CN114596692A - 一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程中的地下工程施工及运维技术领域，可用于地铁、地下管廊、地下储油储气等地下结构工程的健康监测，确定地下结构安全，避免外部作业或管道泄漏对地下结构的破坏。本发明提供了一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，包括内部监测子系统，用于采集地下结构内部不同位置的加速度数据；外部监测子系统，用于采集地层结构不同深度监测振动源的振动参数；远程数据处理子系统，与所述内部监测子系统和外部监测子系统连接，用于接收和分析计算所述内部监测子系统和外部监测子系统采集到数据，并发送预警信息；移动终端，与所述远程数据处理子系统连接，并接收远程数据处理子系统发送的预警信息。
Description
技术领域
本发明属于土木工程中的地下工程施工及运维技术领域，具体涉及为一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统。
背景技术
地下结构于地下，易因周边地表、地层中的其他施工作业破坏，如近距离打桩作业击穿地下结构、地下结构上覆土层开挖引起地下结构上浮破坏、周边爆破作业引起地下结构振动破坏。
本发明基于传感器监测技术，对地下结构周边作业进行振动监测，通过识别振动监测的位置、类型、影响程度，开展相关结构保护工作。
一般情况下，地铁、地下管廊会设置结构保护区范围，如设置控制保护区：(一)地下车站与隧道周边外侧50米内；(二)地面和高架车站以及线路轨道外边线外侧30米内；(三)出入口、通风亭、变电站等建筑物、构筑物外边线外侧10米内。
当有外部作业需要在控制保护区范围内开展作业时，应提前做好手续办理，一旦未审批盲目作业极易造成地下结构破坏。
本发明目的为：(1)对于未办理地下结构控制保护区周边范围的外部作业或管道泄漏进行辨识预警、第一时间确定其位置和作业类型，推送管理人员核查；(2)对于已办理地下结构控制保护区范围内的外部作业行为进行监测，监督其是否符合申报审批手续内容；(3)对于地下结构进行健康监测；(4)特殊情况下的，预警应急管理。
用于辨识分析地下结构周边范围外部作业或管道泄漏类型，如：爆破、液压破碎锤、旋挖钻机、冲击钻机、地质钻机等作业类型和给排水管道、供热管道泄漏等。
发明内容
(一)发明目的
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，可用于地铁、地下管廊、地下储油储气等地下结构工程的健康监测，确定地下结构安全，避免外部作业或管道泄漏对地下结构的破坏。
(二)技术方案
本发明提供了一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，包括内部监测子系统，用于采集地下结构内部不同位置的加速度数据；
外部监测子系统，用于采集地层结构不同深度监测振动源的振动参数；
远程数据处理子系统，与所述内部监测子系统和外部监测子系统连接，用于接收和分析计算所述内部监测子系统和外部监测子系统采集到数据，并发送预警信息；
移动终端，与所述远程数据处理子系统连接，并接收远程数据处理子系统发送的预警信息。
优选的，所述内部监测子系统包括三向力平衡加速度计传感器、数据采集箱、有线数据线、供电设备，其中数据采集箱可以与三向力平衡加速度计传感器一对一或者一个数据采集箱对应多个三向力平衡加速度计传感器，三向力平衡加速度计传感器与数据采集箱采用有线连接，数据采集箱通过长距离有线数据线与服务器进行通信或有线数据线传输至地表再进行无线传输至服务器，供电设备一端与地下结构的供电系统连接，为三向力平衡加速度计传感器、数据采集箱供电。
优选的，所述外部监测子系统包括光纤光栅加速度传感器、数据解调仪、无线收发器和太阳能供电设备，其中光纤光栅加速度传感器与数据解调仪采用短距离有线连接，数据解调仪与无线收发器采用短距离有线连接，无线收发器通过4/5G、WIFI网络与远程数据处理子系统中的服务器进行通信，太阳能供电设备通过太阳能转化电能为光纤光栅加速度传感器、数据解调仪和无线收发器供电。
优选的，所述远程数据处理子系统由服务器、过滤算法模块、计算算法模块、评价算法模块、网络组成，服务器通过网络与内部监测子系统、外部监测子系统、移动终端设备连接进行数据通信，服务器通过网络过滤算法模块、计算算法模块、评价算法模块连接，过滤算法模块负责清洗数据，去除地下结构自身的地铁车辆振动、人员振动影响及地表车辆等振动影响，计算算法模块接收过滤算法模块处理过的数据，计算振动源的可能位置，评价算法模块接收过滤算法模块处理过的数据，进行影响和预警等级分析，计算算法模块、评价算法模块计算结果通过网络推送至移动终端设备，管理人员查看移动终端设备信息进行现场核实，先在地表确定地下结构的大致走向，在地下结构周边横向50-100m、纵向100-500m的位置布设地层结构中的光纤光栅加速度传感器。
优选的，所述地下结构内部安装多个点式三向力平衡加速度计传感器、外部地层中从地面向下钻孔安装线形光纤光栅加速度传感器，通过传感器和相应数据采集器采集地下结构内、外部环境中作业参数，地下结构内部安装多个点式三向力平衡加速度计传感器主要用于采集数据评估地下结构健康状态和受影响程度，辅助采集数据辨识判断外部作业或管道泄漏的作业位置、作业类型；外部地层中安装光纤光栅加速度传感器主要用于采集数据辨识判断外部作业的作业位置、作业类型，两种传感器内外互补。
优选的，所述地下结构内部安装多个点式三向力平衡加速度计传感器，呈Z字形布置于地下结构内表面的两侧；外部地层结构中安装光纤光栅加速度传感器沿地下结构呈Z字形布置于地下结构外部的两侧，在地下结构周边横向50-100m、纵向100-500m的位置布设地层结构中的光纤光栅加速度传感器。
优选的，所述远程数据处理子系统中的评价算法模块对计算出的外部作业状态和地下结构健康状态进行判别评价，评价算法模块采用双控四项指标，即地层和地下结构的加速度峰值和速度峰值双控四项指标综合评判影响和预警等级，分等级进行管理和预警响应，其中：地层中振动加速度控制值、地层中振动速度控制值达到0.025g、0.25cm/s时为二级预警，0.1g、2.5cm/s时为三级预警；结构振动加速度绝对值控制值、结构振动速度绝对值控制值达到0.025g、0.25cm/s时为一级预警，0.1g、2.5cm/s时为二级预警，0.5g、1cm/s时为三级预警，一旦超过结构预警限值，立即推送至终端设备，现场工程师开展外部作业或管道泄漏情况核查。
优选的，所述地层结构中的光纤光栅加速度传感器是沿竖向布置的带状连续布置的m个传感器或者带状两头布置传感器的光纤光栅加速度传感器，通过在地层结构中不同深度监测振动源的振动参数，来确定地层结构振源深度和水平位置，根据振动传播原理，距离振动源最近的传感器最先接收到振动信号，其余按距离近远依次接收到信号；受地层衰弱影响，距离振动源最近的传感器的信号幅值越大，按距离依次减弱；根据规律，任意一点的相对加速度峰值衰减程度近似约等于
L为监测点与振动源的水平直线距离，a、b、c为由地层参数关的系数，a、b、c均为正数，通过最大的几个测点的已知监测点位置坐标、监测点测出的振动加速度和振动速度值，根据插值计算推出振动源水平位置坐标，根据地层、地下结构、地层/地下结构划分三类网格，确定振动源的大致范围，并根据所有传感器中监测值最大的3个点，以便现场核实。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)创新的提出了根据地层、地下结构分别布置外部监测子系统、内部监测子系统，起到内外同时监测；
(2)创新的提出了计算算法模块，即由相对加速度峰值衰减程度与距离之间关系，确定振动源的可能位置；
(3)创新的提了评价方法，即评价算法模块，双控四项指标作为预警分析。
综上所述，其能够实现对于未办理地下结构控制保护区周边范围的外部作业或管道泄漏进行辨识预警、第一时间确定其位置和作业类型，推送管理人员核查；
对于已办理地下结构控制保护区范围内的外部作业行为进行监测，监督其是否符合申报审批手续内容；
对于地下结构进行健康监测；
特殊情况下的，预警应急管理。
附图说明
图1是本发明的系统组成图。
图2是本发明的地下结构位置剖面示意图。
图3是本发明的地下结构位置平面示意图。
附图标记：10、内部监测子系统，101、三向力平衡加速度计传感器、102、数据采集箱，103、有线数据线，104、供电设备，20、外部监测子系统，201光纤光栅加速度传感器，202数据解调仪，203、无线收发器，204、太阳能供电设备，30、远程数据处理子系统，301、服务器，302、过滤算法模块，303、计算算法模块，304、评价算法模块，305、网络，40、移动终端，51、地下结构，52地表，53、地层结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明由现场安装在地下结构51内部的内部监测子系统10、安装在地层结构53中的外部监测子系统20，远程机房中的远程数据处理子系统30和分布在各办公室或者随身携带的移动终端40设备组成。
内部监测子系统10由三向力平衡加速度计传感器101、数据采集箱102、有线数据线103、供电设备组成104，其中数据采集箱102可以与三向力平衡加速度计传感器101一对一或者一个数据采集箱102对应多个三向力平衡加速度计传感器101。三向力平衡加速度计传感器101与数据采集箱102采用有线连接，数据采集箱102通过长距离有线数据线103与服务器301进行通信或有线数据线103传输至地表再进行无线传输至服务器301。供电设备104一端与地下结构51的供电系统连接，为三向力平衡加速度计传感器101、数据采集箱供电102。
外部监测子系统20由光纤光栅加速度传感器201、数据解调仪202、无线收发器203、太阳能供电设备204组成。光纤光栅加速度传感器201与数据解调仪202采用短距离有线连接。数据解调仪202与无线收发器203采用短距离有线连接。无线收发器203通过4/5GWIFI网络与远程数据处理子系统30中的服务器301进行通信。太阳能供电设备204通过太阳能转化电能为光纤光栅加速度传感器201、数据解调仪202、无线收发器203供电。
远程数据处理子系统30由服务器301、过滤算法302、计算算法模块303、评价算法模块304和网络305组成。服务器301通过网络305与内部监测子系统10、外部监测子系统20、移动终端40连接进行数据通信。服务器301通过网络305与过滤算法模块302、计算算法模块303和评价算法模块304连接。过滤算法模块302负责清洗数据，去除地下结构51自身的地铁车辆振动、人员振动影响及地表车辆等振动影响。计算算法模块303接收过滤算法模块302处理过的数据，计算振动源的可能位置。评价算法模块304接收过滤算法模块302处理过的数据，进行影响和预警等级分析。计算算法模块303、评价算法模块304计算结果通过网络305推送至移动终端40设备，管理人员查看移动终端40信息进行现场核实。
先在地表52确定地下结构51的大致走向，在地下结构51周边横向50-100m、纵向100-500m的位置布设地层结构53中的光纤光栅加速度传感器201。
53地层中的光纤光栅加速度传感器201是沿竖向布置的带状连续传感器或者带状两头布置传感器的光纤光栅加速度传感器201，通过在地层结构53中不同深度监测振动源的振动参数，来确定地层结构53振源深度和水平位置。
从地表内向下进行地层结构53钻孔，钻孔直径50-90mm，钻孔深度2-5m，至少底部超过周边大直径给排水、燃气管下底面，以充分发挥监测传感器的数据准确性。
地层结构53中的光纤光栅加速度传感器201宜埋设于空旷绿化带中，远离带有地下室的建构物中。
考虑到土体介质是一种非完全弹性介质，振动参数衰减程度不同。
在不同地质地层结构53位置，振动主频范围、衰减速度略有不同。
在不同深度地层结构53位置，振动主频范围、衰减速度略有不同。
干孔旋挖钻机、泥浆护壁循环钻、冲孔钻机等工艺振动主频范围、衰减速度略有不同。
不同直径成桩施工衰减不同。
不同的周边地下环境条件，振动主频范围、衰减速度略有不同。
在地表浅层中，外部作业所产生的振动波的加速度强度由大到小普遍为竖向＞径向＞切向，竖向频率主要集中在15-25Hz，径向、切向方向振动频率主要集中在40-60Hz。
对地层结构53中的光纤光栅加速度传感器201进行编号，编号原则为D(地层)-AA(区间站点编号)-XX(传感器点编号)-XX(线路走向的左/右)-CC(深度)。
地下结构51内表面色设置的三向力平衡加速度计传感器101编号原则为S(隧道)-AA(区间站点编号)-XX(传感器点编号)-Z/Y(线路走向的左/右)-CC(深度)。
组网网格原则为：分成三类组网网格，一是地层结构53中的光纤光栅加速度传感器201最近3点的网格，二是地下结构51内表面三向力平衡加速度计传感器101最近3点的网格，三是地层结构53中的光纤光栅加速度传感器201和地下结构51内表面三向力平衡加速度计传感器101任意3点的网格。
对地层结构53中的201光纤光栅加速度传感器进行组网编号，WD-AA-XX1-XX2-XX3，其中W代表网、D代表地层，AA代表区间站点编号，XX1、XX2、XX3分别代表三个点编号即上面提到的三个点的XX。
对地下结构51中的三向力平衡加速度计传感器101进行组网编号，WS-AA-XX1-XX2-XX3，其中W代表网、S代表隧道。
对地层结构53中的光纤光栅加速度传感器201、地下结构51中的三向力平衡加速度计传感器101进行组合组网编号，WZ-AA-XX1-XX2-XX3，其中W代表网、Z代表组合。
网格除编号外，还有面积属性。
当传感器出现预警数值时，分别确定三类网格3个最大监测点的WD、WS、WZ网格。
比较WD、WS、WZ三个网格的面积属性，按网格面积由小到大依次排列，以便于现场确定振动源的大概位置。
根据所有传感器中监测值最大的3个点，依据权利要求8中的相对加速度峰值衰减公式确定振动源最可能的位置，以便现场核实。
在竖向加速度上，任意一点的相对加速度峰值衰减程度近似约等于，
其中a、b为系数，L为测点至振源点的水平距离。
本发明实施流程为：
(1)传感器安装、传感器位置坐标测绘；
(2)传感器编号；
(3)监测；
(4)监测数据清洗；
(5-1)选出地层结构53网格传感器中监测值最大的3个点，得出网格编号WD-AA-XX1-XX2-XX3；
(5-2)选出地下结构51网格中传感器监测值最大的3个点,得出网格编号WS-AA-YY1-YY2-YY3；
(5-3)选出地层结构53和地下结构51组合网格传感器中监测值最大的3个点，得出网格编号WZ-AA-ZZ1-ZZ2-ZZ3；
(6)计算WD-AA-XX1-XX2-XX3、WS-AA-YY1-YY2-YY3、WZ-AA-ZZ1-ZZ2-ZZ3三个网格面积，按面积由小到大依次排列，以提供振动源所在区域的大概率范围；
(7)按WZ-AA-ZZ1-ZZ2-ZZ3网格的3个传感器坐标，依据相对加速度峰值衰减程度计算振动源中心位置得最可能位置；
(8)依据振动源振动加速度、振动速度、频率特征，去计算推断外部振动源的类型，如桩机作业、爆破作业、管道渗漏；
(9)根据传感器的监测值确定预警等级，推送至终端设备；
(10)现场根据系统得出的振动源坐标位置和可能的三个网格区域进行现场排查核实。
当多个振动源互相之间的距离远小于传感器监测点至多个振动源形心点的距离时，可以近似将多个振动源的视为一个振动源，位置为多个振动源形心点。
三向力平衡加速度计传感器101、光纤光栅加速度传感器201的测量精度普遍可达到量程值的0.2％，选用量程0.5g、1g、3g的加速度传感器，g为重力加速度，g一般取9.8m/s2，传感器的加速度灵敏度普遍达到mg级，即灵敏度约1cm/s2，完全达到精度要求。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。
Claims (8)
1.一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，包括：
内部监测子系统(10)，用于采集地下结构(51)内部不同位置的加速度数据；
外部监测子系统(20)，用于采集地层结构(53)不同深度监测振动源的振动参数；
远程数据处理子系统(30)，与所述内部监测子系统(10)和外部监测子系统(20)连接，用于接收和分析计算所述内部监测子系统(10)和外部监测子系统(20)采集到数据，并发送预警信息；
移动终端(40)，与所述远程数据处理子系统(30)连接，并接收远程数据处理子系统(30)发送的预警信息。
2.根据权利要求(1)所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述内部监测子系统(10)包括三向力平衡加速度计传感器(101)、数据采集箱(102)、有线数据线(103)、供电设备(104)，其中数据采集箱(102)可以与三向力平衡加速度计传感器(101)一对一或者一个数据采集箱(102)对应多个三向力平衡加速度计传感器(101)，(101)三向力平衡加速度计传感器与(102)数据采集箱采用有线连接，数据采集箱(102)通过长距离有线数据线(103)与服务器(301)进行通信或有线数据线(103)传输至地表再进行无线传输至服务器(301)，供电设备(104)一端与地下结构的供电系统连接，为三向力平衡加速度计传感器(101)、数据采集箱(102)供电。
3.根据权利要求1所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述外部监测子系统(20)包括光纤光栅加速度传感器(201)、数据解调仪(202)、无线收发器(203)和太阳能供电设备(204)，其中光纤光栅加速度传感器(201)与数据解调仪(202)采用短距离有线连接，数据解调仪(202)与无线收发器(203)采用短距离有线连接，无线收发器(203)通过4/5G、WIFI网络与远程数据处理子系统(30)中的服务器(301)进行通信，太阳能供电设备(204)通过太阳能转化电能为光纤光栅加速度传感器(201)、数据解调仪(202)和无线收发器(203)供电。
4.根据权利要求1所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述远程数据处理子系统(30)由服务器(301)、过滤算法模块(302)、计算算法模块(303)、评价算法模块(304)、网络(305)组成，服务器(301)通过网络(305)与内部监测子系统(10)、外部监测子系统(20)、移动终端设备(40)连接进行数据通信，服务器(301)通过网络(305)过滤算法模块(302)、计算算法模块(303)、评价算法模块(304)连接，过滤算法模块(302)负责清洗数据，去除地下结构(51)自身的地铁车辆振动、人员振动影响及地表车辆等振动影响，计算算法模块(303)接收过滤算法模块(302)处理过的数据，计算振动源的可能位置，评价算法模块(304)接收过滤算法模块(302)处理过的数据，进行影响和预警等级分析，计算算法模块(303)、评价算法模块(304)计算结果通过网络(305)推送至移动终端(40)设备，管理人员查看移动终端(40)设备信息进行现场核实，先在地表(52)确定地下结构(51)的大致走向，在地下结构(51)周边横向50-100m、纵向100-500m的位置布设地层结构(53)中的光纤光栅加速度传感器(201)。
5.根据权利要求1所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述地下结构(51)内部安装多个点式三向力平衡加速度计传感器(101)、外部地层结构(53)中从地面向下钻孔安装线形光纤光栅加速度传感器(201)，通过传感器和相应数据采集器采集地下结构(51)内、外部环境中作业参数，地下结构(51)内部安装多个点式三向力平衡加速度计传感器(101)主要用于采集数据评估地下结构(51)健康状态和受影响程度，辅助采集数据辨识判断外部作业或管道泄漏的作业位置、作业类型；外部地层结构(53)中安装光纤光栅加速度传感器(201)主要用于采集数据辨识判断外部作业的作业位置、作业类型，两种传感器内外互补。
6.根据权利要求1所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述地下结构(51)内部安装多个点式三向力平衡加速度计传感器(101)，呈Z字形布置于地下结构(51)内表面的两侧；外部地层结构(53)中安装光纤光栅加速度传感器(201)沿地下结构呈Z字形布置于地下结构(51)外部的两侧，在地下结构周边横向50-100m、纵向100-500m的位置布设地层结构(53)中的光纤光栅加速度传感器(201)。
7.根据权利要求1所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述远程数据处理子系统(30)中的评价算法模块(304)对计算出的外部作业状态和地下结构健康状态进行判别评价，评价算法模块(304)采用双控四项指标，即地层结构(53)和地下结构(51)的加速度峰值和速度峰值双控四项指标综合评判影响和预警等级，分等级进行管理和预警响应，其中：地层中振动加速度控制值、地层中振动速度控制值达到0.025g、0.25cm/s时为二级预警，0.1g、2.5cm/s时为三级预警；结构振动加速度绝对值控制值、结构振动速度绝对值控制值达到0.025g、0.25cm/s时为一级预警，0.1g、2.5cm/s时为二级预警，0.5g、1cm/s时为三级预警，一旦超过结构预警限值，立即推送至终端设备，现场工程师开展外部作业或管道泄漏情况核查。
8.根据权利要求1所述的一种地下铁道、管廊保护区结构监测预警应急系统，其特征在于，所述地层结构(53)中的光纤光栅加速度传感器(201)是沿竖向布置的带状连续布置的m个传感器或者带状两头布置传感器的光纤光栅加速度传感器(201)，通过在地层结构(53)中不同深度监测振动源的振动参数，来确定地层结构(53)振源深度和水平位置，根据振动传播原理，距离振动源最近的传感器最先接收到振动信号，其余按距离近远依次接收到信号；受地层衰弱影响，距离振动源最近的传感器的信号幅值越大，按距离依次减弱；根据规律，任意一点的相对加速度峰值衰减程度近似约等于
L为监测点与振动源的水平直线距离，a、b、c为由地层参数关的系数，a、b、c均为正数，通过最大的几个测点的已知监测点位置坐标、监测点测出的振动加速度和振动速度值，根据插值计算推出振动源水平位置坐标，根据地层、地下结构、地层结构/地下结构划分三类网格，确定振动源的大致范围，并根据所有传感器中监测值最大的3个点，以便现场核实。
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