CN109855522B - 一种针对隧道空间形变的位移检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对隧道空间形变的位移检测系统，应用于包括多个隧道顶管和/或隧道盾构片的隧道，该位移检测系统包括若干个应力片、至少一个信号采集器和上位机；信号采集器分别与若干个应力片进行有线连接；上位机分别与各个信号采集器进行通信。本发明又公开了针对隧道空间形变的位移检测方法包括：提供针对隧道空间形变的位移检测系统，该位移检测系统包括若干个应力片、至少一个信号采集器，信号采集器与若干个应力片电连接；将应力片贴于隧道壁面，各个应力片跨越相邻隧道顶管之间的缝隙或者相邻隧道盾构片之间的缝隙。本发明适应了地下土方形变的环境，使柔性隧道得以精准检测，保证了测量精度，并能实时检测且无需隧道列车停运。

Description

一种针对隧道空间形变的位移检测系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程测量技术领域，具体涉及一种针对隧道空间形变的位移检测系统及方法。

背景技术

现有的隧道自建成起就有其初始的形状(如图5所示)，随着周围土体以及自身的变化，其各个部位可能发生形变，而形变的是可能朝任何一个方向发生。但其两端(即图5所示的A、B点)通常被视为不动点。

随着我国大力发展地下交通，国内外有很多的地铁隧道内部及地表面的位移监测方法，主要包括沉降观测与水平位移观测。沉降观测是指在目标变形区域中，布设一系列基准观测点，使用水准仪进行水准测量。水平位移观测一般通过设置观测基线来测量，基线桩的分布因地形而异，可采用准直法和测角法来测定对于水平位移观测点相对于基线桩的位移。水平位移观测需要确定一个测量基准点作为固定参考点，但是在地下土方松动的特殊环境下，所述测量基准点难以保证在地下空间内不会随着土方形变而发生位移，因为地下隧道呈动态柔性弯曲形状。在现有技术中，使用相对固定的地铁站建筑物作为固定参考点，配合该固定参考点进行测量可以延伸出两个自动化测量方法(如附图1所示，序号100为地铁站建筑物，序号101为地铁隧道)：一是使用多个激光测距点再配合固定参考点来计算形变角度；二是使用多个视觉抓拍点再配合固定参考点来计算形变角度。但是这些方法都存在着角度换算误差、测量精度低以及设备昂贵的缺点。

另外，使用角度换算的仪器测量方法需要在地下列车停运时间段内使用，因此无法做到实时精准检测。隧道发送空间形变会导致隧道地下水出现渗漏现象。

隧道的防水问题成了地下结构中薄弱的环节，地铁隧道漏水、高铁隧道漏水、公路隧道漏水等现象不断出现，更造成了现阶段地下隧道“十隧九漏”的尴尬局面。渗漏水主要分布部位和特点，通过现场勘查分析归纳，渗漏水主要分布在环缝、纵缝、吊装孔与螺栓孔、注浆孔、管片开裂、腰部压损和底部十字缝等六个部位，以上部位除注浆孔和管片开裂引起渗漏水外，多数渗漏水都是通过隧道管片错缝拼装形成的缝隙进入隧道内。地铁渗漏水所能造成的危害会使得地铁内空气湿度大大增加，从而损坏了钢轨、通讯、照明等设施，若隧道形变达到一定极限，渗漏水甚至会危害人车安全。

发明内容

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提出一种针对隧道空间形变的位移检测系统及方法，以解决上述背景技术中的测量精度低、换算误差大、无法实时监控及设备昂贵的缺点。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种针对隧道空间形变的位移检测系统，应用于包括多个隧道顶管和/或隧道盾构片的隧道，该位移检测系统包括若干个应力片、至少一个信号采集器和上位机；所述信号采集器与若干个应力片电连接；所述上位机分别与各个信号采集器进行通信；

所述应力片贴于隧道壁面，用于检测隧道壁面的缝隙的空间变化量；

所述信号采集器用于采集对应连接的应力片的信号以及信号变化量；

所述上位机用于分析隧道发生空间形变的位移量。

进一步地，所述应力片为输出数字信号或模拟信号的应力片。

进一步地，所述应力片为电阻式应力片。

一种针对隧道空间形变的位移检测方法，包括：

提供一种针对隧道空间形变的位移检测系统，该位移检测系统包括若干个应力片、至少一个信号采集器，所述信号采集器与若干个应力片电连接；

将应力片贴于隧道壁面，各个应力片跨越相邻隧道顶管之间的缝隙或者相邻隧道盾构片之间的缝隙。

进一步地，所述应力片的一端固定于隧道内壁面的一个隧道顶管或隧道盾构片上，该应力片的另一端固定于隧道内壁面的与该隧道顶管或该隧道盾构片相邻的另一个隧道顶管或隧道盾构片上。

进一步地，于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有至少三个贴于隧道内壁面的应力片。

进一步地，位于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上的各个应力片在隧道内壁面上呈环形均等阵列分布。

进一步地，于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有四个或者四的整数倍个贴于隧道内壁面的应力片。

进一步地，所述隧道内壁面沿一个隧道长度方向设置有多个应力片，该隧道长度方向的应力片依次相间至少一个隧道顶管或隧道盾构片。

进一步地，所述应力片贴于隧道内壁面。

本发明的有益效果为：

本发明通过在多处相邻隧道顶管之间的缝隙或者相邻隧道盾构片之间的缝隙布设应力片，以获得各个检测点的缝隙位移变化量。本发明通过在隧道内壁面的同一横截面或同一环形节管面上呈环形均等阵列地设置有至少三个应力片，并且所述隧道内壁面沿一个隧道长度方向设置有多个等距分布的应力片，使隧道内壁的形变位移变化物理量得到全方位及精准的检测，通过上位机统计各个应力片检测点的形变位移变化物理量从而推算分析出整个隧道的形变结果。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、无需借助隧道以外的其他固定建筑物作为固定参考点，适应了地下土方形变的环境，使自然形变的柔性隧道得以精准检测；

2、避免了在多点折射式角度检测方法中出现的角度换算误差以及光学设备测量误差的问题，保证了测量精度，并能实时检测且无需隧道列车停运；

3、本发明利用了经济且成熟的应力片对隧道的形变进行检测，大大降低了建造成本、维护成本、检测成本及人力人本；

4、通过对隧道形变进行精准及实时检测，使隧道地下水渗漏情况得到精准及实时检测，为隧道安全提供了保证；

5、本发明使针对隧道形变的检测精度提高至微米级。

附图说明

图1为现有技术中利用固定参考点进行隧道形变位移检测的原理示意图；

图2为本发明实施例1涉及的一种针对隧道空间形变的位移检测系统的安装结构示意图；

图3为本发明实施例2涉及的一种针对隧道空间形变的位移检测系统的安装结构示意图；

图4为本发明实施例3涉及的一种针对隧道空间形变的位移检测系统的安装结构示意图；

图5为背景技术中发生形变的隧道的结构示意图；

图6为本发明实施例1涉及的未发生形变的隧道的结构示意图；

图7为本发明实施例1涉及的发生形变的隧道的结构示意图；

附图标记说明：

应力片——1；隧道顶管——2；缝隙——3；隧道盾构片——4。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

实施例1

如图2所示，一种针对隧道空间形变的位移检测系统，应用于包括多个隧道顶管2的隧道，该位移检测系统包括若干个应力片1、至少一个信号采集器和上位机；所述信号采集器与若干个应力片1电连接；所述上位机分别与各个信号采集器进行通信；

所述应力片1贴于隧道壁面，用于检测隧道壁面的缝隙3的空间变化量；所述应力片1不限定为电阻式应力片，也可以是电容式应力片、光栅式应力片或振荡式应力片；电阻式应力片很好地利用了导体的物理特性和几何特性，当一个导体在其弹性极限内受外力拉伸时，其不会被拉断或产生永久变形而会变窄变长，这种形变导致了其端电阻变大，相反，当一个导体被压缩后会变宽变短，这种形变导致了其端电阻变小，通过测量应力片的电阻，其覆盖区域的应变就可以演算出来，电阻式应力片的敏感栅是一条窄导体条曲折排列成的一组平行导线，这样的布置方式可将基线方向的微小变形累积起来以形成一个较大的电阻变化量累计值，电阻式应力片的测量对象只有其所覆盖区域的变形量，足够小的电阻式应力片可在诸如有限元式的应力分析当中使用；

所述信号采集器用于采集对应连接的应力片1的信号以及信号变化量；

所述上位机用于分析隧道发生空间形变的位移量。

进一步地，如图6、图7所示，所述针对隧道空间形变的位移检测系统的工作原理为：在使用电阻式应力片作形变监测时，当应力片1发生变化(被拉长或缩短)时，其阻值会相应的发生变化，阻值的变化与应力片1的变化值有很好的线性关系，因此本可以通过测量阻值的变化而得知应变片1的变化；当应用在隧道中时，由于一般距离比较长，使用的应力片1较多，根据使用的信号采集器的端口数量以及线路的长度，采取分段采集各应力片1的数据，转化为数字信号，通过有线(如数据总线、光纤等)或无线(gprs、4G、DTU等)的方式，将信号传输到上位机(计算机系统)进行解析、计算；当隧道顶管2被视为刚性体(即在整个隧道发生变化时，是各隧道顶管2之间的缝隙发生变化而每一片管片自身不发生变化)时，隧道形变时的尺寸变化即贴在隧道顶管2缝隙处应力片1的尺寸变化；当隧道发生形变时，由于隧道实际上是会有一个形变半径的；由于半径的不同，导致应力片1的变化量是不同的；并且，最大变化量的方向，就是形变的方向；当根据各部位应力片1的尺寸变化量，能判定隧道整体形变的方向，而且根据应力片1的变化量，通过函数计算，即可得出隧道的变化值；设隧道顶面一边对应的应力片变化值和隧道底面一边对应的应力片变化值分别为△L1、△L2；在发生如图7所示的隧道形变时，△L1的值必然大于△L2的值；已知隧道顶管2的长度以及隧道顶管2的延长值△L，使用函数计算，即可得知形变量h，同时可以计算得知如图7所示的h1，h2，h3，h4，h5，h6的值；通过上位机(计算机系统)，将标示出的各个管片的形变值，即可得知在隧道中的某一段位置发生了某一个方向的位置变化(即位移量)。

一种针对隧道空间形变的位移检测方法，包括：

提供如实施例1的一种针对隧道空间形变的位移检测系统，该位移检测系统包括若干个应力片1、至少一个信号采集器，所述信号采集器与若干个应力片1电连接；

将应力片1贴于隧道壁面，各个应力片1跨越相邻隧道顶管2之间的缝隙3。

进一步地，所述应力片1的一端固定于隧道内壁面的一个隧道顶管2上，该应力片1的另一端固定于隧道内壁面的与该隧道顶管相邻的另一个隧道顶管2上。

进一步地，于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有四个或者四的整数倍个贴于隧道内壁面的应力片1。

进一步地，位于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上的各个应力片1在隧道内壁面上呈环形均等阵列分布。

进一步地，所述隧道内壁面沿一个隧道长度方向设置有多个应力片1，该隧道长度方向的应力片1依次相间至少一个隧道顶管2。

进一步地，所述应力片1贴于隧道内壁面。

优选地，所述应力片1为输出数字信号或模拟信号的应力片。

优选地，所述应力片1为电阻式应力片。

实施例2

如图4所示，一种针对隧道空间形变的位移检测系统，应用于包括多个隧道盾构片4的隧道，该位移检测系统包括若干个应力片1、至少一个信号采集器和上位机；所述信号采集器与若干个应力片1电连接；所述上位机分别与各个信号采集器进行通信；

所述应力片1贴于隧道壁面，用于检测隧道壁面的缝隙的空间变化量；

所述信号采集器用于采集对应连接的应力片1的信号以及信号变化量；

所述上位机用于分析隧道发生空间形变的位移量。

一种针对隧道空间形变的位移检测方法，包括：

提供如实施例2的一种针对隧道空间形变的位移检测系统，该位移检测系统包括若干个应力片1、至少一个信号采集器，所述信号采集器与若干个应力片1电连接；

将应力片1贴于隧道壁面，各个应力片1跨越相邻隧道盾构片4之间的缝隙3。

进一步地，所述应力片1的一端固定于隧道内壁面的一个隧道盾构片4上，该应力片1的另一端固定于隧道内壁面的与该隧道盾构片4相邻的另一个隧道盾构片4上。

进一步地，于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有四个或者四的整数倍个贴于隧道内壁面的应力片1。

进一步地，位于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上的各个应力片1在隧道内壁面上呈环形均等阵列分布。

进一步地，所述隧道内壁面沿一个隧道长度方向设置有多个应力片1，该隧道长度方向的应力片1依次相间至少一个隧道盾构片4。

进一步地，所述应力片1贴于隧道内壁面。

优选地，所述应力片1为输出数字信号或模拟信号的应力片。

优选地，所述应力片1为电阻式应力片。

实施例3

如图3所示，一种针对隧道空间形变的位移检测系统，应用于包括多个隧道顶管2的隧道，该位移检测系统包括若干个应力片1、至少一个信号采集器和上位机；所述信号采集器与若干个应力片1电连接；所述上位机分别与各个信号采集器进行通信；

所述应力片1贴于隧道壁面，用于检测隧道壁面的缝隙的空间变化量；

所述信号采集器用于采集对应连接的应力片1的信号以及信号变化量；

所述上位机用于分析隧道发生空间形变的位移量。

一种针对隧道空间形变的位移检测方法，包括：

提供实施例3的一种针对隧道空间形变的位移检测系统，该位移检测系统包括若干个应力片1、至少一个信号采集器，所述信号采集器与若干个应力片1电连接；

将应力片1贴于隧道壁面，各个应力片1跨越相邻隧道顶管2之间的缝隙3。

进一步地，所述应力片1的一端固定于隧道内壁面的一个隧道顶管2上，该应力片1的另一端固定于隧道内壁面的与该隧道顶管2相邻的另一个隧道顶管2上。

进一步地，于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有三个或者三的整数倍个贴于隧道内壁面的应力片1。

进一步地，位于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上的各个应力片1在隧道内壁面上呈环形均等阵列分布。

进一步地，所述隧道内壁面沿一个隧道长度方向设置有多个应力片1，该隧道长度方向的应力片1依次相间至少一个隧道顶管2。

进一步地，所述应力片1贴于隧道内壁面。

优选地，所述应力片1为输出数字信号或模拟信号的应力片。

优选地，所述应力片1为电阻式应力片。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种针对隧道空间形变的位移检测系统，应用于包括多个隧道顶管和/或隧道盾构片的隧道，其特征在于，该位移检测系统包括若干个应力片、至少一个信号采集器和上位机；所述信号采集器与若干个应力片电连接；所述上位机分别与各个信号采集器进行通信；

所述应力片贴于隧道壁面，用于检测隧道壁面的缝隙的空间变化量；

所述信号采集器用于采集对应连接的应力片的信号以及信号变化量；

所述上位机用于分析隧道发生空间形变的位移量，具体为：

设隧道顶面一边对应的应力片变化值和隧道底面一边对应的应力片变化值分别为△L1、△L2；在发生隧道形变时，△L1的值必然大于△L2的值；已知隧道顶管的长度以及隧道顶管的延长值△L，使用函数计算，即可得知形变量h，同时计算得知各个管片的形变值：h1、h2、h3、h4、h5、h6、……、hn；上位机通过标示出的各个管片的形变值，即可得知在隧道中的某一段位置发生了某一个方向的位置变化，即位移量；

所述应力片的一端固定于隧道内壁面的一个隧道顶管或隧道盾构片上，该应力片的另一端固定于隧道内壁面的与该隧道顶管或该隧道盾构片相邻的另一个隧道顶管或隧道盾构片上；

于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有至少三个贴于隧道内壁面的应力片；

位于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上的各个应力片在隧道内壁面上呈环形均等阵列分布。

2.根据权利要求1所述的针对隧道空间形变的位移检测系统，其特征在于，所述应力片为输出数字信号或模拟信号的应力片。

3.根据权利要求1所述的针对隧道空间形变的位移检测系统，其特征在于，所述应力片为电阻式应力片。

4.一种针对隧道空间形变的位移检测方法，其特征在于，包括：

提供一种针对隧道空间形变的位移检测系统，该位移检测系统包括若干个应力片、至少一个信号采集器，所述信号采集器与若干个应力片电连接；

将应力片贴于隧道壁面，各个应力片跨越相邻隧道顶管之间的缝隙或者相邻隧道盾构片之间的缝隙；

分析隧道发生空间形变的位移量，具体为：

设隧道顶面一边对应的应力片变化值和隧道底面一边对应的应力片变化值分别为△L1、△L2；在发生隧道形变时，△L1的值必然大于△L2的值；已知隧道顶管的长度以及隧道顶管的延长值△L，使用函数计算，即可得知形变量h，同时计算得知各个管片的形变值：h1、h2、h3、h4、h5、h6、……、hn；上位机通过标示出的各个管片的形变值，即可得知在隧道中的某一段位置发生了某一个方向的位置变化，即位移量；

所述应力片的一端固定于隧道内壁面的一个隧道顶管或隧道盾构片上，该应力片的另一端固定于隧道内壁面的与该隧道顶管或该隧道盾构片相邻的另一个隧道顶管或隧道盾构片上；

于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有至少三个贴于隧道内壁面的应力片；

位于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上的各个应力片在隧道内壁面上呈环形均等阵列分布。

5.根据权利要求4所述的针对隧道空间形变的位移检测方法，其特征在于，于同一个隧道横截面或隧道横截环节面上设有四个或者四的整数倍个贴于隧道内壁面的应力片。

6.根据权利要求4所述的针对隧道空间形变的位移检测方法，其特征在于，所述隧道内壁面沿一个隧道长度方向设置有多个应力片，该隧道长度方向的应力片依次相间至少一个隧道顶管或隧道盾构片。

7.根据权利要求4所述的针对隧道空间形变的位移检测方法，其特征在于，所述应力片贴于隧道内壁面。

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