CN115824471A - 一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构施工监测技术领域，公开了一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法，包括监测球，所述监测球包括多个经向筋和多个纬向筋，所述经向筋上竖直设有受拉筋，所述受拉筋上设有用于监测受拉筋的竖向位移量的光纤光栅传感器；本发明提供的一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法，解决了现有采用压力盒监测仅能进行单向应力监测，无法实现双向应力监测，传统监测需在管片上进行开孔，易对管片结构损坏，同时，压力盒等传感器需要浇筑到混凝土中，安设过程容易损坏的问题。

Description

一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及盾构施工监测技术领域，具体涉及一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法。

背景技术

管片之间的错台、上浮移位监测较为方便，而对于管片本体内部受力监测关注较少，受力较大的管片很可能会产生裂缝、掉块等病害。根据管片构造，其弧线长度一般为宽度的5-6倍，盾构管片在地铁隧道承压条件下，沿管片弧线切向方向以及管片宽度方向会产生双向受力，沿管片弧线切向方向以及管片宽度方向的双向受力监测十分关键。

传统管片应力监测传感器一般采用压力盒，无法实现将多个方向的力转化为竖向的拉力，只能测量垂直方向的压力，也即是，仅能进行单向应力监测，无法实现将多个方向的力转化为竖向的拉力，进而实现双向应力监测；此外，传统监测需在管片上进行开孔，易对管片结构损坏，同时，压力盒等传感器需要浇筑到混凝土中，安设过程容易损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法，用以解决现有技术中存在的至少一个上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种盾构管片双向应力监测装置，包括监测球，所述监测球包括多个经向筋和多个纬向筋，所述经向筋上竖直设有受拉筋，所述受拉筋上设有用于监测受拉筋的竖向位移量的光纤光栅传感器。

本技术方案中，在使用时，将监测球放入盾构管片注浆孔内，由于沿管片弧线切向方向以及管片宽度方向会产生双向受力，在双向受力条件下，盾构管片注浆孔会对监测球产生挤压，监测球的纬向筋和经向筋均会发生变形，由于经向筋上竖直设有受拉筋，则纬向筋和经向筋的变形会使得受拉筋产生相应的竖向位移量，盾构管片注浆孔对监测球产生的横向挤压转换成监测球上不同方位的受拉筋在竖直方向上的受拉作用，这种受拉作用被受拉筋上光纤光栅传感器转换为光信号，则设置在受拉筋上的光纤光栅传感器能够实现对受拉筋竖向位移量的监测，光纤光栅传感器将光信号输出，之后通过识别该光信号，为计算出管片所受到的力的大小及方向起到准确的信息采集效果。本发明，在能够实现上述将盾构管片注浆孔的横向力转化为纵向受拉筋受力的情况下，结合光纤光栅传感器对转换后的受拉筋的竖向位移量的监测，可通过现有算法计算出管片所受到的力的大小及方向，进而判断管片受力是否超限，从而实现管片双向受力的监测。

进一步的，为了达到更好的监测效果，所述监测球设置在盾构管片注浆孔内，所述监测球受盾构管片注浆孔的孔壁挤压使得经向筋变形进而使受拉筋产生竖向位移量。

进一步的，为了更好的调整监测球的监测方位，以提升监测的准确性，所述监测球上设有用于调整监测球方位的定位架。

进一步的，所述监测球处于监测状态下，所述受拉筋的上端和下端均位于同一平面内。也即是，受拉筋需要处于相同标高，纬向筋的横向变形转换为受拉筋竖向变形和传感器信号时，才具有对比性，从而以便计算出监测结果。

进一步的，为了根据现有设计的盾构管片注浆孔的尺寸，对监测球进行适应性的尺寸设计，以便盾构管片注浆孔的孔壁能够对监测球产生挤压，所述监测球具有赤道部，所述赤道部的直径为5cm。

进一步的，为了根据需要达到满足特定的监测效果，所述经向筋的数量大于等于四根，多根经向筋沿着监测球的轴线周向均匀设置。

进一步的，为了实现对光纤光栅的保护，同时为了避免钢管保护套影响受拉筋的变形，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅和钢管保护套，所述光纤光栅嵌设在受拉筋上，所述钢管保护套活动套设在受拉筋外，所述光纤光栅位于钢管保护套内。

进一步的，为了更好的实现对连接线的统一引出，便于与外设设备的连接，所述监测球上设有集线束，所述集线束由设置在监测球上方的集线圈导出。

进一步的，为了更方便的实现对连接线的引出，所述集线圈设置在监测球的顶部中间位置。

本发明还提供一种盾构管片双向应力监测方法，其特征在于，包括所述的一种盾构管片双向应力监测装置，包括如下步骤：

S1、向盾构管片注浆孔内部灌注防水密封材料；

S2、将监测球置于盾构管片注浆孔内；

S3、调整监测球的位置，使得监测球的赤道平面与盾构管片注浆孔的周向平面平行，且监测球的赤道部与盾构管片注浆孔的孔壁相抵接；

S4、再次向盾构管片注浆孔内灌注防水密封材料直至盾构管片注浆孔内被填满；

S5、待盾构管片注浆孔内防水密封材料干透，将光纤光栅传感器的连接线与外设监测设备连接，进入监测状态。

本发明的有益效果为：本技术方案中，在使用时，将监测球放入盾构管片注浆孔内，由于沿管片弧线切向方向以及管片宽度方向会产生双向受力，在双向受力条件下，盾构管片注浆孔会对监测球产生挤压，监测球的纬向筋和经向筋均会发生变形，由于经向筋上竖直设有受拉筋，则纬向筋和经向筋的变形会使得受拉筋产生相应的竖向位移量，盾构管片注浆孔对监测球产生的横向挤压转换成监测球上不同方位的受拉筋在竖直方向上的受拉作用，这种受拉作用被受拉筋上光纤光栅传感器转换为光信号，则设置在受拉筋上的光纤光栅传感器能够实现对受拉筋竖向位移量的监测，光纤光栅传感器将光信号输出，之后通过识别该光信号，为计算出管片所受到的力的大小及方向起到准确的信息采集效果。本发明，在能够实现上述将盾构管片注浆孔的横向力转化为纵向受拉筋受力的情况下，结合光纤光栅传感器对转换后的受拉筋的竖向位移量的监测，可通过现有算法计算出管片所受到的力的大小及方向，进而判断管片受力是否超限，从而实现管片双向受力的监测。

附图说明

图1为本发明监测状态的结构示意图；

图2为本发明中监测球上经向筋和纬向筋的结构示意图；

图3为本发明监测状态的俯视结构示意图；

图4为本发明中光纤光栅传感器设置状态的局部结构示意图。

图中：监测球1；经向筋1.1；纬向筋1.2；赤道部1.3；受拉筋2；光纤光栅传感器3；光纤光栅3.1；钢管保护套3.2；盾构管片注浆孔4；定位架5；集线束6；连接线7；集线圈8。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例1：

如图1-图4所示，本实施例提供一种盾构管片双向应力监测装置，包括监测球1，监测球1包括多个经向筋1.1和多个纬向筋1.2，具体的，可以根据需要，适当增加经向筋1.1和纬向筋1.2的数量，从而增加监测球1的结构稳定性，如图4所示，经向筋1.1上竖直设有受拉筋2，具体的，受拉筋2的两端焊接固定在经向筋1.1上，受拉筋2上设有用于监测受拉筋2的竖向位移量的光纤光栅传感器3。

本技术方案中，由于监测球1包括多个经向筋1.1和多个纬向筋1.2，也即是，经向筋1.1沿着球面的经向设置，纬向筋1.2沿着球面的纬向设置，多个经向筋1.1和多个纬向筋1.2焊接固定形成监测球1，监测球1为球形框架结构，在受到外力的作用下发生变形。具体的，监测球1的形状可以是圆球或者扁球状，监测球1赤道部1.3与盾构管片注浆孔4的孔壁抵接。

本技术方案中，在使用时，将监测球1放入盾构管片注浆孔4内，由于沿管片弧线切向方向以及管片宽度方向会产生双向受力，在双向受力条件下，盾构管片注浆孔4会对监测球1产生挤压，监测球1的纬向筋1.2和经向筋1.1均会发生变形，由于经向筋1.1上竖直设有受拉筋2，则纬向筋1.2和经向筋1.1的变形会使得受拉筋2产生相应的竖向位移量，盾构管片注浆孔4对监测球1产生的横向挤压转换成监测球1上不同方位的受拉筋2在竖直方向上的受拉作用，这种受拉作用被受拉筋2上光纤光栅传感器3转换为光信号，则设置在受拉筋2上的光纤光栅传感器3能够实现对受拉筋2竖向位移量的监测，光纤光栅传感器3将光信号输出，之后通过识别该光信号，为计算出管片所受到的力的大小及方向起到准确的信息采集效果。本发明，在能够实现上述将盾构管片注浆孔4的横向力转化为纵向受拉筋2受力的情况下，结合光纤光栅传感器3对转换后的受拉筋2的竖向位移量的监测，可通过现有算法计算出管片所受到的力的大小及方向，进而判断管片受力是否超限，从而实现管片双向受力的监测。

实施例2：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。

为了达到更好的监测效果，监测球1设置在盾构管片注浆孔4内，监测球1受盾构管片注浆孔4的孔壁挤压使得经向筋1.1变形进而使受拉筋2产生竖向位移量。

实施例3：

本实施例是在上述实施例2的基础上进行优化。

为了更好的调整监测球1的监测方位，以提升监测的准确性，监测球1上设有用于调整监测球1方位的定位架5。具体的，定位架5为设置在监测球1顶部的十字定位架。具体的，十字架定位架的端部与纬向筋1.2焊接固定。此外，定位架5的设置，同时方便手持定位架5将其放置在盾构管片注浆孔4内。

实施例4：

本实施例是在上述实施例2的基础上进行优化。

监测球1处于监测状态下，受拉筋2的上端和下端均位于同一平面内。也即是，受拉筋2需要处于相同标高，纬向筋1.2的横向变形转换为受拉筋2竖向变形和传感器信号时，才具有对比性，从而以便计算出监测结果。

实施例5：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。

为了根据现有设计的盾构管片注浆孔4的尺寸，对监测球1进行适应性的尺寸设计，以便盾构管片注浆孔4的孔壁能够对监测球1产生挤压，监测球1具有赤道部1.3，赤道部1.3的直径为5cm。需确保能够与盾构管片注浆孔4的孔壁相抵接。

实施例6：

本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。

为了根据需要达到满足特定的监测效果，经向筋1.1的数量大于等于四根，多根经向筋1.1沿着监测球1的轴线周向均匀设置。

管片弧线切向方向以及管片宽度方向产生双向受力，这两个力的方向是互相垂直的，即互为90°。也即是，当经向筋1.1的数量等于四根时，即可测得来力方向等于90°的情况；当经向筋1.1的数量大于四根时，即可测得来力方向小于90°的情况；也即是，一个平面360°，根据需要设计不同数量的经向筋1.1及对应数量的受拉筋2，则不同小角度的来力均可测得。

实施例7：

本实施例是在上述实施例6的基础上进行优化。

如图4所示，光纤光栅传感器3包括光纤光栅3.1和钢管保护套3.2，光纤光栅3.1嵌设在受拉筋2上，具体的，光纤光栅3.1的两端可通过高温热接或者强力胶粘接等方式固定在受拉筋2的两端，钢管保护套3.2活动套设在受拉筋2外，从而避免钢管保护套3.2影响受拉筋2的变形，光纤光栅3.1位于钢管保护套3.2内，当灌胶完成后，钢管保护套3.2可以将光纤光栅3.1封闭在钢管保护套3.2内，从而对光纤光栅3.1起到保护作用。需要说明的是，钢管保护套3.2可以是无缝钢管保护套3.2。

较优的，可选择柔性密封材料对无缝钢管保护套3.2的两端进行密封，也即是，无缝钢管保护套3.2的两端分别与受拉筋2的两端之间柔性连接。

实施例8：

本实施例是在上述实施例7的基础上进行优化。

为了更好的实现对连接线7的统一引出，便于与外设设备的连接，监测球1上设有集线束6，集线束6由设置在监测球1上方的集线圈8导出。

需要说明的是，为了方便实现光纤光栅传感器3的连接线7的导出，钢管保护套3.2上具有便于连接线7导出的开口。也即是，连接线7可以从钢管保护套3.2的上端导出之后从集线圈8统一导出。

实施例9：

本实施例是在上述实施例7的基础上进行优化。

为了更方便的实现对连接线7的引出，集线圈8设置在监测球1的顶部中间位置。

上述实施例中，一种盾构管片双向应力监测装置的制作步骤为：

步骤1：根据盾构管片注浆孔4尺寸焊接经向筋1.1和纬向筋1.2，组成监测球1，监测球1的赤道部1.3尺寸可以是5cm，确保能够与盾构管片注浆孔4的孔壁相抵接；

步骤2：在监测球1的纬向筋1.2上焊接定位架5；

步骤3：将光纤光栅3.1与对应部分受拉筋2固定后，套入无缝钢管保护套3.2，从无缝钢管保护套3.2的上端导出光纤光栅传感器3的连接线7，并密封无缝钢管保护套3.2的两端，为了保证无缝密封钢管保护套3.2的设置不影响受拉筋2的变形，因此，较优的，可选择柔性密封材料对无缝钢管保护套3.2的两端进行密封，也即是，无缝钢管保护套3.2的两端分别与受拉筋2的两端之间柔性连接；

步骤4：将带有光纤光栅传感器3的受拉筋2的两端焊接于经向筋1.1，在经向筋1.1有四个的情况下，需要确保四个方位的受拉筋2处于相同的高度，也即是，受拉筋2的上端和下端均分别处于同一平面内；

步骤5：将光纤光栅传感器3的连接线7从集线束6导出。

实施例10：

本发明还提供一种盾构管片双向应力监测方法，其中，包括如实施例1-实施例9中任一实施例所述的一种盾构管片双向应力监测装置，包括如下步骤：

S1、向盾构管片注浆孔4内部灌注防水密封材料，由于盾构管片注浆孔4不都是垂直的，也存在倾斜的情况，比如，盾构侧帮管片或者顶管片上的盾构管片注浆孔4则为倾斜孔，为了确保灌注充分，不出现孔隙及封闭不严的情况，因此，较优的，灌注后的灌注材料上端面与盾构管片注浆孔4的顶端之间的距离应大于等于7cm。

需要说明的是，防水密封材料可以是树脂胶，或者，也可以采用其他能够防水且不对光纤光栅传感器3产生破坏、冲击、腐蚀及信号干扰的材料。

S2、将监测球1置于盾构管片注浆孔4内；

S3、调整监测球1的位置，使得监测球1的赤道平面与盾构管片注浆孔4的周向平面平行，且监测球1的赤道部1.3与盾构管片注浆孔4的孔壁相抵接；

S4、再次向盾构管片注浆孔4内灌注防水密封材料直至盾构管片注浆孔4内被填满；需使灌注的防水密封材料与盾构管片注浆孔4的孔顶齐平，若盾构管片注浆孔4为倾斜孔，则在灌注防水密封材料的过程中需要边挡边灌注。

S5、待盾构管片注浆孔4内防水密封材料干透，将光纤光栅传感器3的连接线7与外设监测设备连接，进入监测状态，通过外设监测设备识别光纤光栅传感器3的信号并通过现有算法得出监测结果，从而起到监测效果。

本发明提出的一种盾构管片双向应力监测装置及监测方法，经向筋1.1和纬向筋1.2焊接形成监测球1，监测球1上不同方位预设受拉筋2，监测球1受挤压使受拉筋2产生的位移量传递给与之固定在一起的光纤光栅传感器3。本发明结构简单、安装快捷、便于操作，以盾构管片注浆孔4为监测孔，减少了对管片结构损坏，监测数据真实有效。

本发明实施时，盾构管片注浆孔4内的监测空间完全灌注树脂胶进行密封，保护本监测装置不进水。设置在盾构管片注浆孔4内的监测球1在受到横向挤压时，监测球1接收横向不同角度的应力，并将力传递至受拉筋2；不同方位受拉筋2的受拉位移量传递至光纤光栅传感器3，受拉筋2产生的位移使光纤光栅传感器3产生对应信号，实现监测过程，通过识别光纤光栅传感器3的信号，并通过现有算法得出监测结果，从而起到监测效果。本监测装置可实现无损双向应力监测，且监测精准可靠。

具体实施时，可以适当增加经向筋1.1的数量，对应增加受拉筋2和光纤光栅传感器3，对横向不同角度受力进行监测，可以加密受拉筋2实现横向多角度应力监测。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：包括监测球，所述监测球包括多个经向筋和多个纬向筋，所述经向筋上竖直设有受拉筋，所述受拉筋上设有用于监测受拉筋的竖向位移量的光纤光栅传感器。

2.根据权利要求1所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述监测球设置在盾构管片注浆孔内，所述监测球受盾构管片注浆孔的孔壁挤压使得经向筋变形进而使受拉筋产生竖向位移量。

3.根据权利要求1所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述监测球上设有用于调整监测球方位的定位架。

4.根据权利要求1所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述监测球处于监测状态下，所述受拉筋的上端和下端均位于同一平面内。

5.根据权利要求1所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述监测球具有赤道部，所述赤道部的直径为5cm。

6.根据权利要求1所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述经向筋的数量大于等于四根，多根经向筋沿着监测球的轴线周向均匀设置。

7.根据权利要求1所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述光纤光栅传感器包括光纤光栅和钢管保护套，所述光纤光栅嵌设在受拉筋上，所述钢管保护套活动套设在受拉筋外，所述光纤光栅位于钢管保护套内。

8.根据权利要求7所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述监测球上设有集线束，所述集线束由设置在监测球上方的集线圈导出。

9.根据权利要求8所述的一种盾构管片双向应力监测装置，其特征在于：所述集线圈设置在监测球的顶部中间位置。

10.一种盾构管片双向应力监测方法，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一权利要求所述的一种盾构管片双向应力监测装置，包括如下步骤：

S1、向盾构管片注浆孔内部灌注防水密封材料；

S2、将监测球置于盾构管片注浆孔内；

S3、调整监测球的位置，使得监测球的赤道平面与盾构管片注浆孔的周向平面平行，且监测球的赤道部与盾构管片注浆孔的孔壁相抵接；

S4、再次向盾构管片注浆孔内灌注防水密封材料直至盾构管片注浆孔内被填满；

S5、待盾构管片注浆孔内防水密封材料干透，将光纤光栅传感器的连接线与外设监测设备连接，进入监测状态。

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