CN113447417A - 基于bds和5g的隧道渗水监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统及监测方法，隧道渗水监测系统由渗压及温度传感器、数据采集模块、BDS定位模块和5G通讯单元构成，渗压及温度传感器放置在PVC管一端，PVC管穿过预打孔隧道衬砌深入土层一定深度，渗压及温度传感器用以采集水文数据和温度数据；数据采集单元对数据进行采集；BDS定位模块实现对监测点的定位；5G通信模块用以建立数据传输链路，实现数据无线传输；本发明将采集到的位置信息和水压、温度数据通过5G通信模块传输到监控中心云平台，构成数据库并实现用户对客户端的访问。

Description

基于BDS和5G的隧道渗水监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统及监测方法。

背景技术

现如今，地铁盾构隧道的渗水病害随着运营时间的增长日益严重，主要表现在地铁在运营过程中，地下水或者地表水直接或间接的以渗、漏、涌等形式进入隧道内部而产生的危害。究其原因，地质条件、施工工艺、地铁结构变形等均会导致地铁隧道发生水损害，其特点为渗水量大、面广以及点多，该病害将严重影响隧道结构安全稳定、洞内通信、电力等附属设施安全、地面沉降以及列车运营等，因此在隧道运营过程中应密切关注隧道衬砌的渗漏水现象，一旦发现应及时采取相应的防、堵、引、排等措施。因此，实现隧道衬砌后的水力监测意义重大。

伴随着BDS定位系统以及5G通信技术的日渐成熟，普遍用于位置数据采集、传输，促使智慧监测、智慧城市的实现，BDS系统灵敏度高，在深埋地铁以及偏远山区等信号弱的地方，均能快速准确定位；5G技术能高速度、低功耗、低时延的等特性，能高速准确传输数据。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中存在的问题，而提供一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统及监测方法，本发明可以实现渗水的实时预测，解决现阶段技术上的部分缺陷。

一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统，包括监测设备、数据采集模块、BDS定位模块和5G通讯单元；

监测设备由外而内、由上而下依次为丙纶过滤布、PVC管、渗压/温度传感器、卡槽、遇水膨胀橡胶圈以及光纤；光纤一端连接渗压及温度传感器，光纤另一端与中继器连接；BDS定位模块和5G通讯单元设置在PVC管中；PVC管具有蜂窝孔，丙纶过滤布包裹在蜂窝孔外，防止蜂窝孔孔堵塞，渗压及温度传感器放置在PVC管一端，PVC管内壁具有卡槽，卡槽用于固定渗压及温度传感器，卡槽的上下端设置遇水膨胀橡胶圈；PVC管放置在预打孔的隧道衬砌或盾构管道中并深入土层预定深度，光纤用于传输数据信息；

中继器将放大的信号传送至数据采集模块；

5G通讯单元将渗水压力和温度数据以及BDS定位模块的位置信息由基站发送到数据监控中心，数据中心对接收到的压力、温度和位置信息数据建立模型并进行评估预测分析，最后根据预测发出预警信息；数据中心可获取实时监测数据，并将其存储到数据库，随时调取监测数据；随着数据库完备，监测数据实时对比数据库，根据经验值发出预警信息。相关人员根据危险信息实施应急预案。发出预警后，工作人员将根据APP移动终端接收到的位置信息快速到达病害位置，并根据实际情况，采取相应措施。

渗压/温度传感器是应对季冻区地下水结冰的情况，若温度低于0度，即可视为水层结冰，不会发生渗水危害。

所述PVC套管一端为蜂窝状孔隙结构，以便水能进入到管中并触发渗压传感器；外侧由丙纶过滤布包裹，用以过滤，避免泥土中的杂质进入管内，发生淤塞，降低传感器灵敏度，缩短使用寿命；内测有卡槽固定传感器防止其沿管脱落；卡槽上下分别设有遇水膨胀橡胶圈，实现管内密封，避免注浆时水泥没过传感器，亦阻止水分流入隧道内部；传感器光纤穿过橡胶圈中心圆孔以及卡槽中心孔，与隧道到中的中继器以及数据采集模块连接。

设备供电可同通过隧道内电力设备为其进行供电，亦可设置独立电源，方便检修更换，可避免线路原因引起的整体或局部瘫痪。

渗压/温度传感器的数量和位置根据地质勘查资料中水文地质状况、土层分布以及土壤渗透性合理配置。

BDS定位模块即为利用北斗定位系统确定渗水监测断面位置的北斗定位终端，可根据数据传输接口直接采用市场上存在的GNSS2000型或其他类型接收器，并与数据采集模块连接。

数据采集模块将土层中的渗水压力、温度信息以及BDS定位模块所确定的位置信息通过5G通讯通过基站传输到数据中心；数据中心对接收到的压力、温度等数据建立模型并进行评估预测分析，最后根据预测发出预警信息；数据中心可获取实时监测数据，并将其存储到数据库，随时调取监测数据；随着数据库完备，监测数据实时对比数据库，根据经验值发出预警信息。

亦可通过APP等客户终端获取实时监测数据，按照APP指示，快速到达病害位置，可采取以下两种方式处理：(1)在隧道内部将PVC管取出，利用孔道作为引流通道，将土层中的水排出，水排净之后，再将传感器放置在孔中，继续监测，并采用注浆等方式密封孔洞，以免渗水；(2)在隧道以上地表，通过井点降水等措施，抽取隧道上土层中的水分。

本发明的有益效果是：

1、本发明可应用在公路隧道、地铁管道、水底隧道等多种隧道，对结构后土中深水压力以及温度信息进行实时监控，监控中心将根据监测终端发送的数据与数据库进行比，如超过阈值将发出警报，并及时采取相应补救措施。

2、本发明可以实现在渗水破坏到隧道结构之前，通过监测数据确定深水压力较大的位置，将其排到对隧道结构影响较小的位置，从而保证结构的整体性和稳定性，减少水损害。

附图说明

图1为本发明监测设备放大示意图。

图2为本发明在公路隧道应用图。

图3为本发明在盾构隧道应用图。

图4为本发明数据流向框架图。

1-丙纶过滤布、2-蜂窝孔、3-PVC管、4-渗压及温度传感器、5-卡槽、6-遇水膨胀橡胶圈、7-光纤、8-监测设备、9-隧道衬砌、10-数据采集模块、11-BDS定位模块、12-5G通讯单元、13-盾构管道。

具体实施方式

如图1至图4所示，一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统，包括监测设备8、数据采集模块10、BDS定位模块11和5G通讯单元12；

监测设备8由外而内、由上而下依次为丙纶过滤布1、PVC管3、渗压/温度传感器4、卡槽5、遇水膨胀橡胶圈6以及光纤7；光纤7一端连接渗压及温度传感器4，光纤7另一端与中继器连接；BDS定位模块11和5G通讯单元12设置在PVC管3中；PVC管3具有蜂窝孔2，丙纶过滤布1包裹在蜂窝孔2外，防止蜂窝孔2孔堵塞，渗压及温度传感器4放置在PVC管3一端，PVC管3内壁具有卡槽5，卡槽5用于固定渗压及温度传感器4，卡槽5的上下端设置遇水膨胀橡胶圈6；PVC管3放置在预打孔的隧道衬砌9或盾构管道13中并深入土层预定深度，光纤7用于传输数据信息；

中继器将放大的信号传送至数据采集模块10；

5G通讯单元12将渗水压力和温度数据以及BDS定位模块11的位置信息由基站发送到数据监控中心，数据中心对接收到的压力、温度和位置信息数据建立模型并进行评估预测分析，最后根据预测发出预警信息；数据中心可获取实时监测数据，并将其存储到数据库，随时调取监测数据；随着数据库完备，监测数据实时对比数据库，根据经验值发出预警信息。相关人员根据危险信息实施应急预案。发出预警后，工作人员将根据APP移动终端接收到的位置信息快速到达病害位置，并根据实际情况，采取相应措施。

渗压及温度传感器4中的温度传感器是应对季冻区地下水结冰的情况，若温度低于0度，即可视为水层结冰，不会发生渗水危害。

PVC管3具有抗压防裂、耐寒、环保的特性，宜作为传感器的外保护层。

丙纶过滤布2不易堵塞、缝纫线强度高、抗开裂、密封性好、过滤速度快，能有效防止泥沙落入PVC管3中损坏传感器。

渗压及温度传感器4中的渗压传感器亦可选择光栅光纤渗压传感器，其结构简单、可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强、便于复用组网大面积测量，也更适合嵌入结构内部测量等优势。

隧道衬砌9或盾构管道13上微打孔，打孔直径略大于PVC管直径；打孔深度为衬砌后30-50cm，亦可根据水文地质条件、隧道沿线水分布、土壤渗透系数等因素确定；将组装好的监测设备放到空洞中，预留出光纤7。随后再进行注浆，一是将PVC管3与隧道衬砌9粘结为整体；二是PVC管下部封口，避免渗水压力过大直接渗到隧道中。注浆不能没过传感器一端，致使传感器无法检测到水压力。

连接渗压及温度传感器4的光纤7另一端与中继器连接，由于信息在线路传输过程中存在损耗，信号功率会导致衰减，衰减到一定程度会导致数据失真，借以中继器实现信号的复制、调整和放大，保持与原数据相同。

将PVC管3位置的混凝土敲碎，传感器取出后，此时孔道可作为排水通道，将水引流出土层，抢修完毕之后，再将其安装回原位置，继续实施监测；亦可在隧道以上地表，通过井点降水等措施，抽取隧道上土层中的水分。

基于BDS和5G的隧道渗水监测系统的数据可以被工作人员通过APP和网页端直接获取。通过监控中心实现对微隧道内任意监测点的监控，系统具有稳定，安全可靠的特点。

基于BDS和5G的隧道渗水监测系统不局限于渗水压力监测，亦可通过设置不同传感器监测不同的隧道病害，例如将终端设置为位移计、侧斜管等可监测隧道变形；气体传感器等监测隧道内有害气体，也可一种或多种组合。

一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统的监测方法，包含以下步骤：

1)将装有渗压及温度传感器4的PVC管3，通过预先打好孔的隧道衬砌9或盾构管道13插入土层中，并注浆封口，防止PVC管3滑落；

2)根据勘察资料确定断面位置和渗压及温度传感器4数量。

3)光纤7通过中继器连接在5G通讯单元12，并将其与BDS定位模块11接收到的位置信息打包发送至监控中心。

4)监控中心根据接收到的实时渗水压力以及温度数据，与预设的预警阈值比较，在渗水入侵到隧道结构之前采取防排水措施，保护隧道结构。

所述的BDS定位模块11和5G通讯单元12属于现有技术。

Claims (3)

1.一种基于BDS和(5)G的隧道渗水监测系统，其特征在于：包括监测设备(8)、数据采集模块(10)、BDS定位模块(11)和5G通讯单元(12)；

监测设备(8)由外而内、由上而下依次为丙纶过滤布(1)、PVC管(3)、渗压/温度传感器(4)、卡槽(5)、遇水膨胀橡胶圈(6)以及光纤(7)；光纤(7)一端连接渗压及温度传感器(4)，光纤(7)另一端与中继器连接；BDS定位模块(11)和5G通讯单元(12)设置在PVC管(3)中；PVC管(3)具有蜂窝孔(2)，丙纶过滤布(1)包裹在蜂窝孔(2)外，防止蜂窝孔(2)孔堵塞，渗压及温度传感器(4)放置在PVC管(3)一端，PVC管(3)内壁具有卡槽(5)，卡槽(5)用于固定渗压及温度传感器(4)，卡槽(5)的上下端设置遇水膨胀橡胶圈(6)；PVC管(3)放置在预打孔的隧道衬砌(9)或盾构管道(13)中并深入土层预定深度，光纤(7)用于传输数据信息；

中继器将放大的信号传送至数据采集模块(10)；

5G通讯单元(12)将渗水压力和温度数据以及BDS定位模块(11)的位置信息由基站发送到数据监控中心，数据中心对接收到的压力、温度和位置信息数据建立模型并进行评估预测分析，最后根据预测发出预警信息；数据中心能获取实时监测数据，并将其存储到数据库，随时调取监测数据。

2.根据权利要求1的一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统，其特征在于：所述的渗压及温度传感器(4)中的渗压传感器为光栅光纤渗压传感器。

3.权利要求1所述一种基于BDS和5G的隧道渗水监测系统的监测方法，其特征在于：包含以下步骤：

1)将装有渗压及温度传感器(4)的PVC管(3)通过预先打好孔的隧道衬砌(9)或盾构管道(13)插入土层中，并注浆封口，防止PVC管(3)滑落；

2)根据勘察资料确定断面位置和渗压及温度传感器(4)数量。

3)光纤(7)通过中继器连接在5G通讯单元(12)，并将其与BDS定位模块(11)接收到的位置信息打包发送至监控中心。

4)监控中心根据接收到的实时渗水压力以及温度数据，与预设的预警阈值比较，在渗水入侵到隧道结构之前采取防排水措施，保护隧道结构。

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