CN111720169B - 一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置及监测方法，属于隧道工程施工技术领域。隧道衬砌拱顶脱空监测装置包括电连接的监测主体设备、信号传输设备以及信号接收处理设备，其中，监测主体设备包括内置姿态传感器的空心类岩石外壳，该类岩石外壳与混凝土粗骨料尺寸及形貌结构相同，能够置于混凝土浆液、在衬砌浇注过程中随混凝土浆液流动。浇注过程中，通过观察监测主体设备在衬砌结构中的运动轨迹，可精确还原混凝土浇筑中浆液的流动方向和最终到达的位置，克服了现有靠经验方法判断的盲目性；而且浇注完成后留在混凝土中，可对到达龄期前的混凝土进行实时监测，及时发现局部脱空情况进而及时进行补浆，为衬砌结构的补强创造条件。

Description

一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置及监测方法，属于隧道工程施工技术领域。
背景技术
一直以来，隧道建设饱受衬砌脱空问题的困扰。隧道衬砌脱空导致的工程灾害问题屡见报道。衬砌脱空导致的隧道工程问题表现在：(1)加剧衬砌及内部钢筋腐蚀，降低支护能力；(2)衬砌松动脱落，危及行车安全；(3)在严寒地区导致隧道的冻害等。衬砌脱空的监控及预防，直接关系到隧道的运营安全和使用年限。
衬砌脱空发生的主要原因是：(1)混凝土流动性欠佳或泵送压力不足，导致混凝土无法达到指定浇筑位置；(2)钢筋过密导致混凝土难以到达远离泵口位置；(3)混凝土凝固收缩造成与支护结构分离；(4)施工工艺等原因，例如防水层铺挂过紧，模板封口反流等。
对于隧道衬砌拱顶脱空问题，大多按经验、或插管、或拱顶预留溢浆孔并根据泵车油压表压力等判断拱顶浇筑是否密实，具有很大的随意性。对于脱空的监测，一般采用地质雷达扫描并回填注浆治理。但是地质雷达的监测精度受环境干扰较大，容易受到钢筋网密度，雷达天线贴合度等的影响。此外，地质雷达只能在混凝土达到期龄后进行，即使检测出孔洞，也难以对衬砌结构补强，衬砌结构的整体性遭到破坏。
因此，针对隧道衬砌拱顶脱空问题，亟需研发一种实时监测方法，在混凝土浇筑时能够实时感知混凝土是否浇筑密实，并在混凝土达到期龄前对衬砌结构密实度进行预判，为衬砌结构补强创造条件，最大限度地满足衬砌施工质量要求。
发明内容
发明目的：针对现有脱空监测方法存在的问题，本发明提供一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置，并提供一种基于该监测装置的隧道衬砌拱顶脱空监测方法。
技术方案：本发明所述的一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置，包括依次电连接的监测主体设备、信号传输设备以及信号接收处理设备，其中，监测主体设备包括类岩石外壳，其与隧道工程现场的混凝土粗骨料尺寸及形貌结构相同，能够置于混凝土浆液、在衬砌浇注过程中随混凝土浆液流动；该类岩石外壳为空心结构，其内置能够获取类岩石外壳实时三维运动姿态的姿态传感器。
其中，姿态传感器可包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计等运动传感器。信号传输设备可为低功耗的蓝牙芯片，信号接收处理设备可为装有蓝牙接收器的手机或工业电脑。
上述监测主体设备、信号传输设备、信号接收处理设备优选通过无线传输电连接，可实现远程传输和监测。
本发明所述的基于上述监测装置的隧道衬砌拱顶脱空监测方法，包括如下步骤：
(1)选取隧道工程现场具有代表性的混凝土粗骨料，根据其三维形貌3D打印出空心的类岩石外壳，将姿态传感器置于该类岩石外壳中并密封，得到监测主体设备；
(2)将监测主体设备与信号传输设备及信号接收处理设备电连接并校准；
(3)将隧道工程现场的衬砌三维结构导入信号接收处理设备中；
(4)将监测主体设备释放在混凝土浆液中，采用带模注浆技术进行拱顶混凝土浇筑，浇注过程中，通过信号接收处理设备观察类岩石外壳在衬砌结构中的运动轨迹及实时位置；
(5)注浆完成后，将衬砌拱顶模板封口，继续监测类岩石外壳的位置与形态，直至混凝土达到期龄。
上述步骤(1)中，可采用三维激光扫描仪获取所述混凝土粗骨料的三维形态，将获得的数据导入3D打印机，采用pc材料打印成类岩石外壳。
上述步骤(2)中，校准可包括加速度校准、磁场校准、角速度校准、高度置零等。
优选的，步骤(4)中，浇注时，可根据总浇注时间在混凝土浆液中平均释放10～20个监测主体设备，释放即为直接将监测主体设备置于混凝土浆液中。注浆过程中，当观察到所有类岩石外壳的位置及姿态不再发生变化时，停止注浆。
步骤(5)中，在混凝土达到期龄前，若信号接收处理设备显示某一监测主体设备的位置及姿态明显发生改变，表明局部产生脱空，需要进行补浆。
为保证监测的准确性及长期稳定性，浇注过程中，可调整姿态传感器的信号输出频率为最大值；待衬砌拱顶模板封口后，调低姿态传感器的信号输出频率为最小值，以节约电量，使其在混凝土到达期龄前能够保持实时数据输出。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明的监测装置采用与粗骨料形貌尺寸近似的类岩石外壳携载姿态传感器，该类岩石外壳可释放在混凝土浆液中，在浇注过程中随混凝土流动，通过观察释放的监测主体设备在衬砌结构中的运动轨迹，精确还原了隧道衬砌拱顶混凝土浇筑中浆液的流动方向及最终到达的位置，对于远离泵口处是否充满混凝土浆液一目了然，克服了现有靠经验方法判断的盲目性；(2)浇注完成后，本发明的监测主体设备可留在混凝土衬砌结构中，对浇筑完成后的混凝土进行实时监测，及时发现局部脱空情况进而及时进行补浆，为衬砌结构的补强创造条件；(3)本发明的监测装置具有环境干扰小，精度高的优点，即使在恶劣的环境下也亦然可正常使用，并且只需要采用手机app或工业计算机输出数据即可，操作简单方便。
附图说明
图1为本发明的隧道衬砌拱顶脱空监测装置在监测过程中的信号传输路线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置，包括监测主体设备、信号传输设备3和信号接收处理设备4，三者依次电连接，如可采用无线传输电连接，通过无线传输远程监测，传输距离可高达10米。
其中，监测主体设备为内置姿态传感器2的空心类岩石外壳1，该类岩石外壳1与隧道工程现场的混凝土粗骨料尺寸及形貌结构相同。类岩石外壳1可通过3D打印制得，其制作方法具体为：选取有代表性的混凝土粗骨料，采用三维激光扫描仪获取粗骨料的外形，然后将获取的粗骨料外形数据导入3D打印机，采用pc材料打印相同尺寸及形貌的类岩石外壳。姿态传感器2监测类岩石外壳1的实时三维运动姿态，可包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计运动传感器等，其可为高精度的陀螺仪、加速度计、欧拉角、地磁场传感器等的集成触感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出类岩石外壳的实时运动姿态和运动轨迹。此外，姿态传感器2可采用锂电池供电，能够满足混凝土浇筑时候的高频数据输出以及混凝土浇筑稳定后的低频输出要求。
信号传输设备3用于接收姿态传感器2获取的实时位置及姿态信号，并将接收到的信号传输至信号接收处理设备4，信号接收处理设备4能够接收、输出并显示监测主体设备的实时位置及姿态。具体而言，信号传输设备3可为蓝牙接收芯片，如低功耗蓝牙芯片，信号传输设备3可单独设置，也可在姿态传感器2上集成低功耗蓝牙芯片；相应的，信号接收处理设备4可为具有蓝牙接收器的手机或工业电脑，其可内置监测APP，实时观察注浆过程中及浇注完成后类岩石外壳1的位置及姿态变化。
由于监测主体设备特殊的形状结构，使用时，其能够释放于混凝土浆液中，衬砌浇注过程，监测主体设备随混凝土浆液流动，内置姿态传感器2可实时捕捉其在流动过程中运动姿态及运动轨迹，获取其实时位置和姿态，从而可精确还原隧道衬砌拱顶混凝土浇筑中浆液的流动方向及最终到达的位置，对于远离泵口处是否充满混凝土浆液一目了然，克服现有靠经验方法判断的盲目性。
基于上述监测装置的隧道衬砌拱顶脱空监测方法，具体包括如下步骤：
(1)选取隧道工程现场具有代表性的混凝土粗骨料，根据其三维形貌3D打印出空心的类岩石外壳1，将姿态传感器2置于该类岩石外壳1中并密封，得到监测主体设备；
可采用三维激光扫描仪获取混凝土粗骨料的三维形态，将获得的数据导入3D打印机，采用pc材料打印成类岩石外壳1。然后将制得的类岩石外壳1切开，再将连接调试正常的姿态传感器2放置其中，用胶水密封好，即得监测主体设备。
(2)将监测主体设备与信号传输设备3及信号接收处理设备4电连接并校准；
连接姿态传感器2与信号传输设备3，如蓝牙芯片，以及信号接收处理设备4，如计算机或手机监控APP，进行初始使用校准，包括加速度、磁场、陀螺仪校准，高度置零等。
(3)将隧道工程现场的衬砌三维结构导入信号接收处理设备4中；
将隧道衬砌三维结构导入信号接收处理设备4，如手机监控APP或计算机中，并在监控软件中标注出灌浆孔的位置及监测主体设备投放初始位置坐标。
(4)将监测主体设备释放在混凝土浆液中，采用带模注浆技术进行拱顶混凝土浇筑，浇注过程中，通过信号接收处理设备4观察类岩石外壳1在衬砌结构中的运动轨迹及实时位置；
隧道衬砌拱顶采用带模注浆技术浇筑。浇筑时，根据总的浇筑时间，将10～20个内置姿态传感器2的类岩石外壳1平均释放至拱顶衬砌中。释放的方法为直接将内置姿态传感器2的类岩石外壳1置于混凝土浆液中，随浆液从注浆孔注入。在监测主体设备释放这一刻便开始进行实时数据传输，记录过程中调整姿态传感器2的信号输出频率为最大值，实时传输类岩石外壳1随着混凝土在衬砌中的流动轨迹。若所有内置姿态传感器2的类岩石外壳1位置及姿态不再发生变化，表明此时衬砌拱顶浆液已经注满，停止注浆；此外，根据信号接收处理设备4显示的所有监测主体设备在衬砌三维结构中的分布也可判断衬砌结构是否注满浆液。
(5)注浆完成后，将衬砌拱顶模板封口，继续监测类岩石外壳1的位置与形态，直至混凝土达到期龄。
待模板封口后，将姿态传感器2的信号输出频率调至最低值，以节约电量，保持在混凝土达到期龄前的实时数据输出。在此阶段，若类岩石外壳1的位置及姿态明显发生改变，表明局部产生脱空，进而需要进行补浆。

Claims (6)

1.一种隧道衬砌拱顶脱空监测装置，其特征在于，包括电连接的监测主体设备、信号传输设备以及信号接收处理设备，其中，所述监测主体设备包括类岩石外壳，该类岩石外壳与隧道工程现场的混凝土粗骨料尺寸及形貌结构相同，能够置于混凝土浆液、在衬砌浇注过程中随混凝土浆液流动；所述类岩石外壳为空心结构，其内置能够获取类岩石外壳实时三维运动姿态的姿态传感器；所述姿态传感器包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计；所述姿态传感器在混凝土浇筑时以第一频率数据输出，姿态传感器在混凝土浇筑稳定后以第二频率数据输出，所述第一频率大于第二频率；
利用所述监测装置的隧道衬砌拱顶脱空监测方法包括如下步骤：
(1)选取隧道工程现场具有代表性的混凝土粗骨料，根据其三维形貌3D打印出空心的类岩石外壳，将姿态传感器置于该类岩石外壳中并密封，得到监测主体设备；
(2)将监测主体设备与信号传输设备及信号接收处理设备电连接并校准；
(3)将隧道工程现场的衬砌三维结构导入信号接收处理设备中；
(4)将监测主体设备释放在混凝土浆液中，采用带模注浆技术进行拱顶混凝土浇筑，浇注过程中，通过信号接收处理设备观察类岩石外壳在衬砌结构中的运动轨迹及实时位置，注浆过程中，当观察到所有类岩石外壳的位置及姿态不再发生变化时，停止注浆；
(5)注浆完成后，将衬砌拱顶模板封口，继续监测类岩石外壳的位置与形态，直至混凝土达到期龄，在混凝土达到期龄前，若信号接收处理设备显示某一类岩石外壳的位置及姿态明显发生改变，表明局部产生脱空，需要进行补浆。
2.根据权利要求1所述的隧道衬砌拱顶脱空监测装置，其特征在于，所述信号传输设备为蓝牙芯片，信号接收处理设备为装有蓝牙接收器的手机或工业电脑。
3.根据权利要求1所述的隧道衬砌拱顶脱空监测装置，其特征在于，所述监测主体设备、信号传输设备、信号接收处理设备通过无线传输电连接。
4.根据权利要求1所述的隧道衬砌拱顶脱空监测装置，其特征在于，步骤(2)中，所述校准包括加速度校准、磁场校准、角速度校准、高度置零。
5.根据权利要求1所述的隧道衬砌拱顶脱空监测装置，其特征在于，步骤(4)中，根据总浇注时间在混凝土浆液中平均释放10～20个监测主体设备。
6.根据权利要求1所述的隧道衬砌拱顶脱空监测装置，其特征在于，浇注过程中，调整姿态传感器的信号输出频率为最大值；待衬砌拱顶模板封口后，调低姿态传感器的信号输出频率为最小值，使其在混凝土到达期龄前保持实时数据输出。
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