CN108547665B - 一种寒区隧道冻害预警系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种寒区隧道冻害预警系统，包括用于监测现场状况并装有数据识别处理系统的传感器模块；连接传感器模块进行数据采集的数据采集模块；连接数据采集模块进行数据分析处理并进行预警的中心处理器。本发明也公开了适用该种寒区隧道冻害预警系统的方法，该系统通过选取寒区隧道洞口可能发生衬砌结构冻害的断面进行隧道衬砌结构应力和应变的长期实时监测，及时掌握隧道衬砌结构的受力和变形状态，通过预警，及时消除隧道衬砌结构的不安全因素，为保证寒区隧道的运营安全提供技术保障，该预警系统具有长期性、自动性和实时性的特点，可以很好预测寒区隧道冻害的发生，具有一定的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及寒区隧道的冻害预警系统，具体为一种寒区隧道冻害预警系统及其方法。
背景技术
据日本、挪威和中国的冻害统计资料显示，日本(1999年)全线3 819座铁路隧道，发生冻害的隧道有2 135座，占隧道总数的56％，冬季因冻害而危及行车安全的事件屡有发生；挪威(1990年)国内几乎所有的铁路隧道都出现了不同程度的衬砌开裂、挂冰及冰溜等冻害；中国(2014年)全线11 516座铁路隧道，发生冻害的隧道有5 990座，占隧道总数的52％，其中2 937座发生严重冻害，占隧道总数的26％。大量寒区铁路隧道建设和运营情况表明，低温引起的冻害普遍存在于既有铁路隧道中，这些冻害既对隧道结构造成严重破坏，同时也给铁路运营安全埋下重大安全隐患。
由上述分析知，寒区隧道冻害问题已经非常严重，但是就目前而言，还没有科学的、系统的寒区隧道冻害预警系统及其方法，发明的提出具有明确的工程应用背景与迫切的技术创新需求。
发明内容
本发明为解决上述问题，建立一种寒区隧道冻害预警系统及其方法，通过选取寒区隧道洞口可能发生衬砌结构冻害的断面进行隧道衬砌结构应力和应变的长期实时监测，及时掌握隧道衬砌结构的受力和变形状态，通过预警基准和预警措施，及时消除隧道衬砌结构的不安全因素，为保证寒区隧道的运营安全提供技术保障，该预警系统具有长期性、自动性和实时性的特点，可以很好预测寒区隧道冻害的发生，具有一定的工程应用价值。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种寒区隧道冻害预警系统，包括：
装有数据识别处理系统用于监测现场状况的传感器模块；
连接传感器模块进行数据采集的数据采集模块；
连接数据采集模块进行数据分析处理的中心处理器；
连接中心处理器进行预警的预警系统。
进一步的，所述传感器模块包括应变计和钢筋计，所述数据采集模块为数据采集仪。
进一步的，所述应变计和钢筋计通过通信模块连接数据采集仪，所述通信模块采用手机通讯的方式将数据传输给数据采集仪。
进一步的，所述中心处理器采用客户端/服务器架构，所述中心处理器以网页的形式汇总数据采集仪所传输的数据，并对接收到的数据进行分析处理。
进一步的，所述中心处理器通过4G路由器连接预警系统并将处理后的数据集成到预警系统，所述预警系统根据程序和连通的数据库中储存的预警标准数据，对隧道的状态做出评估，并根据评估的结果发出预警信息。
进一步的，所述预警系统上设置有若干种不同颜色的预警灯对应不同的损坏状态。
进一步的，所述预警系统连接灾害信息识别处理系统，所述灾害信息识别处理系统通过网络连通官方设立的灾害预警信息公共信息发布平台，用于随时获取最新的灾害预警数据信息。
一种寒区隧道冻害预警系统的使用方法，包括如下步骤：
(1)将应变计和钢筋计安装在寒区隧道洞口预期发生衬砌结构冻害的断面处，进行隧道衬砌结构应力和应变的长期实时监测；
(2)将应变计和钢筋计连通数据采集仪，数据采集仪通过光纤收发器连接中心处理器；
(3)应变计和钢筋计将监测的数据传输给数据采集仪，由数据采集仪传输给中心处理器，中心处理器将监测数据进行汇总分析并传输给预警系统；
(4)预警系统依据隧道衬砌结构应力和应变状态进行程序分析，如果监测数据符合材料结构强度安全，那么中心服务器将监测数据归入数据库；如果监测数据不符合材料结构强度安全，按照以下方法进行判定：
①当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到1，启动I类报警模式，现场对应断面以蓝色进行预警；
当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料应力强度比的日变化率的累计值超过标准规定的截面数并且达到10％时，启动I类报警模式，现场对应断面以蓝色进行预警；
②当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到2，启动II类报警模式，现场对应断面以黄色进行预警；
当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料应力强度比的日变化率的累计值超过标准规定的截面数并且达到15％时，启动II类报警模式，现场对应断面以黄色进行预警；
③当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到3，启动III类报警模式，现场对应断面以红色进行预警；
当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料应力强度比的日变化率的累计值超过标准规定的截面数并且达到20％时，启动III类报警模式，现场对应断面以红色进行预警。
本发明的有益效果为：
与现有技术相比，本发明利用寒区隧道冻害预警系统，长期性、自动性和实时性的特点，可以很好预测寒区隧道冻害的发生，具有一定的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1所示，一种寒区隧道冻害预警系统，包括用于监测现场状况并装有数据识别处理系统的传感器模块，传感器模块包括应变计和钢筋计。本发明系统还包括连接传感器模块进行数据采集的数据采集模块，本发明数据采集模块为数据采集仪。寒区隧道设计阶段会确定防寒保温的设防长度，参照寒区隧道防寒保温的设防长度，在寒区隧道洞口布置应变计和钢筋计等采集仪器，通过数据采集模块对隧道衬砌结构应力和应变的长期实时监测，及时掌握隧道衬砌结构的受力和变形状态。应变计和钢筋计通过通信模块连接数据采集仪，通信模块以手机通讯形式将现场检测数据发送到数据采集仪。本发明系统还包括连接数据采集模块进行数据分析处理并进行预警的中心处理器，
中心处理器采用客户端/服务器架构，中心处理器还连接一数据处理模块，中心处理器以网页的形式汇总数据采集仪所传输的数据，并通过数据处理模块对监测数据进行智能解析，数据处理模块可以提供数据查询、数据添加和数据删除功能。并且中心处理器通过4G路由器连接预警系统并将分析处理后的数据集成到预警系统，预警系统连接灾害信息识别处理系统，灾害信息识别处理系统通过网络连通官方设立的灾害预警信息公共信息发布平台，用于随时获取最新的灾害预警数据信息。预警系统根据程序和连通的数据库中储存的预警标准数据，对隧道的状态做出评估，并根据灾害预警信息的分析与灾害信息识别处理系统生成的灾害类型，灾害类别，灾害等级，通过材料的受损程度建立灾害预警标准信息的信息告警优先级，信息告警优先级由轻度到中度再到重度分为三类，预警系统上设置有若干种不同颜色的预警灯对应不同的损坏状态，本发明中设置蓝色、黄色、红色三种灯分别对应轻度、中度、重度三种预警等级。
材料混凝土，钢筋，型钢都有结构强度安全基准：①C40混凝土材料应力：抗压强度29.5MPa，抗拉强度2.7MPa；②HRB400钢筋容许应力210Mpa；③Q235H型钢的屈服强度为235MPa。具体如表1所示
表1：混凝土的极限强度表
本发明也给出了混凝土强度等级与应力的关系情况，如表2所示
表2：混凝土的容许应力表
当材料混凝土，钢筋，型钢的累计应力达强度的截面数、应力/强度比的日复变化率超过结构强度安全会产生预警基准。具体如表3所示
表3：结构强度安全和预警基准表
一种寒区隧道冻害预警系统的使用方法，包括如下步骤：
(1)将应变计和钢筋计安装在寒区隧道洞口预期发生衬砌结构冻害的断面处，进行隧道衬砌结构应力和应变的长期实时监测；
(2)将应变计和钢筋计连通数据采集仪，数据采集仪通过光纤收发器连接中心处理器；
(3)应变计和钢筋计将监测的数据传输给数据采集仪，由数据采集仪传输给中心处理器，中心处理器将监测数据进行汇总分析并传输给预警系统；
(4)预警系统依据隧道衬砌结构应力和应变状态进行程序分析，如果监测数据符合材料结构强度安全，那么中心服务器将监测数据归入数据库；如果监测数据不符合材料结构强度安全，按照以下方法进行判定：
①当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到1，启动I类报警模式，现场对应断面以蓝色进行预警；
当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料应力强度比的日变化率的累计值超过标准规定的截面数并且达到10％时，启动I类报警模式，现场对应断面以蓝色进行预警；
②当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到2，启动II类报警模式，现场对应断面以黄色进行预警；
当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料应力强度比的日变化率的累计值超过标准规定的截面数并且达到15％时，启动II类报警模式，现场对应断面以黄色进行预警；
③当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到3，启动III类报警模式，现场对应断面以红色进行预警；
当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料应力强度比的日变化率的累计值超过标准规定的截面数并且达到20％时，启动III类报警模式，现场对应断面以红色进行预警。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种寒区隧道冻害预警系统，其特征在于：包括：
装有数据识别处理系统用于监测现场状况的传感器模块；
连接传感器模块进行数据采集的数据采集模块；
连接数据采集模块进行数据分析处理的中心处理器，中心处理器还连接一数据处理模块，中心处理器以网页的形式汇总数据采集仪所传输的数据，并通过数据处理模块对监测数据进行智能解析，数据处理模块可以提供数据查询、数据添加和数据删除功能；
连接中心处理器进行预警的预警系统，预警系统连接灾害信息识别处理系统，灾害信息识别处理系统通过网络连通官方设立的灾害预警信息公共信息发布平台，用于随时获取最新的灾害预警数据信息；
所述传感器模块包括应变计和钢筋计，所述数据采集模块为数据采集仪；
所述应变计和钢筋计通过通信模块连接数据采集仪，所述通信模块采用手机通讯的方式将数据传输给数据采集仪；
所述中心处理器采用客户端/服务器架构，所述中心处理器以网页的形式汇总数据采集仪所传输的数据，并对接收到的数据进行分析处理；
所述中心处理器通过4G路由器连接预警系统并将处理后的数据集成到预警系统，所述预警系统根据程序和连通的数据库中储存的预警标准数据，对隧道的状态做出评估，并根据评估的结果发出预警信息；
所述预警系统上设置有若干种不同颜色的预警灯对应不同的损坏状态。
2.一种基于权利要求1所述的寒区隧道冻害预警系统的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将应变计和钢筋计安装在寒区隧道洞口预期发生衬砌结构冻害的断面处，进行隧道衬砌结构应力和应变的长期实时监测；
(2)将应变计和钢筋计连通数据采集仪，数据采集仪通过光纤收发器连接中心处理器；
(3)应变计和钢筋计将监测的数据传输给数据采集仪，由数据采集仪传输给中心处理器，中心处理器将监测数据进行汇总分析并传输给预警系统；
(4)预警系统依据隧道衬砌结构应力和应变状态进行程序分析，如果监测数据符合材料结构强度安全，那么中心服务器将监测数据归入数据库；如果监测数据不符合材料结构强度安全，按照以下方法进行判定：
①当混凝土、钢筋或型钢中任一种材料的累计应力强度超过标准规定的截面数并且达到1，启动I类报警模式，现场对应断面以蓝色进行预警；
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