CN110080823A - 基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，属于隧道施工阶段结构安全监测领域，解决了现有技术中的监测方式不能实时预警且容易受到施工干扰的问题。本发明的安全监测及示警方法包括：在钢架上的拱顶、左右拱肩、拱墙位置安装集成式传感器监测钢架的应力应变，采用钢架不同的应力大小对应不同颜色灯光输出的方式传递应力状态，并采用局部安全状态判断和整体安全状态判断相结合的方式来判别支护状态。通过单个传感器的灯光颜色表示局部测量位置的应力状态，根据多榀钢架灯光系统颜色变化可以判断出围岩应力的变化及对应的结构破坏类型。本发明能极大提高了隧道内作业环境的安全性，避免重大事故的发生。

Description

基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法

技术领域

本发明涉及隧道施工安全领域，尤其涉及一种基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法。

背景技术

近些年发生的建设施工事故中，隧道施工阶段发生的事故数量较多且经济损失较大。隧道施工穿越不良地质地层时，稍有不慎就会发生初支侵限、大变形、塌方等事故，轻则导致机械损坏，工期延误，重则导致人员伤亡。在这些灾害通常都发生在隧道初支结构施工完成后、二衬衬砌施工前的段落，也就是主要的施工作业段落，因此，该段落也是监控量测的重点。

常规监控量测中，通过周边收敛与拱顶沉降监测来发现支护结构的变形状态，从而对其安全状态做出评价。这种监测方法原理简单，精度较高，但却不具有实时性，且容易受到施工干扰，洞内机械振动、噪音、光线昏暗等因素都会对其造成影响，通常只在施工交接阶段进行，数据处理有一定的滞后性。

工程经验表明，在塌方等事故发生阶段，支护结构表现出来的共同特征，就是钢架弯折扭曲、初支开裂，现有的初支受力监测元件，如钢弦式钢架应力计混凝土应力计，分别是焊接在钢架上、浇筑与混凝土中，通过引出的线头读取传感器频率变化数值，再回去进行数据处理才可得到结构的应力状态。现在需要有一种监测装置，能够直接实现对钢架应力的自动监测，并以实时信号反馈给洞内施工人员，实现实时预警，便能极大提高隧道内作业空间的安全性。隧道内光线昏暗，凿岩机、装载机等机械作业噪音巨大，信息传递不便，加上是封闭空间，空间狭小，施工人员相对集中，一旦发生事故很容易造成重大损失。从隧道施工环境考虑，灯光信号识别要远好于声音信号的识别。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，用以解决现有监测方法容易受到施工干扰，洞内机械振动、噪音、光线昏暗等因素都会对其造成影响，且不具有实时性，数据处理有一定的滞后性的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在钢架的多个位置安装集成式传感器；

步骤S2：打开电源控制开关，集成式传感器开始实时监测钢架整体的安全状态；

步骤S3：通过集成式传感器的指令灯的颜色变化对钢架的应力状态进行预警。

具体地，在步骤S1之前还包括：调试集成式传感器，根据监测需要确定集成式传感器的安装位置及安装密度。

具体地，步骤S1中，采用每隔一榀钢架安装1组集成式传感器的间隔方式安装；集成式传感器安装于隧道拱顶、左右拱肩或左右拱墙位置；每榀钢架上至少安装5个集成式传感器。

具体地，步骤1中，将电阻式应变传感器通过粘结固设于钢架上。

具体地，步骤1中，集成式传感器通过金属固定片与外壳卡合的方式固定在钢架的翼缘上。

具体地，集成式传感器安装完成后进行混凝土喷射时，将保护罩安装在集成式传感器的顶部，盖住指令灯和电源控制开关；混凝土喷射完毕后，揭开保护罩。

具体地，集成式传感器通过供电电池独立供电。

具体地，指令灯包括：绿色LED灯、黄色LED灯和红色LED灯；电阻式应变传感器监测到的应力信号经过内部电路转换为电流信号传递给单片机信号处理器；单片机信号处理器通过内部设置电流阈值控制指令灯的发光颜色及闪动频率。

具体地，步骤S2中，灯光信号与钢架的应力状态之间的关系为：

初始弹性阶段，钢架应力δ≤0.7δ_y，输出电流I≤a mA，指令灯绿色LED灯亮，闪动频率为1次/3s；

一般弹性阶段，钢架应力0.7δ_y＜δ＜1.1δ_y，输出电流a mA＜I＜bmA，指令灯黄色LED灯亮，闪动频率为1次/s；

极限承载阶段，钢架应力δ≥1.1δ_y，输出电流I≥b mA，指令灯红色LED灯亮，闪动频率为3次/s；

其中，a、b的数值大小分别对应于钢架的应力值为0.7δ_y及1.1δ_y时电阻式应变传感器的电流输出数值；δ_y为钢架钢材的屈服强度。

具体地，步骤3中，指令灯的灯光颜色与钢架结构应力状态之间的关系为：

绿色LED灯闪动时，钢架结构安全，正常施工；

黄色LED灯闪动时，钢架结构尚且安全，提高警惕；

红色LED灯闪动时，钢架结构达到承载极限，停止施工并采取应急措施。

本发明有益效果如下：

1)本发明的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法的安全信号输出具有实时性，且信号以LED微型灯的形式输出，不同颜色信号灯带有不同的闪动频率，在隧道内相对昏暗的作业环境中，容易被人察觉到。

2)本发明的指令灯灯光系统以绿灯、黄灯、红灯三种信号输出，闪动频率逐步加快，其对应的结构安全状态分别为较为安全、尚且较安全、危险3种，原理简单，信号清晰，容易被隧道内全部施工人员掌握接受。

3)采用每隔一榀钢架安装一组集成式传感器的方法，即能够实现全面覆盖，又达到了经济合理的目的。不同部位灯光组合的判断机制，实现了局部安全与整体安全的独立判别，使应对机制更为简单合理。

4)本发明的隧道支护结构安全监测及示警方法，施工人员可以准确判断隧道支护的钢架结构是否存在安全隐患以及隧道结构可能发生变形破坏的形式，进一步决定是否采取应急防护措施以及决定进行防护的具体方式。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为隧道支护结构自动监测装置结构示意图；

图2为集成式传感器安装分布图；

图3为集成式传感器工作原理流程图；

图4为拱顶压垮型破坏状态图；

图5为偏压型破坏；

图6为水平挤压型破坏。

附图标记：

1-电阻式应力传感器，2—单片机处理器，3—供电电池适配器，4—绿色LED灯，5—黄色LED灯，6—红色LED灯，7—外壳，8—金属固定片，9—钢架，10—电源控制开关，11—保护罩，12—集成式传感器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法。

实施时，具体包括以下步骤：

步骤1：安装前，对集成式传感器12进行调试，调试完成后关闭电源，准备安装；在钢架9架立完成后进行多个集成式传感器12的安装；确定集成式传感器12的安装位置；

步骤2：隧道施工阶段，在钢架9架立完成后进行集成式传感器12的安装；通过胶水将电阻式应变传感器1与钢架9粘结牢固，再通过金属固定片8将集成式传感器12整体固定在钢架9的翼缘上，完成安装；

步骤3：喷射混凝土前，将保护罩11安装在集成式传感器12的顶部，盖住指令灯和电源控制开关10，然后进行混凝土喷射；混凝土喷射完毕后，在混凝土凝固前揭开保护罩11，打开传感器电源控制开关10，集成式传感器12开始工作；

步骤4：，通过在钢架9的不同位置安装集成式传感器12实现对钢架9整体的安全状态的实时监测；并通过指令灯发出的不同颜色的光显示钢架9结构的承载状态；

步骤5：局部安全与整体安全独立判别，根据支护状态确定应对机制；根据单个集成式传感器12的灯光颜色判断钢架9局部位置的应力状态；根据隧道内灯光系统的颜色变化预测隧道支护结构发生破坏的形式，进一步决定是否对施工管理做出应急管理，采取辅助加强措施。

具体地，步骤1中，本发明的适用于采用台阶法开挖的IV、V级围岩段落，集成式传感器12每隔一榀钢架9安装一次，上下台阶分开时也分阶段进行安装；一般每个断面安装5个集成式传感器12，必要时进行传感器加密。

针对隧道在初支阶段常见的三种支护破坏形式：拱顶压垮型破坏、拱腰处偏压型破坏和拱墙处水平挤压型破坏，集成式传感器12分别安装在隧道拱顶、左右拱肩、拱墙位置，如图2所示。

该布置形式充分考虑了隧道支护结构的受力形式及破坏阶段的变形规律，并且监测结果可以判断出围岩应力的主要变化形式以及变形破坏的可能情况。

具体地，步骤2中，电阻式应变传感器1、单片机信号处理器2和供电电池适配器3的外部设置外壳7。指令灯和电源控制开关10固定在外壳7上。外壳7的边缘设置有卡槽，金属固定片8一端设有卡钩，另一端为U型结构，外壳7通过金属固定片8固定在钢架9翼缘上。外壳7和保护罩11均可以采用塑料材质。

指令灯和电源控制开关10的外部安装保护罩11；钢架9表层喷射混凝土后，再将保护罩11拆除。保护罩11可以避免混凝土遮挡指令灯，阻碍灯光信号的顺利传输。

具体地，步骤3中，电阻式应变传感器1和单片机信号处理器2均连接供电电池适配器3；供电电池适配器3为集成式传感器12供电。供电电池适配器3上设置电源控制开关10，开关打开时，集成式传感器12开始工作。

步骤4中，集成式传感器12监测钢架9的局部应力。首先，介绍本发明采用的集成式传感器12的具体结构及灯光报警响应原理：

本发明的集成式传感器12包括：电阻式应变传感器1、单片机信号处理器2、供电电池适配器3、指令灯、外壳7、金属固定片8、电源控制开关10和外部安装的保护罩11，如图1所示。指令灯包括：绿色LED灯4、黄色LED灯5和红色LED灯6。不同颜色的指令灯闪动表示支护结构的不同承载状态，进而判断钢架9结构的安全状态。

具体地，电阻式应变传感器1可以测量钢架9的局部应变，在弹性变形阶段，根据胡克定律在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变结合钢架9材料的弹性模量可以计算出对应的钢架9结构的应力的大小。

电阻式应变传感器1自带温度补偿装置，避免温度变化影响电阻式应变传感器1的测量精度。当钢架9应力发生变化时，电阻式应变传感器1内金属材料电阻发生变化，通过其内部电路转换最终反映为电流的变化；单片机信号处理器2分别连接电阻式应变传感器1和指令灯；电阻式应变传感器1将钢架不同的应力大小转为不同的电流信号传递给单片机信号处理器2，单片机信号处理器2内设置不同的电流阈值，单片机信号处理器2处理电阻式应变传感器1输出的电流信号，并根据电流信号控制指令灯发出不同颜色的灯光信号，最终实现了用不同的灯光信号反映钢架9的应力状态。集成式传感器工作原理流程图如图3所示。

施工人员根据灯光颜色即可得知钢架9的应力状态，进一步地，可以判断钢架9的是否容易发生结构变形，确定是否采取加强支护或其他应急措施。一般情况下，钢架9应力达到1.4倍屈服强度时容易发生结构破坏，为了保证施工人员的安全，本发明的示警方法采用超前预警的方式，在钢架9应力达到1.1倍屈服强度时集成式传感器12发出红色灯光信号报警。即在可能发生危险时就发出示警信号，使用时能极大提高隧道内作业环境的安全性，避免重大事故的发生。

考虑到，工字钢钢材受弯时边缘应力最大，往中性轴方向应力逐步减小，电阻式应变传感器1主要测试的为钢架9的边缘应力。本发明的隧道支护结构自动监测装置以钢材的1.1倍屈服强度作为判断极限承载的依据。

在安装集成式传感器12前，调试集成式传感器12，使钢架9的应力为0.7倍屈服强度和1.1倍屈服强度时，电阻式应变传感器1输出的电流值对应单片机信号处理器2内设置的电流阈值a mA和b mA。本发明的集成式传感器灯光信号示警具体机制如表1所示。

表1.基于钢拱架应力识别自动监测装置响应机制

如表1所示，步骤4中，集成式传感器12的灯光颜色与钢架9的应力状态之间的关系为：

初始弹性阶段，钢架9应力δ≤0.7δ_y，输出电流I≤a mA，指令灯绿色LED灯4亮，闪动频率为1次/3s；

一般弹性阶段，钢架9应力0.7δ_y＜δ＜1.1δ_y，输出电流a mA＜I＜b mA，指令灯黄色LED灯5亮，闪动频率为1次/s；

极限承载阶段，钢架9应力δ≥1.1δ_y，输出电流I≥b mA，指令灯红色LED灯6亮，闪动频率为3次/s。

a、b的数值大小分别对应于钢架9的应力值为0.7δ_y及1.1δ_y时电阻式应变传感器1的电流输出数值；δ_y为钢架9钢材的屈服强度。屈服强度具体大小要以钢架9的材料屈服强度为基础，并通过不同的电阻式应变传感器1调试决定不同应力状态对应的电流数值。

对于钢架9的局部位置结构安全状态的判断及示警方法：

单个集成式传感器12测量钢架9局部位置的结构应力，根据上述响应原理，钢架9的应力状态以不同颜色的灯光信号的方式传递给施工人员，不同的灯管颜色及闪动频率对应钢架9局部位置的不同应力状态。

具体地，绿色LED灯4闪动时，表明支护结构钢架9的结构状态安全，隧道内正常施工；黄色LED灯5闪动时，表明结构尚能维持安全，但应提高警惕，加强围岩变形等辅助监测；红色LED灯6闪动时，结构已达到承载极限，应立即停止施工，检查支护结构及围岩的安全状态，并采取必要的辅助加强措施。

进一步地，从隧道支护结构整体安全的角度分析。

具体地，对于单榀钢架9的安全状态及支护结构破环形式判断：

步骤5中，根据单榀钢架9的监测结果可以判断出围岩应力的变化及可能的结构破坏形式。

如图4所示，拱顶处集成式传感器12灯光先变红，相邻的拱腰处集成式传感器12灯光后变红或者呈现黄色时，表明隧道顶部荷载过大，支护结构将发生顶部压垮型破坏。

如图5所示，左右拱腰位置的集成式传感器12灯光变红、相邻部位集成式传感器12灯光后变红或变黄，支护结构发生偏压型破坏。

如图6所示，拱墙位置处集成式传感器12灯光变红、相邻部位集成式传感器12灯光后变红或变黄，支护结构发生水平挤压型破坏。

具体地，从整体上判断支护结构安全状态及确定应对措施。

步骤5中，根据隧道支护结构的多榀钢架9的应力监测结果判断支护结构的破坏类型并采取相应的应对措施，灯光系统的颜色变化与支护结构破坏类型之间的关系为：

当单榀钢架9上局部集成式传感器12红灯亮、相邻钢架9上集成式传感器12绿灯亮或仅有个别黄灯亮时，为隧道内局部松散压力大，采用锚杆锚固、注浆等辅助措施加固；

当连续2榀钢架9上集成式传感器12上红灯亮、周边为黄灯亮时，说明隧道有坍塌的风险，则应立即停止施工，及时撤离施工人员，采取相应的应急响应措施。

与现有技术相比，本实施例提供的技术方案至少具有以下技术效果之一：

1、本发明的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法的安全信号输出具有实时性。现有钢弦式钢架应力计混凝土应力计，分别是焊接在钢架上、浇筑与混凝土中，通过引出的线头读取传感器频率变化数值，再回去进行数据处理才可得到结构的应力状态。本发明的监测装置，能够直接实现对钢架应力的自动监测，并以实时信号反馈给洞内施工人员，实现实时预警，便能极大提高隧道内作业空间的安全性。

2、本发明的隧道支护结构安全监测及示警方法的安全信号以LED微型灯的形式输出，且不同颜色的信号灯带有不同的闪动频率，在隧道内相对昏暗的作业环境中，更容易被人察觉到，也不会受到施工噪音干扰。且本发明采用以绿灯、黄灯、红灯三种信号输出的灯光系统，危险系数越高闪动频率逐步加快，其对应的结构安全状态分别为较为安全、尚且较安全、危险3种，原理简单，信号清晰，容易被隧道内全部施工人员掌握接受。

3、本发明采用每隔一榀钢架9安装一次传感器的方法，即能够实现全面覆盖，又达到了经济合理的目的。本发明的不同部位灯光组合的判断机制，实现了局部安全与整体安全的独立判别，可以判断隧道支护结构的破坏形式，进一步决定应对措施，加强辅助支护或紧急撤离，使应对机制更为简单合理，现有报警机制则无法具体判断。

4、本发明的隧道支护结构安全监测及示警方法以钢材的1.1倍屈服强度作为判断极限承载的依据，主要是考虑到工字钢钢材受弯时边缘应力最大，往中性轴方向应力逐步减小，传感器主要测试的为钢架的边缘应力，其数值设置为1.1倍屈服强度是合理的。

5、一般情况下，钢架应力达到1.4倍屈服强度时容易发生结构破坏，为了保证施工人员的安全，本发明的示警方法采用超前预警的方式，在钢架应力达到1.1倍屈服强度时即发出报警信号，即在可能发生危险时就发出示警信号，使用时能极大提高隧道内作业环境的安全性，避免重大事故的发生。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在钢架(9)的多个位置安装集成式传感器(12)；

步骤S2：打开电源控制开关(10)，集成式传感器(12)开始实时监测钢架(9)整体的安全状态；

步骤S3：通过集成式传感器(12)的指令灯的颜色变化对钢架(9)的应力状态进行预警。

2.根据权利要求1所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括：调试集成式传感器(12)，根据监测需要确定集成式传感器(12)的安装位置及安装密度。

3.根据权利要求2所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用每隔一榀钢架(9)安装1组所述集成式传感器(12)的间隔方式安装；所述集成式传感器(12)安装于隧道拱顶、左右拱肩或左右拱墙位置；每榀钢架(9)上至少安装5个所述集成式传感器(12)。

4.根据权利要求3所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述步骤S1中，将电阻式应变传感器(1)通过粘结固设于钢架(9)上。

5.根据权利要求4所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述步骤S1中，集成式传感器(12)通过金属固定片(8)与外壳(7)卡合的方式固定在钢架(9)的翼缘上。

6.根据权利要求5所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述集成式传感器(12)安装完成后进行混凝土喷射时，将保护罩(11)安装在集成式传感器(12)的顶部，盖住指令灯和电源控制开关(10)；混凝土喷射完毕后，揭开保护罩(11)。

7.根据权利要求6所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述集成式传感器(12)通过供电电池(3)独立供电。

8.根据权利要求1所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述指令灯包括：绿色LED灯(4)、黄色LED灯(5)和红色LED灯(6)；所述电阻式应变传感器(1)监测到的应力信号经过内部电路转换为电流信号传递给单片机信号处理器(2)；所述单片机信号处理器(2)通过内部设置电流阈值控制所述指令灯的发光颜色及闪动频率。

9.根据权利要求8所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述灯光信号与钢架(9)的应力状态之间的关系为：

初始弹性阶段，钢架(9)应力δ≤0.7δ_y，输出电流I≤a mA，指令灯绿色LED灯(4)亮，闪动频率为1次/3s；

一般弹性阶段，钢架(9)应力0.7δ_y＜δ＜1.1δ_y，输出电流a mA＜I＜b mA，指令灯黄色LED灯(5)亮，闪动频率为1次/s；

极限承载阶段，钢架(9)应力δ≥1.1δ_y，输出电流I≥b mA，指令灯红色LED灯(6)亮，闪动频率为3次/s；

其中，a、b的数值大小分别对应于钢架(9)的应力值为0.7δ_y及1.1δ_y时所述电阻式应变传感器(1)的电流输出数值；δ_y为钢架(9)钢材的屈服强度。

10.根据权利要求1-9所述的基于钢架应力识别的隧道支护结构安全监测及示警方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述指令灯的灯光颜色与钢架(9)结构应力状态之间的关系为：

绿色LED灯(4)闪动时，钢架(9)结构安全，正常施工；

黄色LED灯(5)闪动时，钢架(9)结构尚且安全，提高警惕；

红色LED灯(6)闪动时，钢架(9)结构达到承载极限，停止施工并采取应急措施。