CN110905602A

CN110905602A - 一种隧道拆换段受力监测装置与系统

Info

Publication number: CN110905602A
Application number: CN201911278606.0A
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 孙明磊; 赵维刚; 芦俊伟; 李荣喆; 孙剑冰; 陈甜甜
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-03-24

Abstract

本发明涉及高速铁路隧道应急抢险和隧道状态实时监测领域，尤其涉及一种隧道拆换段受力监测装置与系统，包括隧道拱墙衬砌，其特征在于，在所述隧道拱墙衬砌包括有三个断面，三个断面为外层钢筋应力断面，内层钢筋应力断面和混凝土应力断面；所述三个断面上均包括有九个传感器测点。阐述了高速铁路隧道拆换段衬砌受力监测内容，分析了衬砌受力监测所需传感器种类、研究了隧道拆换段衬砌应力监测传感器布置的整体方案应布置三层传感器组，提出了每一层传感器布设数量为9个，构建了由传感元件、数据采集、本地控制中心和中心服务器四部分构成的实时监测系统，实现了隧道拆换段衬砌受力状态实时监测。

Description

一种隧道拆换段受力监测装置与系统

技术领域

本发明涉及高速铁路隧道应急抢险和隧道状态实时监测领域，尤其涉及一种隧道拆换段受力监测装置与系统。

背景技术

受施工质量、山体滑坡和列车长期反复作用，造成隧道受力不均匀，隧道内部将产生裂缝、渗水，严重时甚至产生混凝土剥离、脱落，形成掉块，损坏铁路隧道接触网，严重危及高速铁路运营安全。对于已经发生大范围掉块，造成严重安全隐患的路段，铁路运营部门要求拆除原有隧道衬砌，并重新铺设新的隧道衬砌。此时，新建隧道衬砌混凝土和钢筋的受力情况如何，是否处于正常应力范围之类，显得尤为重要。

目前，隧道衬砌受力监测主要采用人工监测方式。施工过程中，在衬砌钢筋混凝土内部埋设钢筋计和应变计，并在完成混凝土浇筑后，安排人员每天对钢筋计和应变计的度数采集1-2次。这种方法存在以下缺陷：

(1) 采集点数限制。人工监测方式选择有限断面，每个断面设置1-2个节点，不能有效代表隧道整体变形情况；

(2) 采集频率太小。人工监测方式每天采集1-2次隧道衬砌受力数据，由于隧道变形，特别是山体滑坡变形作用下，存在突发性，人工监测方式不能实时反应隧道受力状态变化情况。

(3) 铁路运营规律时间限制。我国高速铁路采用垂直运营天窗，作业时间短，人工监测方式只适合于建设期隧道应力状态监测，不适合于运营期隧道应力状态监测。

所以，开展高速铁路隧道拆换段隧道受力状态分析，合理布设隧道混凝土、钢筋受力监测传感器，建立隧道拆换段长期、实时监测系统，是满足高速铁路现代化运维，保障铁路运营安全的重要内容。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种隧道拆换段受力监测装置与系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种隧道拆换段受力监测装置与系统，包括隧道拱墙衬砌，在所述隧道拱墙衬砌包括有三个断面，三个断面为外层钢筋应力断面，内层钢筋应力断面和混凝土应力断面；

所述三个断面上均包括有九个传感器测点，传感器的测点位置分别位于拱顶、左拱腰，左拱脚，左墙腰，左墙脚，右拱腰，右拱脚，右墙腰，右墙脚；

所述拱顶对应测点0、左拱腰对应测点Z1，左拱脚对应测点Z2，左墙腰对应测点Z3，左墙脚对应测点Z4，右拱腰对应测点R1，右拱脚对应测点R2，右墙腰对应测点R3，右墙脚对应测点R4。

优选的，所述混凝土应力断面位于拆换后的衬砌表面，混凝土应变计以45°角固定在环向钢筋和纵连钢筋上，并采用捆扎带固定。

优选的，所述外层钢筋应力断面和内层钢筋应力断面环向钢筋上布置有钢筋应力计，传感器通过延长钢筋延长，在1-1’处分别通过焊接方式固定。

优选的，所述传感器对应的选择为埋入振弦式混凝土应变计，型号为基康BGK-4911，振弦式钢筋应力计钢筋计，型号为基康BGK-4200。

一种隧道拆换段受力监测装置的运行系统，包括传感元件、数据采集、本地控制中心和中心服务器；

所述数据采集包括采集扩展元器件，振弦信号采集器和RS232-光纤转换模块；

所述采集扩展元器件分别与27个传感器连接，获取传感器数据，同时和采集器连接，振弦信号采集器实施采集频率、采集通道等采集策略，并将这些策略转换为电信号发送给扩展元器件，同时接受扩展元器件采集的传感器数据，并从RS232口输出；

最后通过RS232-光纤转换模块将采集器发出的数据通过光信号输出到本地控制中心；

本地控制中心和中心服务器的连接采用无线连接。

优选的，所述本地控制中心主要包括光纤-RS232转换模块和无线传输模块，光纤-RS232转换模块主要将数据采集箱传输过来的光信号转化为RS232电平信号，无线传输模块接收光纤-RS232转换模块数据，并将其上传到中心服务器。

优选的，所述中心服务作用为存储、显示拆换段隧道应力数据，下发拆换段隧道应力监测策略。

本发明的有益效果是：

本发明，阐述了高速铁路隧道拆换段衬砌受力监测内容，分析了衬砌受力监测所需传感器种类、研究了隧道拆换段衬砌应力监测传感器布置的整体方案应布置三层传感器组，提出了每一层传感器布设数量为9个，构建了由传感元件、数据采集、本地控制中心和中心服务器四部分构成的实时监测系统，实现了隧道拆换段衬砌受力状态实时监测。

附图说明

图1为本发明提出的一种隧道拆换段受力监测装置与系统的隧道拆换段衬砌应力监测示意图；

图2为本发明提出的一种隧道拆换段受力监测装置与系统的C3层混凝土应变计固定方案图；

图3为本发明提出的一种隧道拆换段受力监测装置与系统的C2层混钢筋应力计固定方案图；

图4为本发明提出的一种隧道拆换段受力监测装置与系统的系统构架示意图。

图中：1测点Z4、2测点Z3、3测点Z2、4测点Z1、5测点0、6测点R1、7测点R2、8测点R3、9测点R4、10混净土应力计、11环向钢筋、12纵连钢筋、13传感器延长钢筋、14传感器、15隧道拱墙衬砌。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

实施例：参照图1-4，一种隧道拆换段受力监测装置，本发明分为两个方面：隧道拆换段衬砌受力监测传感器14布设方案和隧道受力状态实时监测系统；

（1）隧道衬砌拆换段结构

隧道衬砌拆换时，首先，去除原有衬砌，重新铺设防水土工布。

其次，在土工布的基础上，布设内外两层钢筋网。钢筋网布设时，先沿隧道环向布设间隔为10厘米的外层环向钢筋11，并采用纵连钢筋12将多个外层环向钢筋11连接；再沿隧道环向布设间隔为10厘米的内层环向钢筋11，并采用纵连钢筋12将多个内层环向钢筋11连接；同时采用钢筋将内外两层钢筋网连接；

最后，按照预拆换衬砌厚度，在内层钢筋网表面支模，并浇筑C40混凝土形成新的隧道衬砌表面。

（2）传感器14布设方案

监测物理量包括外力作用下混凝土的受拉/受压应力和钢筋的受拉/受压应力。采用的传感器14分别为：埋入振弦式混凝土应变计(基康BGK-4911)和振弦式钢筋应力计钢筋计(基康BGK-4200)。

传感器14布设方案分为整体布设方案和局部单个传感器14布设方案：

1)整体布设方案

隧道拆换段衬砌受力监测传感器14整体布设方案如说明书附图的图1所示。传感器14分为三个断面布置，从外到内分别为：外层钢筋应力断面（表示为C1）、内层钢筋应力断面（表示为C2）和混凝土应力断面（表示为C3）。

每个断面包含9个传感器14测点，分布位置分别如说明书附图中图1所示：测点0、Z1、Z2、Z3、Z4、R1、R2、R3和R4。测点0位于隧道中心，称为拱顶，其余测点间的间距为27°33’。分别称为Z1—左拱腰，Z2—左拱脚，Z3—左墙腰，Z4—左墙脚，R1—右拱腰，R2—右拱脚，R3—右墙腰，R4—右墙脚。

2）混凝土应变计固定方案

混凝土受力监测在断面C3进行，固定方案如说明书附图中图2所示。C3断面位于拆换后的衬砌表面，将混凝土应变计以45°角(1-1’)固定在环向钢筋11和纵连钢筋12上，固定方式用捆扎带固定，保持混凝土应力计的两端处于自由状态。混凝土应变计中心位置应与图1中测点（测点0、Z1、Z2、Z3、Z4、R1、R2、R3和R4）位置重合。

3）钢筋应力计固定方案

钢筋应力计布置在C1断面和C2断面环向钢筋11上，如图3所示。传感器14通过延长钢筋延长，再在1-1’处分别通过焊接方式固定。钢筋应力计中心位置应与图1中测点（测点0、Z1、Z2、Z3、Z4、R1、R2、R3和R4）位置重合。

一种隧道拆换段受力监测系统，包括传感元件、数据采集、本地控制中心和中心服务器；

数据采集部分包括采集扩展元器件（CEM20），振弦信号采集器（DT85G）和RS232-光纤转换模块（UT-277），传感元件分为3个断面，每个断面9个传感器14，具体布置方案如说明书附图中图1所示；

采集扩展元器件分别与27个传感器14连接，获取传感器14数据，同时和采集器连接，振弦信号采集器实施采集频率、采集通道等采集策略，并将这些策略转换为电信号发送给扩展元器件，同时接受扩展元器件采集的传感器14数据，并从RS232口输出，最后通过RS232-光纤转换模块将采集器发出的数据通过光信号输出到本地控制中心；

本地控制中心和中心服务器的连接采用无线连接，本地控制中心主要包括光纤-RS232转换模块和无线传输模块，光纤-RS232转换模块主要将数据采集箱传输过来的光信号转化为RS232电平信号，无线传输模块接收光纤-RS232转换模块数据，并将其上传到中心服务器；

中心服务作用为存储、显示拆换段隧道应力数据，下发拆换段隧道应力监测策略。

本发明阐述了高速铁路隧道拆换段衬砌受力监测内容，分析了衬砌受力监测所需传感器14种类、研究了隧道拆换段衬砌应力监测传感器14布置的整体方案应布置三层传感器14组，提出了每一层传感器14布设数量为9个，位置分别位于拱顶、左拱腰，左拱脚，左墙腰，左墙脚，右拱腰，右拱脚，右墙腰，右墙脚，构建了由传感元件、数据采集、本地控制中心和中心服务器四部分构成的实时监测系统，实现了隧道拆换段衬砌受力状态实时监测；

该发明对隧道拆换段衬砌的受力实时监测，及时评价隧道受力状态，保障高速铁路隧道运营安全具有重要作用；

本发明分析了高速铁路隧道拆换段衬砌受力状况监测的传感器14种类、监测断面数和传感器14布置方案问题，提出了高速铁路隧道拆换段衬砌实时监测系统；该发明对隧道拆换段衬砌受力实时监测，及时评价隧道受力状态，保障高速铁路隧道运营安全具有重要作用。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种隧道拆换段受力监测装置，包括隧道拱墙衬砌（15），其特征在于，在所述隧道拱墙衬砌（15）包括有三个断面，三个断面为外层钢筋应力断面，内层钢筋应力断面和混凝土应力断面；

所述三个断面上均包括有九个传感器（14）测点，传感器（14）的测点位置分别位于拱顶、左拱腰，左拱脚，左墙腰，左墙脚，右拱腰，右拱脚，右墙腰，右墙脚；

所述拱顶对应测点0（5）、左拱腰对应测点Z1（4），左拱脚对应测点Z2（3），左墙腰对应测点Z3（2），左墙脚对应测点Z4（1），右拱腰对应测点R1（6），右拱脚对应测点R2（7），右墙腰对应测点R3（8），右墙脚对应测点R4（9）。

2.根据权利要求1所述的一种隧道拆换段受力监测装置，其特征在于，所述混凝土应力断面位于拆换后的衬砌表面，混凝土应变计以45°角固定在环向钢筋（11）和纵连钢筋（12）上，并采用捆扎带固定。

3.根据权利要求1所述的一种隧道拆换段受力监测装置，其特征在于，所述外层钢筋应力断面和内层钢筋应力断面环向钢筋（11）上布置有钢筋应力计，传感器（14）通过延长钢筋延长，在1-1’处分别通过焊接方式固定。

4.根据权利要求1所述的一种隧道拆换段受力监测装置，其特征在于，所述传感器（14）对应的选择为埋入振弦式混凝土应变计，型号为基康BGK-4911，振弦式钢筋应力计钢筋计，型号为基康BGK-4200。

5.根据权利要求1所述的一种隧道拆换段受力监测装置的运行系统，其特征在于，包括传感元件、数据采集、本地控制中心和中心服务器；

所述采集扩展元器件分别与27个传感器（14）连接，获取传感器（14）数据，同时和采集器连接，振弦信号采集器实施采集频率、采集通道等采集策略，并将这些策略转换为电信号发送给扩展元器件，同时接受扩展元器件采集的传感器（14）数据，并从RS232口输出；

本地控制中心和中心服务器的连接采用无线连接。

6.根据权利要求5所述的一种隧道拆换段受力监测装置的运行系统，其特征在于，所述本地控制中心主要包括光纤-RS232转换模块和无线传输模块，光纤-RS232转换模块主要将数据采集箱传输过来的光信号转化为RS232电平信号，无线传输模块接收光纤-RS232转换模块数据，并将其上传到中心服务器。

7.根据权利要求5所述的一种隧道拆换段受力监测装置的运行系统，其特征在于，所述中心服务作用为存储、显示拆换段隧道应力数据，下发拆换段隧道应力监测策略。