CN111780717A - 应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于管幕箱函施工的管幕隆沉监测系统及监测方法，涉及管幕箱涵顶进施工技术领域，包括有沿钢管的长度方向等间距粘接固定于钢管内的倾角传感器，倾角传感器串联连接有通讯线；还包括有位于混凝土基层上的控制器，多组穿设出钢管的通讯线与控制器通讯连接，且控制器通讯连接有远端服务器。由倾角传感器测量各监测点位的倾角数据信息，再根据倾角数据信息进行分析的方法，可以有效、稳定、简易且具有较好经济性的实现管幕隆沉的观测作业。

Description

应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及管幕箱涵顶进施工技术领域，尤其是涉及管幕隆沉监测系统及监测方法。

背景技术

箱涵顶进技术作为管幕内顶进箱涵施工技术中的重要内容，其技术原型即为普通的顶管隧道方法。截止目前，箱涵顶进法在亚洲、欧洲、美洲等许多国家和地区都得到了应用。我国最早采用箱涵顶进法的地下通道是1966年施工的天津东风地道桥，上世纪70年代以来，顶进箱涵法在华北、西北、华东等地陆续有了较多的应用。

2004年管幕-箱涵顶进法首次在上海中环线北虹路地道中应用，这是我国第一次引进管幕法施工，也是世界上在饱和含水软土地层中施工的横截面(36.284×9.990m)最大的管幕法工程，箱涵横截面34.20×7.85m，长度126m。

随着科技水平的不断进步以及管幕-箱涵工艺在地下工程成功案例的逐渐增多，管幕- 箱涵工法在国内的应用必将推广，箱涵掘进过程中管幕隆沉特性及变形量研究显得十分迫切和必要，掌握箱涵掘进过程中钢管幕的隆沉情况对类似工程控制其上方环境变化具有重要的指导意义。

在上海田林路地道新建工程施工中，钢管幕内径仅为800mm，采用传统的几何水准测量法观测钢管幕的隆沉不具有可行性，主要是管幕内无法提供立尺及外部架站观测的条件。采用常用的静力水准仪观测管幕隆沉主要存在难以提供稳定基准点的问题，且静力水准仪在管幕狭窄空间内安装较为困难。采用水平固定测斜仪观测管幕隆沉主要存在两个问题：一是其经济成本较高；二是安装难度较大，难度主要在于固定测斜仪的测斜管与管幕内壁的有效固定；测斜管与钢管为线接触，非面接触，即便每隔一段时间采用钢抱箍也难以稳定将两者形成一体结构，因此采用测斜仪观测管幕隆沉的主要问题是其载体难以稳定固定于钢管幕上。综上所述，现有的管幕观测方法存在可改进之处。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测系统，通过由通讯线串联的倾角传感器测量钢管内各监测点位的倾斜角度，并通过控制器和远端服务器收集存储倾角传感器的监测数据信息，以便于监测人员根据倾角数据信息分析得到管幕的隆沉情况，从而获得有效、稳定、简易且具有较好经济性的管幕观测方法。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测系统，包括有沿钢管的长度方向等间距粘接固定于钢管内的倾角传感器，所述倾角传感器串联连接有通讯线；还包括有位于混凝土基层上的控制器，多组穿设出钢管的所述通讯线与控制器通讯连接，且所述控制器通讯连接有远端服务器。

通过采用上述技术方案，监测作业人员预先串联倾角传感器，并将串联后的倾角传感器布置于钢管内，倾角传感器测量的倾角数据信息经由控制器传输存储于远端服务器中，监测人员根据监测得到的数据信息计算分析得到管幕的隆沉情况。由倾角传感器测量各监测点位的倾角数据信息，再根据倾角数据信息进行分析的方法，可以有效、稳定、简易且具有较好经济性的实现管幕隆沉的观测。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述倾角传感器的长和宽分别设置为5cm 和3cm，且所述倾角传感器的监测精度设置为0.02°；钢管的管长和管径分别设置为5000mm 和800mm，在钢管内沿其长度方向等间隔粘接固定有所述倾角传感器，所述倾角传感器的数量设置为17，相邻所述倾角传感器的间距设置为5m。

通过采用上述技术方案，根据钢管的管长和管径大小，布置合适数量的倾角传感器，并使得相邻两传感器的间隔为5m，且倾角传感器的体积小巧，监测精度高，有利于提高各监测点位监测的精度，进而达到提高管幕隆沉分析结果准确性的目的。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述控制器与远端服务器有线通讯连接或无线通讯连接。

通过采用上述技术方案，控制器与远端服务器之间的通讯模式可以根据实际情况进行灵活选择。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在混凝土基层上预设挂钩，且所述通讯线与相对应的挂钩挂设配合。

通过采用上述技术方案，采用挂钩与通讯线挂设的敷设连接方式，既可以有效固定通讯线，又可以起到保护通讯线的作用。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之二在于提供应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测方法，通过倾角传感器串联监测管道内各监测点位的倾角数据，并收集存储倾角数据信息，以便于监测人员根据该数据信息计算分析得到钢管的单次隆沉量和累计隆沉量，进而达到高效、准确、简易的实现观测管幕隆沉情况的目的。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：应用于管幕箱涵施工的管幕沉降监测方法，其特征在于：包括有如下步骤，S1.选取钢管幕顶端的钢管，并清理所选取的钢管的内壁至露出钢结构表面；S2.通讯线等间隔串联倾角传感器，并将串联后的多组倾角传感器粘接固定于所选取的钢管的管壁内顶端，且倾角传感器沿钢管的长度方向粘接固定；S3. 在钢管幕上方的混凝土基础层上架设控制器，并构建倾角传感器和控制器的数据通讯网络； S4.根据倾角传感器定时检测到的角度数据，计算得到各监测点位处的单次沉降量和累计隆沉量。

通过采用上述技术方案，倾角传感器监测测点钢管内各监测点位的实时倾角数据，并通过通讯线传输至控制器，再经由控制器传输至远端服务器，监测人员登录远端服务器查阅、下载倾角数据信息，最后进行计算、分析得到管幕的实时隆沉情况。监测人员根据倾角传感器检测得到的数据信息，计算分析得到钢管的单次隆沉量和累计隆沉量，进而达到高效、准确、简易观测管幕隆沉情况的目的。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在步骤S4中，钢管的垂直总偏量为测段的测试长度与各监测点位处的倾角传感器的测量角度值的乘积之和，且单次隆沉量为本次垂直总偏量与前次垂直总偏量的差值，累计隆沉量为本次垂直总偏量与初始垂直总偏量的差值。

通过采用上述技术方案，利用各监测点位的倾角监测数值与测段的长度的乘积之和计算得到测点钢管的垂直总偏量，并利用不同时间段计算得到的垂直总偏量计算得到单次隆沉量和累计隆沉量，从而达到获知不同时段内的管幕隆沉情况的目的。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在步骤S3中，通讯线与控制器通讯连通，且控制器与远端服务器无线通讯连通，监测人员登录远端服务器查阅、下载监测数据。

通过采用上述技术方案，监测人员可随时登入获取存储于远端服务器内的倾角监测数据值，具有较好的实用性和使用灵活性。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：预先在混凝土基础层上埋设钢挂钩，且在步骤S3中的通讯线与相对应的钢挂钩挂设配合。

通过采用上述技术方案，采用挂设的方式固定通讯线，具有较好的安装便利性和线路铺设稳定性。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

1.由倾角传感器测量各监测点位的倾角数据信息，再根据倾角数据信息进行分析，可以有效、稳定、简易且具有较好经济性的实现管幕隆沉的观测；

2.倾角传感器的平面尺寸较小，易与钢管壁完全接触，真实反应钢管在箱涵掘进过程中的纵向姿态变化；且安装方便，采用胶水粘接固定，遇水浸泡不影响其粘结强度；

3.耐水压能力强，可以达到1MPa，一般外荷碰撞不会影响其使用；

4.测试精度高，单个倾角计的测试精度达到0.02°，将17个传感器以5m间隔串联，置于稳定区域连续采集，各点计算的不同周期高程差异均在1mm范围内；

5.易于实现自动化，倾角传感器通过通讯线串联后再与控制器通讯连接，并采用无线通讯方式将控制器处采集的数据上传至远端服务器；

6.计算分析简便，倾角传感器主要采集钢管幕的纵向倾角，由于测点间距、初始倾角均为已知量，测点处的初始高程即为已知量，根据实时观测的钢管监测点位处的倾角值计算实时高程，实时高程与初始高程之差即为钢管测点处的累计隆沉量，实时高程与上次高程之差即为钢管某测点处的单次隆沉量。

附图说明

图1是主要用于展示倾角传感器、钢管、控制器以及混凝土基层的安装结构示意图；

图2是主要用于展示倾角传感器、控制器以及远端服务器的通讯示意图；

图3是主要用于展示倾角传感器安装位置的示意图；

图4是主要用于展示测点钢管选取位置的示意图；

图5是施工案例中编号为S5的钢管的隆沉历时过程曲线图；

图6是施工案例中编号为S11的钢管的隆沉历时过程曲线图；

图7是施工案例中编号为S14的钢管的隆沉历时过程曲线图；

图8是施工案例中编号为S20的钢管的隆沉历时过程曲线图；

图9是应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测方法的流程框图。

图中，1、倾角传感器；2、通讯线；3、控制器；4、混凝土基层；5、远端服务器；6、挂钩；7、钢管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

结合图1和图2所示，应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测系统，包括有倾角传感器1和控制器3，倾角传感器1又称为倾角计，其预先通过通讯线2串联并粘接固定于被监测的钢管7 的内管壁上，且串联后的倾角传感器1通过通讯线2与控制器3通讯连接。控制器3架设固定于管幕上方的混凝土基层4上，且控制器3通讯连接有远端服务器5，倾角监测数据可存储于远端服务器5内，监测人员可直接登入访问远端服务器5或者通过客户端访问远端服务器5，以获取倾角监测数据，再通过计算、分析获知，施工进程中的管幕的纵向姿态变化情况，进而在箱涵掘进进程中，实时调整顶进压力和速度的施工参数。

结合图1和图3所示，串联后的倾角传感器1利用A、B胶混合粘接固定于测点处钢管7的管壁内顶端，且倾角传感器1沿钢管7的长度方向，以5m的间隔等间距粘接固定。混凝土基层4的下表面预先埋设固定有挂钩6，监测人员在布置完成倾角传感器1后，需要将串联倾角传感器1的通讯线2的接头穿设出钢管7并搭设于相对应的挂钩6上，再通过总线连接各通讯线2，然后与混凝土基层4上表面处的控制器3通讯连接，最后采用无线通讯的方式连接控制器3与远端服务器5，从而构建得到数据采集通讯网络(在图3中，以CG为开头进行编号，代表17个传感器的安装位置)。

如图1所示，控制器3在混凝土基层4上的架设高度不低于1m，防止雨水渗入影响控制器3内的存储元件和采集元件的正常工作。倾角传感器1的长和宽分别设置为5cm和 3cm，且倾角传感器1的监测精度设置为0.02°，体积小巧，便于监测人员在钢管7内进行粘接作业，又不会影响倾角传感器1的安装稳定性，同时可以提高倾角监测的精准度。

下面结合施工案例对本实施例作进一步阐述：

如图4所示，以上海田林路地道新建工程项目为例进行说明。在该项目中，选取管幕的水平顶端的四根钢管7作为测点处的钢管7，即标号为S5、S11、S14以及S20的钢管7，且钢管7的长度均为5000mm，直径均为800mm。

在安装前通过一根RS-485通讯线2串联连接17个倾角传感器1，再将串联后的倾角传感器1粘接固定于钢管7的内管壁顶端位置处，再与混凝土基层4上的控制器3通讯连接，并构建控制器3与远端服务器5的无线网络通讯(图4显示的是在顶进状态下的钢管幕的结构，同时以灰色填充的圆圈位置处代表所选取的编号为S5、S11、S14以及S20的钢管)。

测点处的垂直总偏量的计算公式：

Di＝L sin θ1+Lsin θ2+Lsin θ3+Lsin θ4+Lsin θ5+…+Lsin θi

式中：Di-测点处的垂直总偏量(mm)；

L-测段长度(本项目取5m)；

sin θi倾角正弦值(°)。

测点沉降量计算公式：

Δ本＝Di本-Di前

Δ累＝Di本-Di初

式中：Di本-本次所测测点处的垂直总偏量(mm)；

Di前-前次所测测点处的垂直总偏量(mm)；

Di初—初次所测测点处的垂直总偏量(mm)。

Δ本—本次所测当次沉降量(mm)；

Δ累—本次所测累计沉降量(mm)。

结合图5、6、7、8所示，由上述公式可计算分析得到S5、S11、S14以及S20钢管管幕隆沉历时过程曲线，从中可以看出，顶进初期的顶进压力及速度均偏大，导致四根钢管7 均有不同程度的上抬，挤土效应产生了超静孔隙水，超静孔隙水消散过程中，钢管7周侧土体固结，由于钢管7周侧为粘土，渗透系数小，钢管7缓慢沉降。施工单位根据倾角传感器 1测出的钢管隆沉数据，并根据数据及时调整顶进压力及速度，钢管7的隆沉可以得到较好的控制，首节箱涵顶进中后期未出现明显的隆沉现象，变形曲线总体平缓。

实施例二：

如图9所示，应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测方法，包括有如下步骤，

S1.根据实际工况选取钢管幕顶端的钢管7，并清理所选取的钢管7的内壁至露出钢结构表面。

S2.利用RS-485通讯线2串联17个倾角传感器1，相邻倾角传感器1的间隔为5m，并将串联后的倾角传感器1沿钢管7的长度方向粘接固定于所选取的钢管7的管壁内顶端。

S3.在钢管幕上方的混凝土基础层上架设控制器3，并预先在混凝土基层4的下表面埋设挂钩6，通讯线2穿设出钢管7并挂设于相对应的挂钩6上，通讯线2再与控制器3通讯连通，且控制器3与远端服务器5无线通讯连通，监测人员登录远端服务器5查阅、下载监测数据。

S4.根据倾角传感器1在不同时段检测到的角度数据，计算得到各监测点位处的单次隆沉量和累计隆沉量，钢管7的垂直总偏量为钢管7的测试长度与各监测点位处的倾角传感器 1的测量角度值的乘积之和，且单次隆沉量为本次垂直总偏量与前次垂直总偏量的差值，累计隆沉量为本次垂直总偏量与初始垂直总偏量的差值，根据计算得到的垂直总偏量绘制历时过程曲线，根据钢管管幕的隆沉变化情况调整箱涵顶进的定压力和速度。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.应用于管幕箱涵施工的管幕隆沉监测系统，其特征在于：包括有沿钢管（7）的长度方向等间距粘接固定于钢管（7）内的倾角传感器（1），所述倾角传感器（1）串联连接有通讯线（2）；还包括有位于混凝土基层（4）上的控制器（3），多组穿设出钢管（7）的所述通讯线（2）与控制器（3）通讯连接，且所述控制器（3）通讯连接有远端服务器（5）。

2.根据权利要求1所述的应用于管幕箱函施工的管幕隆沉监测系统，其特征在于：所述倾角传感器（1）的长和宽分别设置为5cm和3cm，且所述倾角传感器（1）的监测精度设置为0.02°；钢管（7）的管长和管径分别设置为5000mm和800mm，在钢管（7）内沿其长度方向等间隔粘接固定有所述倾角传感器（1），所述倾角传感器（1）的数量设置为17，相邻所述倾角传感器（1）的间距设置为5m。

3.根据权利要求1所述的应用于管幕箱函施工的管幕隆沉监测系统，其特征在于：所述控制器（3）与远端服务器（5）有线通讯连接或无线通讯连接。

4.根据权利要求1所述的应用于管幕箱函施工的管幕隆沉监测系统，其特征在于：在混凝土基层（4）上预设挂钩（6），且所述通讯线（2）与相对应的挂钩（6）挂设配合。

5.应用于管幕箱涵施工的管幕沉降监测方法，其特征在于：包括有如下步骤，S1.选取钢管幕顶端的钢管（7），并清理所选取的钢管（7）的内壁至露出钢结构表面；S2.通讯线（2）等间隔串联倾角传感器（1），并将串联后的多组倾角传感器（1）粘接固定于所选取的钢管（7）的管壁内顶端，且倾角传感器（1）沿钢管（7）的长度方向粘接固定；S3.在钢管幕上方的混凝土基础层上架设控制器（3），并构建倾角传感器（1）和控制器（3）的数据通讯网络；S4.根据倾角传感器（1）定时检测到的角度数据，计算得到各测点处的单次隆沉量和累计隆沉量。

6.根据权利要求5所述的应用于管幕箱涵施工的管幕沉降监测方法，其特征在于：在步骤S4中，钢管（7）的垂直总偏量为测段的测试长度与各监测点位处的倾角传感器（1）的测量角度值的乘积之和，且单次隆沉量为本次垂直总偏量与前次垂直总偏量的差值，累计隆沉量为本次垂直总偏量与初始垂直总偏量的差值。

7.根据权利要求5所述的应用于管幕箱涵施工的管幕沉降监测方法，其特征在于：在步骤S3中，通讯线（2）与控制器（3）通讯连通，且控制器（3）与远端服务器（5）无线通讯连通，监测人员登录远端服务器（5）查阅、下载监测数据。

8.根据权利要求7所述的应用于管幕箱涵施工的管幕沉降监测方法，其特征在于：预先在混凝土基础层上埋设钢挂钩（6），且在步骤S3中的通讯线（2）与相对应的钢挂钩（6）挂设配合。

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