CN114754879A - 高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统及方法 - Google Patents

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汪双杰
陈建兵
董长松
梁世豪
金龙
蕫元宏
张玉伟
杨腾添
何十美
周冠南
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CCCC First Highway Consultants Co Ltd
Xian University of Architecture and Technology
China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co Ltd
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CCCC First Highway Consultants Co Ltd
Xian University of Architecture and Technology
China Railway Construction Bridge Engineering Bureau Group Co Ltd
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Abstract

本发明公开了高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统及方法。本发明的系统以数值模拟为基础获取初始温度场，提出了经济有效的监测方案，通过在隧道内围岩内设置气温传感器、衬砌温度传感器和围岩温度传感器，形成温度梯度，而不是简单的间隔距离设置代表性断面，本发明根据经验考虑了对称效应，在关键监测面上设置拱顶、拱腰和拱底三个温度监测孔，同时监测隧道衬砌和围岩的温度。隧道空气温度监测孔设置于拱顶，用于监测隧道气温。相较于其他现有的监测方案，在截面布局上和监测点位设置上更加经济合理，能够高效准确地监测隧道关键区域的温度数据，从而更安全有效地开展隧道设计、施工、运营与维护工作。

Description

高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统及方法
技术领域
本发明属于隧道监测领域，具体涉及一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统及方法。
背景技术
高寒海拔地区隧道冻害问题一直困扰着隧道设计、施工以及运营过程，对隧道有重大危害，工程中需要对寒区隧道温度场进行有效监测。而现有温度场监测手段多为人工监测，在准确性，及时性，持续性上有待提高，且现有的监测系统和手段还难以对未来温度进行预测和实现三维可视化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统及方法，能够高效准确地监测隧道关键区域的温度数据，从而更安全有效地开展隧道设计、施工、运营与维护。
为了达到上述目的，高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，包括监测系统、总控系统和显示系统；
监测系统包括设置在隧道内的气温传感器，隧道衬砌内设置有衬砌温度传感器，隧道内围岩内设置有围岩温度传感器，隧道内设置有数据采集器，数据采集器用于采集气温传感器、衬砌温度传感器和围岩温度传感器的数据，数据采集器连接数据适配器，数据适配器连接信号控制台，信号控制台与总控系统保持通讯；
总控系统包括主机和控制台，主机连接控制台，用于接收监测系统的信号，控制台用于通过预设的程序对所收集数据进行温度模型建立，并发送至显示系统；
显示系统将接收到的信息通过软件进行三维可视化显示。
数据适配器通过电桩接入隧道电力系统。
信号控制台与总控系统通过无线信号保持通讯。
数据采集器通过数据采集器连接数据适配器。
数据采集器接入数据适配器的数据接入台。
控制台通过交互界面控制。
显示系统包括显示屏和鼠标，显示屏连接主机与鼠标，且内置可视化软件。
一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测方法，包括以下步骤：
S1，搜集隧道区域工程地质条件和区域气候资料；
S2，根据地质参数，对围岩和衬砌的温度场进行数值模拟分析，得到隧道在围岩冻融深度与温度分布曲线，从而得到最冷月时围岩的温度分布情况；
S3，在衬砌拱顶、左边墙和拱底分别布设衬砌温度监测点与围岩温度监测点，在隧道拱顶一衬外侧布设一个空气温度监控点，将采集到的数据发送至总控系统，总控系统将数据以径向，纵向及时间三个自变量建立隧道温度场模型；
S4，将隧道温度场模型与最冷月时围岩的温度分布情况相结合，建立隧道温度场预测模型。
S1中，隧道区域工程地质条件和区域气候资料包括隧道运行期已有监测信息、气候信息、地层信息和隧道周边岩层勘探信息。
S3中，在衬砌温度监测点与围岩温度监测点内埋设传感器，均匀置于监测孔内部，并以注浆混凝土进行密封并抹平洞口。
与现有技术相比，本发明的系统以数值模拟为基础获取初始温度场，提出了经济有效的监测方案，通过在隧道内围岩内设置气温传感器、衬砌温度传感器和围岩温度传感器，形成温度梯度，而不是简单的间隔距离设置代表性断面，同时根据经验考虑了对称效应，在关键监测面上设置拱顶、拱腰和拱底三个温度监测孔，同时监测隧道衬砌和围岩的温度。隧道空气温度监测孔设置于拱顶，用于测量隧道气温。相较于其他现有的监测方案，在截面布局上和监测点位设置上更加经济合理，能够高效准确地监测隧道关键区域的温度数据，从而更安全有效地开展隧道设计、施工、运营与维护。
本发明的方法能够通过既有的环境气温与洞内实测气温合，建立洞内温度预测函数，在此基础上，建立隧道围岩温度和隧道内气温的数学关系，进而结合气温预测函数建立隧道温度场预测模型。通过实时对比监测与预测的隧道温度，修改和完善温度预测模型，使温度场预测值更接近真实，为高寒高海拔地区隧道温度场自动监测工作提供更加安全有效的指导。
附图说明
图1为本系统结构示意图；
图2为隧道代表性断面测点布设图；
图3为温度监控点细部图；
图4为隧道进口段纵向监测面布设示意图；
图5为隧道中间段纵向监测面布设示意图；
图6为隧道出口段纵向监测面布设示意图；
其中，1、监测系统；2、总控系统；3、显示系统；4、气温传感器；5、衬砌温度传感器；6、围岩温度传感器；7、数据采集器；8、数据传输线；9、数据适配器；10、数据接入台；11、信号控制台；12、无线信号；13、电桩；14、主机；15、控制台；16、交互界面；17、显示器；18、鼠标；19、可视化软件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，包括监测系统1、总控系统2和显示系统3；
监测系统1包括设置在隧道内的气温传感器4，隧道衬砌内设置有衬砌温度传感器5，隧道内围岩内设置有围岩温度传感器6，隧道内设置有数据采集器7，数据采集器7用于采集气温传感器4、衬砌温度传感器5和围岩温度传感器6的数据，数据采集器7连接数据适配器9，数据适配器9连接信号控制台11，信号控制台11与总控系统2保持通讯；数据适配器9通过电桩13接入隧道电力系统。信号控制台11与总控系统2通过无线信号12保持通讯。数据采集器7通过数据采集器8连接数据适配器9。数据采集器8接入数据适配器9的数据接入台10。
总控系统2包括主机14和控制台15，主机14连接控制台15，主机14用于接收监测系统1的信号，控制台15用于通过预设的程序对所收集数据进行温度模型建立，并发送至显示系统3；控制台15通过交互界面16控制。总控系统2负责收集与处理信息，将隧道监测数据建立成三维温度模型，投送到显示屏17中进行直观显示，并承担全部的预测与学习功能。
显示系统3用于将接收到的信息进行显示。显示系统3包括显示屏17，显示屏17连接主机14，主机14连接鼠标18，主机14内置可视化软件19。显示系统3以径向坐标、纵向坐标，以及时间变化三者为自变量进行隧道温度模型的直观表达。
参见图2和图3，高寒高海拔地区隧道温度场自动监测方法，包括以下步骤：
步骤一，搜集地区气象资料与隧道工程地质资料，包括隧道运行期已有监测信息，气候信息，地层信息，隧道周边岩层勘探信息等；
步骤二，通过上述资料进行数值模拟得到隧道温度云图；
步骤三，根据模拟温度场制定监测方案，部署系统平台；
步骤四，进行器材现场安装与测试；
步骤五，系统投入运行，并将实测温度进行三维可视化展示。
步骤六，进行函数拟合，进行未来温度预测，得到温度预测模型；
步骤七，将预测模型与实测数据进行比对，不断改进和完善预测模型；
为同时实现监测要求与成本要求，本系统提出了高效的设置监测断面方式：自洞口开始至出口结束，以温度梯度(如间隔2℃)为标准设置一监测断面。为获取隧道监测断面，需要在前期工程地质资料与气象资料搜集的基础上采用FLAC3D等数值分析软件进行衬砌与围岩温度场模拟。为确保检测方案适用于各类工况，对隧道进行为期一年的模拟分析，径向测点布置以径向最大冻融深度为依据(最外侧测点应超过冻融深度，且在冻融范围适当加密)，从而得到代表性断面与监测点布设深度。数值模拟应当获取如下关键结果，从而得到隧道衬砌围岩温度模型：
1)最冷/暖月隧道围岩纵向温度云图；
2)最冷/暖月隧道围岩径向温度云图；
3)最冷/暖月隧道围岩最大冻结深度；
隧道温度场预测模型的建议基于气温预测模型和已有隧道温度监测数据，根据既有工程地质资料和隧址区气象资料的整理，建立隧道内气温拟合函数，预测其在未来的变化趋势，从而得到未来的隧道气温。根据以后的隧道实测温度数据和隧道实测气温值建立数学相关关系，然后结合气温预测函数建立隧道温度预测模型，并将预测值和后期的实测值进行对比和训练，不断提高预测精准度，完善温度预测模型。
高寒高海拔地区隧道温度场自动检测系统特征在：将基于本系统的数据采集方法与将上述数值模拟分析的关键参数应用于监测方案：1)隧道围岩径向最大冻结深度；2)隧道纵向温度梯度。为同时满足监测需要与成本控制要求，监测方案如下所示：
1)纵向监测断面根据围岩温度场分布进行布设
为适应更多环境状况，以隧道全年温度模拟值为基本参考数据；
以最冷月隧道洞口环境温度为基础准开始进行监测断面布设；
隧道纵向温度与前一个监测断面相比每变化2℃设置一断面；
2)径向监测断面根据围岩最大冻融深度进行布设
围岩温度场监测深度与模拟得到最大冻融深度有关(取2倍冻融深度)；
径向测点从初衬二衬交界面与至监测孔端部均匀分布，冻融线附近可适当加密；
各断面在拱顶，拱底，左边墙各设置一个温度监测孔；
隧道环境温度监测点设置在拱顶，监测洞内空气温度。
实施例：
参见图4、图5和图6，本发明包括以下步骤：
步骤一、搜集隧道区域工程地质条件和区域气候资料：包括隧道运行期已有监测信息，气候信息，地层信息，隧道周边岩层勘探信息等；
步骤二、根据地质参数进行数值模拟：运用FLAC3D等数值分析软件，导入步骤一所得已有地质信息和温度参数，对围岩和衬砌的温度场进行数值模拟分析，得到隧道在围岩冻融深度与温度分布曲线，从而得最冷月时围岩的温度分布情况，为布设监测系统提供参考：
步骤三、确定监测方案：对负温段选取监测断面进行关键点布设，在衬砌拱顶，左边墙，拱低三个点各设置一个温度监测孔，布设衬砌温度监测点5与围岩温度监测点6，径向监测孔以2倍冻深作为监测深度，监测点位沿监测孔径向分布。在隧道拱顶一衬外侧布设一个空气温度监控点4。
步骤四、安装，测试监测系统1：本发明仅给出初步安装思路，具体操作可以在实际工程中有所改动。在温度检测点埋设传感器，均匀置于监测孔内部，并以注浆混凝土进行密封，抹平洞口以保证测量结果的准确性。传感器通过引线连接至本截面数据采集器7，以待汇总处理。
步骤五、代表性断面数据传输至总控系统2：数据采集器7安装与所监测代表性断面，通过数据传输线8连接至安装与洞口的数据适配器9，再由数据适配器9进行监测数据的汇总与转化，通过无线信号控制台11将所有监测断面监测数据以无线信号12的形式发送至总控系统2的主机14，在此将数据以径向，纵向及时间三个自变量建立直观的隧道温度场模型。
步骤六、可视化平台连接和温度场预测：总控系统2连接显示系统3的显示屏17，通过建立隧道温度模型直观显示采集的数据，可通过显示系统的相关软件以隧道径向和纵向坐标，以及时间变化三个要素为基准进行温度场显示，如：
关键点温度和代表性断面温度场随时间变化图
隧道整体温度场随时间变化图
任意断面、任意测点在任意实测的温度值
并且通过既有的环境气温与洞内实测气温合，建立洞内温度预测函数，在此基础上，建立隧道围岩温度和隧道内气温的数学关系，进而结合气温预测函数建立隧道温度场预测模型。通过实时对比监测与预测的隧道温度，修改和完善温度预测模型，使温度场预测值更接近真实。
本发明提出了一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于通过前期数值模拟得到初步温度场，据此设置了更经济有效的温度场监测方法，使用更少的监测点位来达到更好的监测效果。通过数据适配器中转数据采集器与总控系统，再于总控系统进行数据储存和处理，将温度场按径向，纵向，时间轴三个变量进行动态三维显示，更加直观地展现检测效果。本发明还提出了温度场预测体系，能实时根据实测数据修正预测函数，从而更加安全有效地为高寒高海拔地区隧道温度场监测工作提供指导。

Claims (10)

1.高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，包括监测系统(1)、总控系统(2)和显示系统(3)；
监测系统(1)包括设置在隧道内的气温传感器(4)，隧道衬砌内设置有衬砌温度传感器(5)，隧道内围岩内设置有围岩温度传感器(6)，隧道内设置有数据采集器(7)，数据采集器(7)用于采集气温传感器(4)、衬砌温度传感器(5)和围岩温度传感器(6)的数据，数据采集器(7)连接数据适配器(9)，数据适配器(9)连接信号控制台(11)，信号控制台(11)与总控系统(2)保持通讯；
总控系统(2)包括主机(14)和控制台(15)，主机(14)连接控制台(15)，主机(14)用于接收监测系统(1)的信号，控制台(15)用于通过预设的程序对所收集数据进行温度模型建立，并发送至显示系统(3)；
显示系统(3)用于将接收到的信息进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，数据适配器(9)通过电桩(13)接入隧道电力系统。
3.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，信号控制台(11)与总控系统(2)通过无线信号(12)保持通讯。
4.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，数据采集器(7)通过数据采集器(8)连接数据适配器(9)。
5.根据权利要求4所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，数据采集器(8)接入数据适配器(9)的数据接入台(10)。
6.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，控制台(15)通过交互界面(16)控制。
7.根据权利要求1所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测系统，其特征在于，显示系统(3)包括显示屏(17)，显示屏(17)连接主机(14)，主机(14)连接鼠标(18)，主机(14)内置可视化软件(19)。
8.一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，搜集隧道区域工程地质条件和区域气候资料；
S2，根据地质参数，对围岩和衬砌的温度场进行数值模拟分析，得到隧道在围岩冻融深度与温度分布曲线，从而得到最冷月时围岩的温度分布情况；
S3，在衬砌拱顶、左边墙和拱底分别布设衬砌温度监测点与围岩温度监测点，在隧道拱顶一衬外侧布设一个空气温度监控点，将采集到的数据发送至总控系统，总控系统将数据以径向，纵向及时间三个自变量建立隧道温度场模型；
S4，将隧道温度场模型与最冷月时围岩的温度分布情况相结合，建立隧道温度场预测模型。
9.根据权利要求8所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测方法，其特征在于，S1中，隧道区域工程地质条件和区域气候资料包括隧道运行期已有监测信息、气候信息、地层信息和隧道周边岩层勘探信息。
10.根据权利要求8所述的一种高寒高海拔地区隧道温度场自动监测方法，其特征在于，S3中，在衬砌温度监测点与围岩温度监测点内埋设传感器，均匀置于监测孔内部，并以注浆混凝土进行密封并抹平洞口。
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CN115754228A (zh) * 2022-11-07 2023-03-07 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 高寒高海拔地区隧道室内模拟试验装置及制作和试验方法

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