CN113340475A - 盾构隧道管片间接触应力测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种盾构隧道管片间接触应力测试装置及测试方法，装置包括压电气压传感器，封装于橡胶薄膜内，橡胶薄膜上留有气孔并安装气门；限位框架，与橡胶薄膜紧密相连，限制橡胶薄膜的膨胀方向，只允许橡胶薄膜沿传感器厚度方向膨胀；扁平状导线，一端穿过所述橡胶薄膜与所述压电气压传感器连接，另一端与数据采集器连接，数据采集器通过数据传输装置将压电信号传输至数据中心；所述压电气压传感器、橡胶薄膜、限位框架以及扁平状导线共同构成嵌入式压电传感器。本发明可直观、准确测量出盾构隧道管片间接触应力，用于已建成盾构隧道管片拼装质量的检测，同时在施工阶段，对已建成的盾构隧道区间进行测量，辅助指导盾构隧道的施工。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道健康监测领域，具体涉及一种盾构隧道管片间接触应力测试装置及测试方法，应用于已建成地铁盾构隧道及越江盾构隧道的拼装质量检测。
背景技术
随着现代工业的迅速发展和城市规模的不断扩大，城镇人口急剧增加，轨道交通工程已成为大中型城市公共客运交通网络的骨干。在城市轨道交通区间建设中，盾构法是使用最为广泛的工法，具有不受地形环境的限制，在地下掘进速度快，在地表占地面积小并且几乎不影响地面交通等优点。
在盾构隧道的建设过程中，管片拼装质量影响着工程完成质量甚至是后期地铁的运营，所以盾构管片的拼装控制是决定盾构隧道顺利施工的关键。管片拼装质量不好会导致隧道漏水、管片局部因受力过大而出现破损现象、盾构机盾尾刷挤压破坏造成油脂消耗等严重问题。但在地铁施工盾构掘进过程管片拼装经常出现偏差过大的问题，因此为了最大程度降低因管片拼装质量问题带来的不利影响，必须采取相应的应对措施加以 严格控制。
经过相关领域专利的检索，存在一种在盾构隧道密封垫间布置压力传感器的方法，可以用于检测盾构隧道拼装质量，但该方法仅适用于在建隧道，当隧道建成后，盾构隧道密封垫间无法再放置传感器，无法用于已建成隧道管片拼装质量的检测，同时该方法是否会对盾构隧道的止水性能产生影响，也难以验证。
目前大量已建成盾构隧道存在着管片拼装质量不佳的问题，针对已建成的盾构隧道，目前检测拼装质量的方法为人工巡检与三维扫描，仅能从外观检测管片拼装质量，亟需一种可以检测已建成盾构隧道间接触应力的测量方法，用以判定盾构隧道拼装质量，从而采取相应的措施。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出盾构隧道管片间接触应力测试装置及测试方法，以解决背景技术中存在的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种盾构隧道管片间接触应力测试装置，包括：
压电气压传感器，封装于橡胶薄膜内，所述橡胶薄膜上留有气孔并安装气门；
限位框架，与橡胶薄膜紧密相连，限制橡胶薄膜的膨胀方向，只允许橡胶薄膜沿传感器厚度方向膨胀；
扁平状导线，一端穿过所述橡胶薄膜与所述压电气压传感器连接，另一端与数据采集器连接，数据采集器通过数据传输装置将压电信号传输至数据中心；
所述压电气压传感器、橡胶薄膜、限位框架以及扁平状导线共同构成嵌入式压电传感器。
所述压电气压传感器的外部包裹有屏蔽胶带。
所述限位框架包括前端楔形部分与后端框架部分，其中，前端楔形部分用于辅助嵌入式压电传感器嵌入盾构隧道环缝间，后端框架部分起到限制橡胶薄膜膨胀方向的作用，具体地，后端框架部分在限位方向穿过橡胶薄膜，并采用胶水将橡胶薄膜固定于后端框架部分。
一种基于所述盾构隧道管片间接触应力测试装置判定盾构隧道管片间接触应力的方法，
判定盾构隧道管片间接触应力：
所述嵌入式压电传感器布置于已建成盾构隧道环缝间任意部位，使用打气筒从气门处向嵌入式压电传感器内部打入空气，在保证嵌入式压电传感器与密封垫紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门保证密封，密封后需扯动嵌入式压电传感器，且嵌入式压电传感器不发生位移后，视为安装成功；
所述嵌入式压电传感器在自身的电信号激振下，所述压电气压传感器产生振动，依据橡胶薄膜内部气压的不同，压电气压传感器振动的频率不同，系统通过读取压电气压传感器振动频率，推得橡胶薄膜内部气压，再根据橡胶薄膜内部气压推定管片间间接触应力。
所述数据传输装置采用有线与无线相结合的方法，在盾构隧道建设期间，采用有线数据传输的方案；
在盾构隧道运营期间，在隧道内通信基站布设完成后，采用4G或5G方案。
一种基于所述盾构隧道管片间接触应力测试装置判定盾构隧道姿态的方法，其特征在于，
在已建成盾构隧道环缝间的上、下、左、右四个位置，分别布置一个所述嵌入式压电传感器，使用打气筒从气门处向嵌入式压电传感器内部打入空气，在保证嵌入式压电传感器与密封垫紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门保证密封，密封后需扯动嵌入式压电传感器，且嵌入式压电传感器不发生位移后，视为安装成功；
所述嵌入式压电传感器在自身的电信号激振下，所述压电气压传感器产生振动，依据橡胶薄膜内部气压的不同，压电气压传感器振动的频率不同，系统通过读取压电气压传感器振动频率，推得橡胶薄膜内部气压，再根据橡胶薄膜内部气压换算得出管片间接触应力，进而推定盾构隧道姿态。
判定所述盾构隧道姿态的方法是通过比较上、下管片间接触应力，可得盾构隧道竖向姿态偏移情况，通过比较左、右管片间接触应力，可得盾构隧道水平姿态偏移情况，该测量方法可以判定已建成盾构隧道姿态；
所述姿态偏移情况可分为四种情况，分别为无明显偏移、轻微偏移、一般偏移与严重偏移，其中，当对侧传感器接触应力相差在0-5%以内，判定为无明显偏移；对侧传感器接触应力相差5%-15%，判定为轻微偏移；对侧传感器接触应力相差15%-30%，判定为一般偏移；对侧传感器接触应力相差30%以上，判定为严重偏移；
数据传输装置采用有线与无线相结合的方法，在盾构隧道建设期间，采用有线数据传输的方案；
在盾构隧道运营期间，在隧道内通信基站布设完成后，采用4G或5G方案。
有益效果：
（1）本发明一种盾构隧道管片间接触应力测试装置及测试方法，可直观、准确测量出盾构隧道管片间接触应力，可用于盾构隧道管片拼装的检测，同时在施工阶段，对已建成的盾构隧道区间进行测量，可辅助指导盾构隧道的施工；
（2）本发明一种盾构隧道管片间接触应力测试装置及测试方法，与传统盾构隧道拼装质量检测方法相比，通过检测盾构隧道管片接触应力判定，不仅可以更加直观的反映盾构隧道管片拼装质量，而且预测盾构隧道损伤的发生；
（3）本发明一种盾构隧道管片间接触应力测试装置，布置方便灵活，可布置于盾构隧道内任意区域，对危险区域进行重点监测，可与传统巡检、图像识别等检测技术结合。
附图说明
图1是本发明传感器环向布置示意图；
图2是本发明传感器径向布置示意图；
图3是本发明嵌入式压电传感器沿膨胀方向示意图；
图4是图3的俯视图；
图中：嵌入式压电传感器1，密封垫2，管片3，扁平状导线4，数据传输装置5，铁质楔形框架6，压电气压传感器7，橡胶薄膜8，气门9。
具体实施方式
实施例：
本实施例的传感器布置方式如图1和图2所示，在安装时，将嵌入式压电传感器1插入管片3间缝隙中，使用打气筒从气门9处向嵌入式压电传感器1内部打入空气，保证嵌入式压电传感器1与管片3紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门9保证密封。
嵌入式压电传感器1可布置于已建成盾构隧道环缝间任意部位，1环管片建议布置在4处位置，即盾构隧道的上下左右位置，既可判定盾构隧道管片3间接触应力，又可判定盾构隧道姿态。
本实施例的嵌入式压电传感器构成如图3所示，嵌入式压电传感器1由压电气压传感器7、铁质楔形框架6、橡胶薄膜8与扁平状导线4组成，压电气压传感器7与扁平状导线4连接后置于铁质楔形框架6内后，封装橡胶薄膜8，并留出气孔并安装气门9。
优选的，所述压电气压传感器7在预制前需进行传感器屏蔽处理，以防止隧道内部的其他电磁信号对传感器传输信号干扰，屏蔽处理方式可采用屏蔽胶带。
优选的，所述铁质楔形框架6与橡胶薄膜8紧密相连，限制橡胶薄膜8的膨胀方向，只允许橡胶薄膜8沿传感器厚度方向膨胀，限制其沿其他方向膨胀。
利用本发明盾构隧道管片间接触应力测试装置来判定盾构隧道管片间接触应力的方法，所述嵌入式压电传感器布置于已建成盾构隧道环缝间任意部位，使用打气筒从气门处向嵌入式压电传感器内部打入空气，在保证嵌入式压电传感器与密封垫紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门保证密封，密封后需扯动嵌入式压电传感器，且嵌入式压电传感器不发生位移后，视为安装成功；
所述嵌入式压电传感器在自身的电信号激振下，所述压电气压传感器产生振动，依据橡胶薄膜内部气压的不同，压电气压传感器振动的频率不同，系统通过读取压电气压传感器振动频率，推得橡胶薄膜内部气压，再根据橡胶薄膜内部气压换算得出管片间接触应力，进而推定盾构隧道姿态。其中，考虑橡胶薄膜的作用，管片间接触应力=1.2*橡胶薄膜内部气压。
利用本发明所述盾构隧道管片间接触应力测试装置来判定盾构隧道姿态的方法，
在已建成盾构隧道环缝间的上、下、左、右四个位置，分别布置一个所述嵌入式压电传感器，使用打气筒从气门处向嵌入式压电传感器内部打入空气，在保证嵌入式压电传感器与密封垫紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门保证密封，密封后需扯动嵌入式压电传感器，且嵌入式压电传感器不发生位移后，视为安装成功；
所述嵌入式压电传感器在自身的电信号激振下，所述压电气压传感器产生振动，依据橡胶薄膜内部气压的不同，压电气压传感器振动的频率不同，系统通过读取压电气压传感器振动频率，推得橡胶薄膜内部气压，再根据橡胶薄膜内部气压推定盾构隧道姿态。
所述姿态偏移情况可分为四种情况，分别为无明显偏移、轻微偏移、一般偏移与严重偏移，其中当对侧传感器接触应力相差在0-5%以内，判定为无明显偏移；对侧传感器接触应力相差5%-15%，判定为轻微偏移；对侧传感器接触应力相差15%-30%，判定为一般偏移；对侧传感器接触应力相差30%以上，判定为严重偏移。
所述数据传输装置采用有线与无线相结合的方法，在盾构隧道建设期间，采用有线数据传输的方案；在盾构隧道运营期间，在隧道内通信基站布设完成后，采用4G或5G方案。
本发明的原理：
压电谐振型传感器的工作基础为逆压电效应，当给压电体施加交变电场激励时，压电体便在逆压电效应的作用下产生机械振动而形成一个压电振子。压电振子最重要的特性参数是谐振频率和复值阻抗。当作用于压电振子的外界参量（如力、温度、压电振子所处介质的特性等）改变时，上述特性参数也将发生改变，这也就是压电谐振型传感器的工作原理。
目前使用较为广泛的气压计有三种，水银槽式气压计、盒式气压计和压电式谐振筒气压计，其中压电式谐振筒气压计精度最高，且体积较小，适宜作为使用于盾构隧道内部测量管片间接触应力的气压传感器。
在传感器激振源的作用下，压电式谐振筒气压计产生振动，振动频率与橡胶薄膜内气压相关，通过测量谐振筒气压计的振动频率，可以得到橡胶薄膜内部的气压，又因为橡胶薄膜内部的气压与管片间接触应力相关，通过计算可以推得盾构隧道管片间接触应力。
本发明为盾构隧道密封垫接触应力检测提供了一种全新的思路与方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，对附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种盾构隧道管片间接触应力测试装置，其特征在于，包括：
压电气压传感器，封装于橡胶薄膜内，所述橡胶薄膜上留有气孔并安装气门；
限位框架，与橡胶薄膜紧密相连，限制橡胶薄膜的膨胀方向，只允许橡胶薄膜沿传感器厚度方向膨胀；
扁平状导线，一端穿过所述橡胶薄膜与所述压电气压传感器连接，另一端与数据采集器连接，数据采集器通过数据传输装置将压电信号传输至数据中心；
所述压电气压传感器、橡胶薄膜、限位框架以及扁平状导线共同构成嵌入式压电传感器。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片间接触应力测试装置，其特征在于，
所述压电气压传感器的外部包裹有屏蔽胶带。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片间接触应力测试装置，其特征在于，
所述限位框架包括前端楔形部分与后端框架部分，其中，前端楔形部分用于辅助嵌入式压电传感器嵌入盾构隧道环缝间，后端框架部分起到限制橡胶薄膜膨胀方向的作用，具体地，后端框架部分在限位方向穿过橡胶薄膜，并采用胶水将橡胶薄膜固定于后端框架部分。
4.一种基于权利要求1~3中任一所述盾构隧道管片间接触应力测试装置判定盾构隧道管片间接触应力的方法，其特征在于，
判定盾构隧道管片间接触应力：
所述嵌入式压电传感器布置于已建成盾构隧道环缝间任意部位，使用打气筒从气门处向嵌入式压电传感器内部打入空气，在保证嵌入式压电传感器与密封垫紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门保证密封，密封后需扯动嵌入式压电传感器，且嵌入式压电传感器不发生位移后，视为安装成功；
所述嵌入式压电传感器在自身的电信号激振下，所述压电气压传感器产生振动，依据橡胶薄膜内部气压的不同，压电气压传感器振动的频率不同，系统通过读取压电气压传感器振动频率，推得橡胶薄膜内部气压，再根据橡胶薄膜内部气压推定管片间间接触应力。
5.根据权利要求4所述的盾构隧道管片间接触应力测试装置判定盾构隧道管片间接触应力的方法，其特征在于，所述数据传输装置采用有线与无线相结合的方法，在盾构隧道建设期间，采用有线数据传输的方案；
在盾构隧道运营期间，在隧道内通信基站布设完成后，采用4G或5G方案。
6.一种基于权利要求1~3中任一所述盾构隧道管片间接触应力测试装置判定盾构隧道姿态的方法，其特征在于，
在已建成盾构隧道环缝间的上、下、左、右四个位置，分别布置一个所述嵌入式压电传感器，使用打气筒从气门处向嵌入式压电传感器内部打入空气，在保证嵌入式压电传感器与密封垫紧密接触且不会发生渗漏后停止，并关闭气门保证密封，密封后需扯动嵌入式压电传感器，且嵌入式压电传感器不发生位移后，视为安装成功；
所述嵌入式压电传感器在自身的电信号激振下，所述压电气压传感器产生振动，依据橡胶薄膜内部气压的不同，压电气压传感器振动的频率不同，系统通过读取压电气压传感器振动频率，推得橡胶薄膜内部气压，再根据橡胶薄膜内部气压换算得出管片间接触应力，进而推定盾构隧道姿态。
7.根据权利要求6所述盾构隧道管片间接触应力测试装置判定盾构隧道姿态的方法，其特征在于，所述盾构隧道姿态的方法通过比较上、下管片间接触应力，可得盾构隧道竖向姿态偏移情况，通过比较左、右管片间接触应力，可得盾构隧道水平姿态偏移情况，该测量方法可以判定已建成盾构隧道姿态；
所述姿态偏移情况可分为四种情况，分别为无明显偏移、轻微偏移、一般偏移与严重偏移，其中，当对侧传感器接触应力相差在0-5%以内，判定为无明显偏移；对侧传感器接触应力相差5%-15%，判定为轻微偏移；对侧传感器接触应力相差15%-30%，判定为一般偏移；对侧传感器接触应力相差30%以上，判定为严重偏移；
数据传输装置采用有线与无线相结合的方法，在盾构隧道建设期间，采用有线数据传输的方案；
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