螺栓轴力的监测方法，其特征在于，所述薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系的获取方法具体为：

s21)通过室内试验测试，得到薄膜式螺栓轴力传感器的输出数据的线性度；

s22)结合再薄膜式螺栓轴力传感器安装过程中，通过拧紧盾构隧道接头螺栓得到的原位标定数据，得到薄膜式螺栓轴力传感器的电信号和压力信号的转换关系。