CN114322881A - 一种用于盾构隧道开挖过程中土体地中位移监测的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构隧道开挖过程中土体地中位移监测的装置和方法，包括刚性薄板、半刚性线圈、有机玻璃套管、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，实现土体地中位移数据的无线传输；引入弹性回旋器，将位移大小转变旋转弧度，为可实现对同一位置，不同高度的多层土体位移的同时监测；监测装置位于试验箱内，克服了传统有线传输中试验人员容易干扰传输线的缺点，避免人为扰动对监测装置的影响；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。
Description
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开挖过程中土体地中位移监测的装置和方法。
背景技术
随着城市化进程的推进，城市人口越来越多，交通越来越拥堵。为了解决城市交通拥挤的问题，充分开发利用地下空间显得尤为迫切和重要。在涉及地下空间开发的过程中，工程师最关心的一个问题就是土体的变形。比如城市地铁盾构隧道的开挖，就会涉及到土体的变形。为了探究盾构隧道施工过程中对周围土体的影响，对土体进行监测十分重要。为了保证盾构隧道开挖的正常进行，一般会在开展盾构隧道开挖试验来探究土体的变化规律。
在试验室进行盾构隧道的开挖试验时，往往涉及到土体地中位移的测量。现有的地中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，本发明一种用于土体地中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开挖过程中土体地中位移监测的装置和方法，用于土体地中位移的监测，实现土体地中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：
一种用于土体地中位移监测的装置，包括刚性薄板(1)、半刚性线圈(2)、有机玻璃套管(3)、弹性回旋器(4)、位移传感器(5)、无线传感器(6)，锂电池板(7)，树脂外壳(8)和数据接收平台(9)。
所述刚性薄板(1)是一种圆形刚性材质的薄板。刚性薄板(1)埋设在土体地中位移的监测点位，随着土体的隆起或下沉而产生位置的变化。通过与之相连的半刚性线圈(2)将土体地中位移的变化传递到位移传感器(5)。
所述半刚性线圈(2)是一种不可伸长的细钢绞线。半刚性线圈(2)下端与刚性薄板(1)连接，并通过弹性回旋器(4)将固定后的刚性薄板(1)拉直，保证了，刚性薄板(1)和柔性线圈(2)在后续填土过程中不产生左右晃动。柔性线圈(2)套在有机玻璃套管(3)中，从而极大地减小柔性线圈(2)与周围土体的摩擦力，避免了摩擦力对刚性薄板(1)位移干扰，减小试验误差，提高监测精度。
所述有机玻璃套管(3)是一种外表面十分光滑的细玻璃管。有机玻璃套管(3)套在半刚性线圈(2)，将半刚性线圈(2)与周围土体的相互作用转化为有机玻璃套管(3)与周围土体的相互作用，极大地减小了土体摩擦力对半刚性线圈(2)的影响。有机玻璃套管(3)上端至少超过土体表面5厘米，防止填土过程中土体进入到有机玻璃套管(3)中。
所述弹性回旋器(4)是一种可伸长和收缩的弹簧。弹性回旋器(4)一端与半刚性线圈(2)相连接，半刚性线圈(2)下沉时，弹性回旋器(4)发生收缩变形；半刚性线圈(2)隆起时，弹性回旋器(4)发生伸长变形。弹性回旋器(4)另一端与位移传感器(5)相连，将位移数据传递给位移传感器(5)。
所述位移传感器(5)一端与弹性回旋器(4)相连，接受来自弹性回旋器(4)的位移数据。位移传感器(5)另一端与无线传感器(6)相连，将位移数据转化为电信号传递给无线传感器(6)。
所述无线传感器(6)与位移传感器(5)相连，接受来自位移传感器(5)的电信号，并通过无线传输，将数据传递到数据接收平台(9)。
所述锂电池板(7)为位移传感器(5)和无线传感器(6)提供电源，并且锂电池板(7)可反复充电，循环利用。
所述树脂外壳(8)作为一个容器，弹性回旋器(4)、位移传感器(5)、无线传感器(6)和锂电池板(7)按照一定的顺序和规则固定在树脂外壳(8)中。
所述数据接收平台(9)是一台移动笔记本电脑，接收来自无线传感器(6)的电信号，并将其转化为具体数值储存在笔记本电脑中。
一种用于盾构隧道开挖过程中土体地中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开挖过程中土体地中位移的监测，探究周围土体的变形规律，保证盾构隧道的正常开挖。
其监测方案包括：土体地中位移的横断面监测方案、土体地中位移的纵断面监测方案。
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开挖阶段。
土体地中位移的横断面监测方案：用于监测横断面上土体的位移。横断面监测方案包含5个横向监测断面：沿着隧道纵向，分别位于2D，4D，6D，8D和10D对应的位置上。在每个横向监测断面上，布设10个监测点：分两层布设在隧道顶点上方D和2D对应的位置上；每层布设的监测点为5个，在隧道中轴线及中轴线两侧：-3D，-1D，0，2D和4D对应的位置上。D为盾构隧道直径。
土体地中位移的纵断面监测方案：用于监测纵断面上土体的位移。纵断面监测方案包含5个纵向监测断面，沿着隧道横向，分布在隧道中心线和中心线两侧：-3D，-1D，0，2D和4D对应的位置上。在每个纵断面上，布设10个监测点：分两层布设在隧道顶点上方D和2D对应的位置上；每层布设的监测点为5个，沿着隧道纵向：2D，4D，6D，8D和10D所对应的位置上。D为盾构隧道直径。
该试验方法包括以下试验步骤：
Step 1：填土至第一层监测装置布设高度，静置24h；
Step 2：安装第一层监测装置并填土至第二层监测装置布设高度，静置24h；
Step 3：安装第二层监测装置并填土至规定高度，静置24h；
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：使用盾构机进行开挖，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开挖过程中土体地中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，实现土体地中位移数据的无线传输；②本发明引入弹性回旋器，将位移大小转变旋转弧度，为可实现对同一位置，不同高度的多层土体位移的同时监测；③本发明采用有机玻璃套管，极大地减少了土体摩擦力对监测装置的影响，提高试验精度；④本发明监测装置位于试验箱内，克服了传统有线传输中试验人员容易干扰传输线的缺点，避免人为扰动对监测装置的影响；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土体地中位移监测的监测装置示意图
图2土体地中位移监测方案平面布置图
图3土体地中位移监测方案的横断面Hi(i＝1,2,3,4,5)布置图
图4土体地中位移监测方案的纵断面Zi(i＝1,2,3,4,5)布置图
图5盾构隧道开挖试验监测结构示意图
图6盾构隧道开挖过程中土体地中位移监测的试验流程图
图中标号：
图1为土体地中位移监测的监测装置示意图：刚性薄板(1)、半刚性线圈(2)、有机玻璃套管(3)、弹性回旋器(4)、位移传感器(5)、无线传感器(6)、锂电池板(7)、树脂外壳(8)和数据接收平台(9)。
图2为土体地中位移监测方案平面布置图：监测方案横断面共有5个，分别是H1，H2，H3，H4和H5；监测方案纵断面共有5个，分别是Z1，Z2，Z3，Z4和Z5。
图3为土体地中位移监测方案的横断面Hi(i＝1,2,3,4,5)布置图：在每个横向监测断面上，布设10个监测点，分两层布设在隧道顶点上方D和2D对应的位置上；每层布设的监测点为5个，在隧道中轴线及中轴线两侧-3D，-1D，0，2D和4D对应的位置上。D为盾构隧道直径。
图4为土体地中位移监测方案的纵断面Zi(i＝1,2,3,4,5)布置图：在每个纵断面上，布设10个监测点，分两层布设在隧道顶点上方D和2D对应的位置上；每层布设的监测点为5个，沿着隧道纵向2D，4D，6D，8D和10D所对应的位置上。D为盾构隧道直径。
图5为盾构隧道开挖试验监测结构示意图：数据接收平台(9)，支撑杆(10)，模型箱(11)和盾构机(12)。
图6为盾构隧道开挖过程中土体地中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开挖过程中土体地中位移监测的装置图，包括刚性薄板(1)、半刚性线圈(2)、有机玻璃套管(3)、弹性回旋器(4)、位移传感器(5)、无线传感器(6)、锂电池板(7)、树脂外壳(8)和数据接收平台(9)。刚性薄板(1)布设在监测点位，和套有有机玻璃套管(3)的半刚性线圈(2)连接。随着刚性薄板(1)的移动，弹性回旋器(4)发生伸长或收缩，并将变形传递给位移传感器(5)。位移传感器(5)、无线传感器(6)和锂电池板(7)被树脂外壳(8)包裹成一个整体，位移传感器(5)通过无线传感器(6)将数据传输给数据接收平台(9)。
参照图2，本发明一实施例中所提供的土体地中位移监测方案平面布置图：监测方案横断面共有5个，分别是H1，H2，H3，H4和H5；监测方案纵断面共有5个，分别是Z1，Z2，Z3，Z4和Z5。
参照图3，本发明一实施例中所提供的土体地中位移监测方案横断面Hi(i＝1,2,3,4,5)布置图：在每个横向监测断面上，布设10个监测点，分两层布设在隧道顶点上方200mm和400mm对应的位置上；每层布设的监测点为5个，在隧道中轴线及中轴线两侧-600mm，-200mm，0，400mm和800mm对应的位置上。
参照图4，本发明一实施例中所提供的土体地中位移监测方案的纵断面Zi(i＝1,2,3,4,5)布置图：在每个纵断面上，布设10个监测点，分两层布设在隧道顶点上方200mm和400mm对应的位置上；每层布设的监测点为5个，沿着隧道纵向400mm，800mm，1200mm，1600mm和2000mm所对应的位置上。
参照图5，本发明一实施例中所提供的盾构隧道开挖试验监测结构示意图：土体地中位移监测装置的刚性薄板(1)、半刚性线圈(2)和有机玻璃套管(3)布设在模型箱(11)内，树脂外壳(8)固定在支撑杆(10)上，在盾构机(12)开挖的过程中，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(9)。
参照图6，为本发明一实施例中所提供的盾构隧道开挖过程中土体地中位移监测的试验流程图，结合试验过程，其试验步骤如下：
①填土至第一层监测装置布设高度，静置24h；②安装第一层监测装置并填土至第二层监测装置布设高度，静置24h；③安装第二层监测装置并填土至规定高度，静置24h；④调试监测装置，把数据接受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使用盾构机进行开挖，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开挖过程中土体地中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，实现土体地中位移数据的无线传输。同时引入弹性回旋器，可实现对同一位置，不同高度的多层土体位移的同时监测。本发明采用有机玻璃套管，极大地减少了土体摩擦力对监测装置的影响，提高试验精度。本发明监测装置位于试验箱内，克服了传统有线传输中试验人员容易干扰传输线的缺点，避免人为扰动对监测装置的影响。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)
1.一种用于土体地中位移监测的装置，其特征在于：包括刚性薄板(1)、半刚性线圈(2)、有机玻璃套管(3)、弹性回旋器(4)、位移传感器(5)、无线传感器(6)、锂电池板(7)、树脂外壳(8)和数据接收平台(9)；刚性薄板(1)与半刚性线圈(2)相连接将土体地中位移的变化传递到位移传感器(5)；所述半刚性线圈(2)是一种不可伸长的细钢绞线；半刚性线圈(2)下端与刚性薄板(1)连接，并通过弹性回旋器(4)将固定后的刚性薄板(1)拉直；柔性线圈(2)套在有机玻璃套管(3)中；所述有机玻璃套管(3)是一种外表面光滑的细玻璃管；有机玻璃套管(3)套有半刚性线圈(2)；所述位移传感器(5)一端与弹性回旋器(4)相连，接受来自弹性回旋器(4)的位移数据；位移传感器(5)另一端与无线传感器(6)相连，将位移数据转化为电信号传递给无线传感器(6)；所述无线传感器(6)接收来自位移传感器(5)的电信号，并通过无线传输，将数据传递到数据接收平台(9)；所述锂电池板(7)为位移传感器(5)和无线传感器(6)提供电源；所述树脂外壳(8)作为一个容器，弹性回旋器(4)、位移传感器(5)、无线传感器(6)和锂电池板(7)按照一定的顺序和规则固定在树脂外壳(8)中；所述数据接收平台(9)接收来自无线传感器(6)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所述的一种用于土体地中位移监测的装置，其特征在于：所述刚性薄板(1)是一种圆形刚性材质的薄板；刚性薄板(1)埋设在土体地中位移的监测点位，随着土体的隆起或下沉而产生位置的变化。
3.根据权利要求1所述的一种用于土体地中位移监测的装置，其特征在于：有机玻璃套管(3)上端至少超过土体表面5厘米，防止填土过程中土体进入到有机玻璃套管(3)中。
4.根据权利要求1所述的一种用于土体地中位移监测的装置，其特征在于：弹性回旋器(4)一端与半刚性线圈(2)相连接，半刚性线圈(2)下沉时，弹性回旋器(4)发生收缩变形；半刚性线圈(2)隆起时，弹性回旋器(4)发生伸长变形；弹性回旋器(4)另一端与位移传感器(5)相连，将位移数据传递给位移传感器(5)。
5.根据权利要求1所述的一种用于土体地中位移监测的装置，其特征在于：所述弹性回旋器(4)是一种可伸长和收缩的弹簧。
6.一种用于盾构隧道开挖过程中土体地中位移监测的试验方法，其特征在于：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开挖过程中土体地中位移的监测，探究周围土体的变形规律，保证盾构隧道的正常开挖；
监测方案包括：土体地中位移的横断面监测方案、土体地中位移的纵断面监测方案；
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开挖阶段；
土体地中位移的横断面监测方案：用于监测横断面上土体的位移；横断面监测方案包含5个横向监测断面：沿着隧道纵向，分别位于2D，4D，6D，8D和10D对应的位置上；在每个横向监测断面上，布设10个监测点：分两层布设在隧道顶点上方D和2D对应的位置上；每层布设的监测点为5个，在隧道中轴线及中轴线两侧：-3D，-1D，0，2D和4D对应的位置上；D为盾构隧道直径；
土体地中位移的纵断面监测方案：用于监测纵断面上土体的位移；纵断面监测方案包含5个纵向监测断面，沿着隧道横向，分布在隧道中心线和中心线两侧：-3D，-1D，0，2D和4D对应的位置上；在每个纵断面上，布设10个监测点：分两层布设在隧道顶点上方D和2D对应的位置上；每层布设的监测点为5个，沿着隧道纵向：2D，4D，6D，8D和10D所对应的位置上；D为盾构隧道直径；
该试验方法包括以下试验步骤：
Step 1：填土至第一层监测装置布设高度，静置24h；
Step 2：安装第一层监测装置并填土至第二层监测装置布设高度，静置24h；
Step 3：安装第二层监测装置并填土至规定高度，静置24h；
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：使用盾构机进行开挖，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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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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