CN114295087A - 一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和方法 - Google Patents

一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和方法 Download PDF

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钱浩勇
杜修力
许成顺
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Abstract

本发明公开了一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和方法,包括方形刚性薄板、刚性金属管、弹性回旋器、位移传感器、无线传感器、锂电池板、树脂外壳和数据接收平台。本发明结合位移传感器和无线传感器,摒弃传统的有线数据传输,实现地表土体位移数据的无线传输;在试验中考虑地表土体的加固区和非加固区,可同时监测两个区的地表位移;分别进行了两组试验:采取加固措施和不采取加固措施,探究地表土体加固的必要性;本发明监测装置位于试验箱内,克服了传统有线传输装置易受干扰传的缺点,提高试验的精确度;采用无线监测,克服了安装及调试阶段排列及固定有线线路的缺点,减少监测设备线路调试时间,显著提高试验效率。

Description

一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和 方法
技术领域
本发明是涉及地下工程领域,特别是涉及一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和方法。
背景技术
盾构隧道在掘进的过程中,会造成地表土体的隆起或沉降,对地上建筑结构造成严重的影响。尤其是在城市中进行盾构隧道掘进,地上建筑结构错综复杂,为了保证地上建筑结构正常运营,必须控制地表土体的变形。研究盾构隧道掘进过程中对地表土体的变形规律,工程师通常会对地表土体的变形进行监测。在盾构隧道的施工前,一般会在开展盾构隧道掘进试验来探究地表土体的变化规律。
在试验室进行盾构隧道的掘进试验时,往往涉及到地表土体位移的测量。现有的地表位移监测装置一般为有线装置,在监测过程中容易造成人为移动而产生误差,使试验结果不准确。在使用过程中往往由于线路繁杂,监测线路之间往往会互相影响,并且在调试监测装置的过程中,往往需要花费大量的人力物力。除此之外,监测装置笨重庞大,不仅难以移动,并且需要占据大量的试验空间。
为此,本发明提出一种用于地表土体位移监测的装置和方法,可以实现无线传输,避免人为扰动对监测结果的影响;减少监测设备线路调试时间,显著提高试验效率。
发明内容
本发明提供一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置和方法,用于地表土体位移的监测,实现地表土体位移数据的无线传输,提高试验准确率和试验效率。
为实现本发明之目的,采用以下技术方案予以实现:
一种用于地表土体位移监测的装置,包括方形刚性薄板(1)、刚性金属管(2)、弹性回旋器(3)、位移传感器(4)、无线传感器(5),锂电池板(6),树脂外壳(7)和数据接收平台(8)。
所述方形刚性薄板(1)是一种方形刚性材质的薄板。方形刚性薄板(1)埋设在地表土体位移的监测点位,随着地表土体的隆起或下沉而产生位置的变化。通过与之相连的刚性金属管(2)将地表土体位移的变化传递到位移传感器(4)。
所述刚性金属管(2)是一种不发生变形的铝制金属管。刚性金属管(2)下端与方形刚性薄板(1)连接,上端与弹性回旋器(3)相连。刚性金属管(2)可随着方形刚性薄板(1)得到移动而上升或下降。
所述弹性回旋器(3)是一种可伸长和收缩的弹簧。弹性回旋器(3)一端与刚性金属管(2)相连接,刚性金属管(2)下沉时,弹性回旋器(3)发生收缩变形;刚性金属管(2)隆起时,弹性回旋器(3)发生伸长变形。弹性回旋器(3)另一端与位移传感器(4)相连,将位移数据传递给位移传感器(4)。
位移传感器(4)一端与弹性回旋器(3)相连,接收来自弹性回旋器(3)的位移数据。位移传感器(4)另一端与无线传感器(5)相连,将位移数据转化为电信号传递给无线传感器(5)。
无线传感器(5)与位移传感器(4)相连,接收来自位移传感器(4)的电信号,并通过无线传输,将数据传递到数据接收平台(8)。
锂电池板(6)为位移传感器(4)和无线传感器(5)提供电源,并且锂电池板(6)可反复充电,循环利用。
树脂外壳(7)作为一个容器,弹性回旋器(3)、位移传感器(4)、无线传感器(5)和锂电池板(6)按照一定的顺序和规则固定在树脂外壳(7)中。
数据接收平台(8)是一台移动笔记本电脑,接收来自无线传感器(5)的电信号,并将其转化为具体数值储存在笔记本电脑中。
一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的试验方法,包括试验内容、监测方案、试验步骤。
其试验内容旨在实现对盾构隧道掘进过程中地表土体位移的监测,探究地表土体的变形规律,保证地上建筑结构的正常营运。
其监测方案包括:采取土体加固措施的地表土体位移监测方案和采取土体加固措施的地表土体位移监测方案。
其试验步骤包括:监测装置安装及填土阶段,监测装置调试阶段和盾构隧道掘进阶段。
采取土体加固措施的地表土体位移监测方案:用于监测加固区和非加固区地表土体的位移。置换加固区的区域为:隧道纵向左右1D范围,深度为地表以下1D范围的土体,置换为密度大,抗剪强度高的土体。置换加固区:沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-1D,0,和1D对应的位置上。非加固区:沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-4D,-2D,2D和4D对应的位置上。D为盾构隧道直径。
不采取土体加固措施的地表土体位移监测方案:用于监测地表土体的位移。沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-4D,-2D,0,1D和3D对应的位置上。D为盾构隧道直径。.
该试验方法包括以下试验步骤:
Step 1:填土至规定高度,静置24h;
Step 2:置换隧道周围地表及以下1D范围内的土体,静置24h;
Step 3:安装地表位移监测装置;
Step 4:调试监测装置,把数据接收平台内初始数据清零;
Step 5:静置24h,直至初始监测数据保持稳定;
Step 6:使用盾构机进行掘进,并实时记录保存监测数据;
Step 7:试验结束,拆除试验装置,放置原位。
本发明的优点在于:
本发明提出了一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的监测装置和方法。①本发明结合位移传感器和无线传感器,摒弃传统的有线数据传输,实现地表土体位移数据的无线传输;②本发明在试验中考虑地表土体的加固区和非加固区,可同时监测两个区的地表位移;③本发明分别进行了两组试验:采取加固措施和不采取加固措施,探究地表土体加固的必要性;④本发明监测装置位于试验箱内,克服了传统有线传输装置易受干扰传的缺点,提高试验的精确度;⑤本发明采用无线监测,克服了安装及调试阶段排列及固定有线线路的缺点,减少监测设备线路调试时间,显著提高试验效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1地表土体位移监测的监测装置示意图。
图2采取土体加固措施的地表土体位移监测平面图。
图3不采取土体加固措施的地表土体位移监测平面图。
图4盾构隧道掘进试验监测结构示意图。
图5盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的试验流程图。
图中标号:
图1为地表土体位移监测的监测装置示意图:方形刚性薄板(1)、刚性金属管(2)、弹性回旋器(3)、位移传感器(4)、无线传感器(5)、锂电池板(6)、树脂外壳(7)和数据接收平台(8)。
图2为采取土体加固措施的地表土体位移监测平面图:沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-4D,-2D,-1D,0,1D,2D和4D对应的位置上。D为盾构隧道直径。
图3为不采取土体加固措施的地表土体位移监测平面图:用于监测地表土体的位移。沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-4D,-2D,0,1D和3D对应的位置上。D为盾构隧道直径。
图4为盾构隧道掘进试验监测结构示意图:数据接收平台(8),支撑杆(9),模型箱(10)和盾构机(11)。
图5为盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的试验流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造劳动前提下所获得的所有其它实施例,均属于本发明保护的范围。
参照图1,本发明一实施例中所提供的一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的装置图,包括方形刚性薄板(1)、刚性金属管(2)、弹性回旋器(3)、位移传感器(4)、无线传感器(5)、锂电池板(6)、树脂外壳(7)和数据接收平台(8)。方形刚性薄板(1)布设在监测点位,和刚性金属管(2)连接。随着刚性金属管(2)的移动,弹性回旋器(3)发生伸长或收缩,并将变形传递给位移传感器(4)。位移传感器(4)、无线传感器(5)和锂电池板(6)被树脂外壳(7)包裹成一个整体,位移传感器(4)通过无线传感器(5)将数据传输给数据接收平台(8)。
参照图2,本发明一实施例中所提供的采取土体加固措施的地表土体位移监测平面图:沿着隧道纵断方向,监测点分别位于400mm,800mm,1200mm,1600mm和2000mm对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-800mm,-400mm,-200mm,0,200mm,400mm和800mm对应的位置上。置换加固区的区域为:隧道纵向左右200mm范围,深度为地表以下200mm范围的土体,置换为密度大,抗剪强度高的土体。
参照图3,本发明一实施例中所提供的不采取土体加固措施的地表土体位移监测平面图:用于监测地表土体的位移。沿着隧道纵断方向,监测点分别位于400mm,800mm,1200mm,1600mm和2000mm对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-800mm,-400mm,-0,200mm和600mm对应的位置上。
参照图4,本发明一实施例中所提供的盾构隧道掘进试验监测结构示意图:地表土体位移监测装置的方形刚性薄板(1)、刚性金属管(2)和布设在模型箱(10)内,树脂外壳(7)固定在支撑杆(9)上,在盾构机(11)掘进的过程中,通过监测装置通过无线传输将土体位移数据传输到数据接收平台(8)。
参照图5,为本发明一实施例中所提供的盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的试验流程图,结合试验过程,其试验步骤如下:
①填土至规定高度,静置24h;②置换隧道周围地表及以下1D范围内的土体,静置24h;③安安装地表位移监测装置;④调试监测装置,把数据接收平台内初始数据清零;⑤静置24h,直至初始监测数据保持稳定;⑥使用盾构机进行掘进,并实时记录保存监测数据;⑦试验结束,拆除试验装置,放置原位。
本发明提出了一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的监测装置和方法。本发明结合位移传感器和无线传感器,摒弃传统的有线数据传输,实现地表土体位移数据的无线传输。本发明在试验中考虑地表土体的加固区和非加固区,可同时监测两个区的地表位移。本发明分别进行了两组试验:采取加固措施和不采取加固措施,探究地表土体加固的必要性。本发明监测装置位于试验箱内,克服了传统有线传输装置易受干扰传的缺点,提高试验的精确度。本发明采用无线监测,克服了安装及调试阶段排列及固定有线线路的缺点,减少监测设备线路调试时间,显著提高试验效率。
综上所述,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何本领域普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种更动与润饰,因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种用于地表土体位移监测的装置,其特征在于:包括方形刚性薄板(1)、刚性金属管(2)、弹性回旋器(3)、位移传感器(4)、无线传感器(5),锂电池板(6),树脂外壳(7)和数据接收平台(8);
刚性金属管(2)下端与方形刚性薄板(1)连接,上端与弹性回旋器(3)相连;弹性回旋器(3)一端与刚性金属管(2)相连接,刚性金属管(2)下沉时,弹性回旋器(3)发生收缩变形;刚性金属管(2)隆起时,弹性回旋器(3)发生伸长变形;弹性回旋器(3)另一端与位移传感器(4)相连,将位移数据传递给位移传感器(4);位移传感器(4)一端与弹性回旋器(3)相连,接收来自弹性回旋器(3)的位移数据;位移传感器(4)另一端与无线传感器(5)相连,将位移数据转化为电信号传递给无线传感器(5);无线传感器(5)通过无线传输到数据接收平台(8);锂电池板(6)为位移传感器(4)和无线传感器(5)提供电源;树脂外壳(7)作为一个容器,弹性回旋器(3)、位移传感器(4)、无线传感器(5)和锂电池板(6)固定在树脂外壳(7)中;数据接收平台(8)接收来自无线传感器(5)的电信号,将电信号转化为具体数值并储存。
2.根据权利要求1所述的一种用于地表土体位移监测的装置,其特征在于:所述方形刚性薄板(1)是一种方形刚性材质的薄板。
3.根据权利要求1所述的一种用于地表土体位移监测的装置,其特征在于:所述刚性金属管(2)是一种不发生变形的铝制金属管。
4.根据权利要求1所述的一种用于地表土体位移监测的装置,其特征在于:方形刚性薄板(1)埋设在地表土体位移的监测点位,随着地表土体的隆起或下沉而产生位置的变化;通过与之相连的刚性金属管(2)将地表土体位移的变化传递到位移传感器(4)。
5.根据权利要求1所述的一种用于地表土体位移监测的装置,其特征在于:所述弹性回旋器(3)是一种可伸长和收缩的弹簧。
6.一种用于盾构隧道掘进过程中地表土体位移监测的试验方法,包括试验内容、监测方案、试验步骤;
试验内容旨在实现对盾构隧道掘进过程中地表土体位移的监测,探究地表土体的变形规律,保证地上建筑结构的正常营运;
监测方案包括:采取土体加固措施的地表土体位移监测方案和采取土体加固措施的地表土体位移监测方案;
试验步骤包括:监测装置安装及填土阶段,监测装置调试阶段和盾构隧道掘进阶段;
采取土体加固措施的地表土体位移监测方案:用于监测加固区和非加固区地表土体的位移;置换加固区的区域为:隧道纵向左右1D范围,深度为地表以下1D范围的土体,置换为密度大,抗剪强度高的土体;置换加固区:沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-1D,0,和1D对应的位置上;非加固区:沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-4D,-2D,2D和4D对应的位置上;D为盾构隧道直径;
不采取土体加固措施的地表土体位移监测方案:用于监测地表土体的位移;沿着隧道纵断方向,监测点分别位于2D,4D,6D,8D和10D对应的位置上;沿隧道横断面方向,监测点分别位于隧道中轴线及中轴线两侧:-4D,-2D,0,1D和3D对应的位置上;D为盾构隧道直径;
该试验方法包括以下试验步骤:
Step 1:填土至规定高度,静置24h;
Step 2:置换隧道周围地表及以下1D范围内的土体,静置24h;
Step 3:安装地表位移监测装置;
Step 4:调试监测装置,把数据接受平台内初始数据清零;
Step 5:静置24h,直至初始监测数据保持稳定;
Step 6:使用盾构机进行掘进,并实时记录保存监测数据;
Step 7:试验结束,拆除试验装置,放置原位。
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