CN111102011A - 一种盾构隧道管片沉降监测报警系统及监测报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构隧道管片沉降监测报警系统，包括监测系统和报警系统；监测系统包括孔隙水压力传感器、第一位移传感器及数据采集仪；孔隙水压力传感器设于隧道不同位置的土体中；第一位移传感器设于隧道管片外表面及管片外土体间；孔隙水压力传感器及第一位移传感器通过有线或无线方式与数据采集仪连接；报警系统包括报警控制器、报警器及显示异常区域位置的报警地图；报警控制器接收来自监测系统的信号，输出信号至报警器及报警地图。本发明还公开了一种盾构隧道管片沉降监测报警方法。本发明可以在线监测隧道管片沉降及土体液化状况，并通过数据采集仪及时将检测结果发送给警报控制器，由警报控制器及时发出报警信号通知相关人员采取措施。

Description

一种盾构隧道管片沉降监测报警系统及监测报警方法

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道领域，特别涉及一种盾构隧道管片沉降监测报警系统及监测报警方法。

背景技术

目前，当前城市地铁隧道普遍采用盾构法施工，但随着盾构施工过程中遇到的地层越来越复杂，对盾构施工技术提出了更高的要求。

盾构施工过程中，容易发生管片沉降。引起隧道管片沉降的原因很多，来自管片外的原因主要有地质因素、周边复杂环境及地面载荷变化显著等方面，岩层风化程度和单轴抗压强度变化大，沿线地层变化剧烈，地下水丰富，以及一些隧道周边建筑的施工等。来自管片内的原因包括管片的接缝处、注浆孔及管片局部碎裂造成渗漏等。尤其是在特殊地层条件下，如隧道底部为在震动作用下易液化的粉细砂地层，更易发生隧道管片沉降。

以上这些原因造成的管片沉降，容易造成成型隧道管片破损、错台、渗水、漏砂及姿态超限等质量、安全问题。从而影响隧洞成型质量以及后期通车运行的安全。

目前对管片沉降的检测，采取在各个施工阶段局部检测的方式，不能及时发现管片沉降的趋势，并及时进行对策。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种综合检测地下结构抗震特性的盾构隧道管片沉降监测报警系统及监测报警方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种盾构隧道管片沉降监测报警系统，包括监测系统和报警系统；所述监测系统包括孔隙水压力传感器、第一位移传感器及数据采集仪；所述孔隙水压力传感器用于测量土体内部的渗透水压力，其设于隧道不同位置的土体中；所述第一位移传感器用于检测隧道管片与管片外土体间的相对位移，其设于隧道管片外表面及管片外土体间；所述孔隙水压力传感器及所述第一位移传感器通过有线或无线方式与所述数据采集仪连接；所述报警系统包括报警控制器、报警器及显示异常区域位置的报警地图；所述报警控制器接收来自所述监测系统的信号，输出信号至所述报警器及所述报警地图。

进一步地，环绕盾构隧道周向均布8个所述孔隙水压力传感器。

进一步地，沿隧道轴向均布多个检测方向垂直于水平面的第一位移传感器，均布间距1至10米。

进一步地，所述第一位移传感器为回弹式LVDT位移传感器。

进一步地，所述监测系统还包括第二位移传感器；所述第二位移传感器用于检测盾构隧道管片间的相对位移；所述第二位移传感器的固定部设于两个相接的盾构隧道管片的相对端面上；所述第二位移传感器通过有线或无线方式与所述数据采集仪连接。

进一步地，在两个相接的盾构隧道管片的相对端面上，周向均布8个检测方向平行于隧道管片轴线的第二位移传感器。

进一步地，所述第二位移传感器为回弹式LVDT位移传感器。

进一步地，所述报警地图根据隧道的实际地图绘制，其上标注隧道各个监测点的位置，当某个检测点处检测结果异常时；所述报警控制器输出对应的信号，使报警地图中相应位置的标注点显示为异常状态。

进一步地，所述报警地图为电子报警地图。

本发明还提供了一种利用上述的盾构隧道管片沉降监测报警系统的盾构隧道管片沉降监测报警方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，安装固定第一位移传感器；拼装隧道管片；

步骤二，将孔隙水压力传感器通过管片中的二次注浆孔埋设在土体中；

步骤三，将第一位移传感器和孔隙水压力传感器与数据采集仪连接；

步骤四，数据采集仪采集信号并处理，其将处理后的信号发送至报警控制器；

步骤五，报警控制器对数据采集仪采集的信号进一步处理分析；其将监测结果与设定的临界值进行比较；当监测结果超过设定的临界值时；输出信号至报警器及报警地图，使报警器启动报警，使报警地图显示异常的区域位置。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明将多个孔隙水压力传感器埋设于盾构隧道不同位置的土体中；在盾构隧道管片外表面及管片外土体间，预埋用于检测盾构隧道管片与管片外土体间的相对位移的第一位移传感器等；将孔隙水压力传感器及第一位移传感器等测量传感器通过有线或无线方式与数据采集仪连接；由数据采集仪在线实时采集盾构隧道不同位置的土体内部的渗透水压力及盾构隧道管片与管片外土体间的相对位移。可提供盾构隧道在建设及使用过程中的土体内部的渗透水压力及盾构隧道管片与管片外土体间的相对位移在线实时及历史数据。

本发明可以在线监控隧道土体液化状况以及隧道管片沉降状况，并通过数据采集仪及时将检测结果发送给警报控制器，监测中检测结果出现异常时，由警报控制器及时发出报警信号；使隧道安全监测人员等相关人员，可以在最短的时间内采取相应措施进行处置。大量的历史数据还可为后续的工程提供参考和评估。

附图说明

图1是本发明的一种盾构隧道管片沉降监测报警系统结构示意图。

图中：1、第二位移传感器；2、孔隙水压力传感器；3、数据采集仪；4、报警控制器；5、报警器；6、报警地图；7、监测点；8、隧道；9、管片。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种盾构隧道管片沉降监测报警系统，包括监测系统和报警系统；所述监测系统包括孔隙水压力传感器2、第一位移传感器及数据采集仪3；所述孔隙水压力传感器2用于测量土体内部的渗透水压力，其设于隧道8不同位置的土体中；所述第一位移传感器用于检测隧道管片9与管片9外土体间的相对位移，其设于隧道管片9外表面及管片9外土体间；所述孔隙水压力传感器2及所述第一位移传感器通过有线或无线方式与所述数据采集仪3连接；所述报警系统包括报警控制器4、报警器5及显示异常区域位置的报警地图6；所述报警控制器4接收来自所述监测系统的信号，输出信号至所述报警器5及所述报警地图6。

利用孔隙水压力传感器2对隧道8结构处土体孔隙水压力进行检测，以便在发生隧道地震引起土体液化时能在第一时间检测出来，并通过数据采集仪3及时将检测结果发送给报警控制器4，由报警控制器4及时发出报警信号；使隧道安全监测人员，可以在最短的时间内采取相应措施来减少人员伤亡。大量的历史数据还可为后续的工程提供参考和评估。

所述孔隙水压力传感器2及所述第一位移传感器通过无线方式与所述数据采集仪3连接时；可减少大量布线。

进一步地，为检测盾构隧道8不同位置的土体渗透水压力，使测量数据更精确，可环绕盾构隧道8周向均布8个所述孔隙水压力传感器2。

位移传感器一般包括固定部和可移动的移动部，位移传感器的读数随固定部和移动部相对位移的距离而线性变化。位移传感器的固定部可安装在相互产生位移的两物体中的其中一个物体上；而移动部或固定在另一物体上；或与另外一个物体相抵；当两物体相对移动产生位移时；移动部与固定部间的相对位移量由位移传感器检测出来；移动部与固定部间的位移量也就是两物体之间相互产生的位移量。可移动的移动部也可以是位移传感器检测目标物体位移量时，置于目标物体上用于与固定部配合产生位移信号的配合装置。

所述第一位移传感器的固定部可设置在管片9外土体内，比如可安装在嵌入土体内的刚性支撑环上；如果第一位移传感器是分体的位移传感器，分体的位移传感器包括固定部和与固定部相对移动的移动部，可将与第一位移传感器的移动部设置在管片9外表面；第一位移传感器检知的固定部和移动部之间的相对位移即为盾构隧道管片9与管片9外土体间的相对位移。如果第一位移传感器是回弹式一体位移传感器，则使其伸缩位移探测头部与管片9外表面相接触。位移探测头部伸缩的位移变化量即为盾构隧道管片9与管片9外土体间的相对位移。

所述第一位移传感器的检测信号发送方式可为有线或无线方式；所述第一位移传感器可通过有线或无线方式与所述数据采集仪3连接。无线方式减少了大量布线。

第一位移传感器的检测方向可垂直于水平面，也可以沿盾构隧道管片9的径向方向，设置第一位移传感器为了检测盾构隧道管片9相对管片9外土体的上浮或沉降，以及隧道管片9相对管片9外土体横向位移等。

可沿隧道8轴向均布多个检测方向垂直于水平面的第一位移传感器，均布间距1至10米。便于获取沿隧道管片9轴向的多个位置处，隧道管片9相对管片9外土体的上浮或沉降。

所述第一位移传感器可为电容位移传感器或电感位移传感器。这两种位移传感器结构简单，可测量微小位移。

所述第一位移传感器可为回弹式LVDT位移传感器。这种位移传感器安装简单。

进一步地，所述监测系统还包括第二位移传感器1；所述第二位移传感器1用于检测盾构隧道管片9间的相对位移；所述第二位移传感器1的固定部设于两个相接的盾构隧道管片9的相对端面上；所述第二位移传感器1通过有线或无线方式与所述数据采集仪3连接。

如果第二位移传感器1是分体的位移传感器，分体的位移传感器包括固定部和与固定部相对移动的移动部，分体的第二位移传感器1的固定部和移动部可分别对应设于两个相接的盾构隧道管片9的相对端面上；第二位移传感器1检知的固定部和移动部之间的相对位移即为两个相接的盾构隧道管片9间的相对位移。如果第二位移传感器1是回弹式一体位移传感器，则可将第二位移传感器1的固定部设于两个相接的盾构隧道管片9的其中一个端面上，使其伸缩位移探测头部与另一个盾构隧道管片9的端面相接触。其位移探测头部伸缩的位移变化量即为两个相接的盾构隧道管片9间的相对位移。

所述第二位移传感器1的检测信号发送方式可为有线或无线方式；所述第二位移传感器1可通过有线或无线方式与所述数据采集仪3连接。无线方式减少了大量布线。

第二位移传感器1的检测方向可平行于或垂直于盾构隧道管片9轴线，设置第二位移传感器1为了检测盾构隧道管片9间的相对轴向和径向位移等。

可在两个相接的盾构隧道管片9的相对端面上，周向均布8个检测方向平行于隧道管片9轴线的第二位移传感器1。便于精度测量两个相接的盾构隧道管片9的相对端面各个位置在水平方向的缝隙变化。

所述第二位移传感器1可为电容位移传感器或电感位移传感器。这两种位移传感器结构简单，可测量微小位移。

所述第二位移传感器1可为回弹式LVDT位移传感器。这种位移传感器安装简单。

所述报警系统包括报警控制器4、报警器5及显示异常区域位置的报警地图6；所述报警控制器4接收来自所述监测系统的信号，其将输入的信号与设定的阈值进行比较；输出对应的信号，使所述报警器5发出警报；使报警地图6对应异常相应位置的监测点7发出异常状态的信息，从而警示作业者及其他人员，并提供更多的异常内容，便于作业者应对异常给与及时处置。

所述报警地图6可根据隧道8的实际地图绘制，其上可标注隧道8各个监测点7的位置，当某个监测点7处的检测结果不在正常范围值内，即检测结果异常时；所述报警控制器4输出对应的信号，可使报警地图6中相应位置的监测点7的图形或指示灯显示为异常状态，比如报警地图6中相应位置的监测点7可出现闪烁的指示灯或预示危险的红灯；还可以根据异常的等级；用不同的方式显示；比如不同颜色区分异常的等级；还可以显示数值等异常信息。

所述报警地图6可以用印刷的地图作为背景，在印刷的地图上设置监测点7的指示灯；用指示灯显示异常的状态。

所述报警地图6还可为电子报警地图6。所述报警地图6可模拟隧道8的实际地图，制作电子报警地图，然后采用组态软件设置各种异常显示图标，如指示灯、柱形图、折线图等，还可以显示实时检测数值等。电子报警地图6的显示内容可多样，指示的内容更丰富，便于操作人员辨识异常的内容。

所述报警器5可为声光报警器。通过声光信号警示作业者发现异常，提示作业者及时处置异常。

报警控制器4可采用工控机、可编程控制器、单片机等控制器；工控机、可编程控制器、单片机等控制器，以及孔隙水压力传感器2、第一位移传感器、第二位移传感器1、数据采集仪3等装置均可采用现有技术中的适用产品。工控机、可编程控制器、单片机等控制系统可采用现有技术中的方法，对报警器5及所述报警地图6等装置进行控制。

本发明还提供了一种利用上述的盾构隧道管片沉降监测报警系统的盾构隧道管片沉降监测报警方法实施例，该方法包括如下步骤：

步骤一，安装固定第一位移传感器；拼装隧道管片9；

步骤二，将孔隙水压力传感器2通过管片9中的二次注浆孔埋设在土体中；

步骤三，将第一位移传感器和孔隙水压力传感器2与数据采集仪3连接；

步骤四，数据采集仪3采集信号并处理，其将处理后的信号发送至报警控制器4；

步骤五，报警控制器4对数据采集仪3采集的信号进一步处理分析；其将监测结果与设定的临界值进行比较；当监测结果超过设定的临界值时；输出信号至报警器5及报警地图6，使报警器5启动报警，使报警地图6显示异常的区域位置。

下面结合本发明的一个优选实施例来说明本发明的工作原理及工作流程：

一种盾构隧道管片沉降监测报警系统，包括监测系统和报警系统；所述监测系统包括孔隙水压力传感器2、第一位移传感器及数据采集仪3；所述孔隙水压力传感器2设于隧道8不同位置的土体中；所述第一位移传感器设于隧道管片9外表面及管片9外土体间；所述孔隙水压力传感器2及所述第一位移传感器通过有线或无线方式与所述数据采集仪3连接；所述报警系统包括报警控制器4、报警器5及显示异常区域位置的报警地图6；所述报警控制器4接收来自所述监测系统的信号，输出信号至所述报警器5及所述报警地图6。

孔隙水压力传感器2可采用美国OMEGA公司生产的PX409-2.5GV压力传感器，第一位移传感器、第二位移传感器1均可采用美国OMEGA公司生产的笔状回弹式LVDT位移传感器，数据采集仪3可采用美国OMEGA公司生产的DP41-8数据采集仪。

所述报警地图6为模拟隧道8的实际地图绘制的电子报警地图6，然后采用组态软件设置各种异常显示图标，如指示灯、柱形图、折线图等，还可以显示实时检测数值，所述报警器5可为声光报警器5。

报警控制器4选用工控机；工控机(Industrial Personal Computer，IPC)即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机主板、CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。

利用上述的盾构隧道管片沉降监测报警系统的盾构隧道管片沉降监测报警方法实施例，该方法包括如下步骤：

1、将第一位移传感器预埋在盾构隧道管片9结构的钢筋笼内,固定之后，浇筑混凝土；在土体中预埋设8个第一位移传感器，分别从隧道8拱顶开始每隔45°设置一个第一位移传感器。

2、进行盾构隧道管片9结构拼装；

3、将孔隙水压力传感器2通过管片9中的二次注浆孔埋设在土体中；

4、将第一位移传感器、孔隙水压力传感器2及报警控制器4分别与数据采集仪3连接；

5、数据采集仪3采集孔隙水压力传感器2、第一位移传感器等检测装置的检测信号，进行初步处理，包括A/D转换、数据校准等；数据采集仪3将处理后的信号发送给报警控制器4；报警控制器4对输入的信号进一步处理分析；其将监测结果与设定的临界值进行比较；当监测结果超过设定的临界值时；发出信号至报警器5及报警地图6，使报警器5启动报警，使报警地图6显示异常的区域位置。

比如,发生地震时，孔隙水压力传感器2和第一位移传感器将信号传到数据采集仪3，数据采集仪3将处理后的信号发送给报警控制器4；报警控制器4通过对数据分析，判断隧道管片9是否发生了上浮，一但发现有隧道管片9上浮的迹象，其连接的报警器5及报警地图6会立刻发出报警信号。

临界值的设定标准可根据施工标准和国家标准制定；也可根据企业内部规定编制。

比如所述判定液化的标准可为：当数据采集仪3孔隙水压力的监测值减去初始孔隙水压力，然后与初始有效应力的比值接近于1时，认为土体发生液化。所述报警器5报警的标准为：孔隙水压力传感器2的监测值减去初始孔隙水压力，然后与初始有效应力的比值接达到0.7时，或位移传感器返回的平均位移量达到5mm时，报警控制器4发出信号至报警器5及报警地图6，使报警器5启动报警，以警示民众快速撤离。

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,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，包括监测系统和报警系统；所述监测系统包括孔隙水压力传感器、第一位移传感器及数据采集仪；所述孔隙水压力传感器用于测量土体内部的渗透水压力，其设于隧道不同位置的土体中；所述第一位移传感器用于检测隧道管片与管片外土体间的相对位移，其设于隧道管片外表面及管片外土体间；所述孔隙水压力传感器及所述第一位移传感器通过有线或无线方式与所述数据采集仪连接；所述报警系统包括报警控制器、报警器及显示异常区域位置的报警地图；所述报警控制器接收来自所述监测系统的信号，输出信号至所述报警器及所述报警地图。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，环绕盾构隧道周向均布8个所述孔隙水压力传感器。

3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，沿隧道轴向均布多个检测方向垂直于水平面的第一位移传感器，均布间距1至10米。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，所述第一位移传感器为回弹式LVDT位移传感器。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，所述监测系统还包括第二位移传感器；所述第二位移传感器用于检测盾构隧道管片间的相对位移；所述第二位移传感器的固定部设于两个相接的盾构隧道管片的相对端面上；所述第二位移传感器通过有线或无线方式与所述数据采集仪连接。

6.根据权利要求5所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，在两个相接的盾构隧道管片的相对端面上，周向均布8个检测方向平行于隧道管片轴线的第二位移传感器。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，所述第二位移传感器为回弹式LVDT位移传感器。

8.根据权利要求1所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，所述报警地图根据隧道的实际地图绘制，其上标注隧道各个监测点的位置，当某个检测点处检测结果异常时；所述报警控制器输出对应的信号，使报警地图中相应位置的标注点显示为异常状态。

9.根据权利要求8所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统，其特征在于，所述报警地图为电子报警地图。

10.一种利用权利要求1至9任一所述的盾构隧道管片沉降监测报警系统的盾构隧道管片沉降监测报警方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，安装固定第一位移传感器；拼装隧道管片；

步骤二，将孔隙水压力传感器通过管片中的二次注浆孔埋设在土体中；

步骤三，将第一位移传感器和孔隙水压力传感器与数据采集仪连接；

步骤四，数据采集仪采集信号并处理，其将处理后的信号发送至报警控制器；

步骤五，报警控制器对数据采集仪采集的信号进一步处理分析；其将监测结果与设定的临界值进行比较；当监测结果超过设定的临界值时；输出信号至报警器及报警地图，使报警器启动报警，使报警地图显示异常的区域位置。

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