CN116358487A - 一种基于微压地面变形区域面式监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于微压地面变形区域面式监测系统与方法，包括：铺设于地表的多条测线、无线数据采集器及上位机，多条测线通过横、纵交会的方式组网；每条测线包括包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管，橡胶软管之间连接处连接有微压力传感器，用以采集各测点是实时水压力数值；所述微压力传感器将处理转化后的数据通过数据采集器传输至上位机；所述上位机对采集的水压数据进行处理得到差异沉降值、沉降速率和沉降趋势曲线，同时根据初始点的绝对坐标高程信息，计算得到每一测点基于初始点的相对沉降隆起变形位移量，继而得到绝对变形位移值。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程监测技术领域，尤其涉及一种基于微压地面变形区域面式监测系统与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
大直径隧道因其施工高效、安全性高、耐久性好常用于公路及铁路隧道建设。随着盾构隧道掘进速度和穿越各种复杂地层技术的提升，对开挖隧道地表沉降隆起监测的需求与日俱增。对一般工程项目，沉降隆起监测要从始至终贯穿项目建设期和运营期，由于建设期开挖扰动频繁，支护未稳定，对周边建筑环境的影响较大，所以尤以建设期监测最为关键重要。设计一种既精准无误，又经济高效，还能适应建设期施工需要、不影响施工进程，同时还能适用于建成后运营期的地表沉降隆起自动监测系统是各项目现场亟需解决的难题。
根据建筑地基处理技术规范JGJ79-2012，为保证大面积填方、填海等地基处理工程地基的长期稳定性应对地面变形进行长期监测。公开专利CN111561911A中所述监测传感装置相连通的液体输送管以及通过线缆与各监测传感装置相连接的数据采集装置布设在铁路沿线，通过对小范围内逐个分别布置在各路基沉降监测点的监测传感装置进行监测，得到区域地区地表变形的估计值并非精确值，实际上并未对整个区域进行全地域覆盖式的地表变形监测，不符合建筑规范要求的监测点布设密度要求，对建筑规范所要求的测线与测点间距也未作规定。
另外，现有实际施工现场的地表沉降隆起监测方法包括人工监测和仪器监测。人工监测多为工人使用全站仪进行监测，实际现场最高的监测频率能达到两小时一监测，多数情况下只能做到半日、一日甚至多日一监测，实时监测困难，不符合国家规范标准建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012中要求的监测不应少于每天一次。人工监测只能对有限固定点进行监测，有限个单点沉降监测无法形成区域网络化监测，采集数据少，监测效率低，误差大，成本高，对建设项目安全性难以保证。
仪器监测现场多为固定站监测系统,此系统需要立柱等工作，先选择固定监测点，钻井挖孔，插入检测钢筋，底部混凝土固结，四周用砂石填充，整体监测柱深入地面以下，再布设监测设备进行监测。公开专利CN217580059中所述的一种地面沉降变形监测装置，需要首先对地面测点钻孔打井，再竖直向下埋设水泥柱和监测杆，在地面发生沉降变形时监测杆和水泥杆同步变形达到地面沉降精准监测，无法实现区域面式地表沉降隆起变形监测。固定站监测繁杂而成本高，且只能对有限固定点进行监测。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于微压地面变形区域面式监测系统，既能满足工程需求，在建设期和运营期都适用，操作简单，满足精度要求，成本合理的地表沉降隆起监测系统。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种基于微压地面变形区域面式监测系统，包括：
铺设于地表的多条测线、无线数据采集器及上位机，多条测线通过横、纵交会的方式组网；
每条测线包括包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管，橡胶软管之间连接处连接有微压力传感器，用以采集各测点是实时水压力数值；
所述微压力传感器将处理转化后的数据通过数据采集器传输至上位机；
所述上位机对采集的水压数据进行处理得到差异沉降值、沉降速率和沉降趋势曲线，同时根据初始点的绝对坐标高程信息，计算得到每一测点基于初始点的相对沉降隆起变形位移量，继而得到绝对变形位移值。
作为进一步的技术方案，所述微压力传感器内设置有与所述数据采集器相连接的通信模块，该通信模块将处理转化后的数据传输至数据采集器。
作为进一步的技术方案，所述测线布设在隧道上方地表与掘进方向平行和斜交断面上；或所述测线布设在隧道地表与掘进方向平行和垂直断面上；
其中，沿隧道方向布设少量平行长的测线，垂直隧道方向布设大量平行短的测线。
作为进一步的技术方案，所述橡胶软管起始位置连接三通阀的一个端口，三通阀的另外两个端口分别连接水箱和压力水泵，将水或重液加压输入管道内，排除空气后，保证管道内液体始终处于水满状态；
各橡胶软管之间用三通连接件连接，每个三通连接件的上端连接一个微压力传感器，微压力传感器的膜片与水满管道的顶端液面接触，用以采集各测点是实时水压力数值。
作为进一步的技术方案，包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管及微压力传感器布设于地下凹槽内，并在凹槽上套有铝合金盖板。
作为进一步的技术方案，所述微压力传感器按照一定间距布设在橡胶软管上。
第二方面，公开了一种基于微压地面变形区域面式监测方法，包括：
在监测断面位置开挖浅槽，将包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管和微压力传感器设置于浅槽底部，上覆盖槽型铝合金盖板；
监测线的一端安装三通阀，第一端口连接水压计，第二端口连接软管，第三端口设有阀门，控制排气排水；其次再在监测线的另一端安装三通阀，第一端口连接水压计，第二端口连接软管，第三端口设有阀门，控制排气排水；中间点按顺序通过三通连接软管与水压计；
按照设定采样频率获取采集数据，计算得到沉降隆起变形，绘制各点沉降隆起变形并连接形成沉降隆起线。
作为进一步的技术方案，监测线的中间点按顺序通过三通连接软管与水压计；三个端口的排布呈品字形，第一端口位于上方，将每个端口的水压计放置于软管上方，监测承压水面顶端的压力水头，第二端口位于左侧，作为软管之间的连接端口，第三端口位于右侧，每个端口都设置有阀门，控制排气排水。
作为进一步的技术方案，按照设定采样频率获取采集数据之前，根据地面变形最大正向位移及软管设计压力提升两端相同的高度，并打开开启阀，从另一端注液口注入，至道满管，关闭排水排气端；提升起始两端的位置水头，保证监测线上的正向位移最大处仍出于饱水状态，不出现管道负压。
作为进一步的技术方案，按照设定采样频率获取采集数据，测量初始压力并记录，检查压力与地面标高是否一致；若一致，则证明监测设备正常，可以进行工程监测。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明采用常用的易弯曲的天然乳胶管与纤维编织网管作为监测管，可自由追随地表面变形，实现精准监测的同时大幅降低监测成本。采用纤维编织网管套于软管外。由于软管具有高强度、高回弹性，可避免贮满水受压状态下的发生体积膨胀现象，影响测量精度，通过采用纤维编织网管套于软管外可以有效约束软管的膨胀变形，保证监测精度。纤维编织网管的耐腐蚀性和耐疲劳性强，可良好适应建设现场复杂施工环境，保护橡胶软管不易腐蚀破坏，从而提升系统使用寿命。纤维编织网管的电磁屏蔽性好，对无线压力传感器的信号传输不造成影响。
本发明采用无线柔性压力传感器，一方面柔性可以保证传感器与软管跟随地表沉降隆起同步变形，不约束软管的位移。另一方面无线传感器可以很好适应工程建设需要，减少地面线的布设，具有高速传输信号的功能。将无线压力传感器一定间距布设在测线橡胶软管上，在重点监测区域适当加密，通过无线压力传感器的定位功能，将地表软管按点连线，组成地表监测网络。无线压力传感器将水压数据实时上传，通过后台软件数据处理计算得出相应各点的压力水头，从而计算各点的位置水头，参考初始位置水压，得出该点的位置高度变化。通过多头连接件，可实现两条、三条、四条软管之间连接，给线性组网提供可能性。各测线连接、拆卸操作简便，测线布设灵活。多条测线连接组网，可实现区域面式地表沉降隆起变形监测，突破了测点和一维测线的局限性。通过测线区域内组网得到相当密度的区域地区地表变形的精确值，在保证建筑规范要求的监测点布设密度要求和测线与测点间距要求的前提下对整个区域进行全地域覆盖式的高密度地表变形监测。
本发明该监测系统既能满足实际工程现场需求，又能满足精度标准，监测效率高，采集数据质量好，误差量小，安全可靠，操作简单，经济合理。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明基于单测线地面线性变形监测系统基础单元示意图；
图2为测线横截面示意图；
图3为本发明基于单测线基础单元中连接一端压力水泵、一端测线软管与上端无线柔性水压计的三通阀示意图；
图4为本发明基于单测线基础单元中连接两端测线软管、上端连接无限柔性水压计的三通连接件示意图；
图5为本发明基于单测线地面线性基础单元组合的区域地面面式变形监测系统示意图；
图中各标号列示如下：
1、压力水泵，2、水管，3，第一无限柔性水压计，4、开启阀，5、无线数据采集器，6、槽型铝合金外壳，7、地层表面，8、监测软管，9、第一端口，用于连接水压计，10第二端口，用于连接左侧软管，11、第三端口，用于连接右侧软管，12、第四端口，用于连接水压计，13、第五端口，用于连接左侧软管，14第六端口，用于连接开启阀，15、第二无限柔性水压计；16、纵测线，17、横测线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种基于微压地面变形区域面式监测系统，适用在地下隧道施工建设期地表起伏变形的实时监控，包括：
储液装置；压力水泵；与所述储液装置和压力水泵一端连接的，由软管、碳纤维编织网管、连接件组成的一维测线；
多个分布在多通连接件上端的无线高精度水压监测传感器；
用于采集无线高精度水压监测传感器数据，并进行数据分析转化的压力传感器无线数据采集器；
以及通过无线高精度水压监测传感器采集的水压数据和无线数据采集器采集到的压力信号，并转化为地表起伏位移的相关数据；
水压数据传感器内设置有与所述水压力无线数据采集器相连接的通信模块，该通信模块将处理转化后的数据传输至数据采集器；无线数据采集器与上位机通信；
上位机有用于采集水压数据信号并进行地表位移换算的软件；
对采集的水压数据进行处理得到差异沉降值、沉降速率和沉降趋势曲线，同时根据初始点的绝对坐标高程信息，计算得到每一测点基于初始点的相对沉降隆起变形位移量，得到绝对变形位移值。实现对建设期和运营期对盾构隧道地表沉降隆起及时、全天候、不间断的监测与预警。
差异沉降值＝沉降隆起变形值
沉降速率＝沉降变形量/沉降变形时间即数据采集时间间隔；
沉降趋势曲线包括两种：
1、一点处的沉降趋势。建立平面直角坐标系，以时间为x轴，数据采集时间间隔为单位坐标，沉降量为y轴，呈现一点处随时间变化的沉降量可视化。
2、整个测区一段时间的沉降趋势。建立平面地形图，向上为正北方向，图中标出各关键测点的平面位置，以及一段时间内(以24h为例)各点的沉降隆起变形量，为柱状图；
初始点绝对坐标高程信息，利用国家高程基准点进行高程引测，工程建筑测量放线。
每一测点与初始点的高程差。设初始点绝对高程为H，初始水压力为P，采集测点水压与初始点水压差数据Δp，根据伯努利公式ΔZ＝ΔP/γ，得出测点相对于初始点的高程差ΔZ，再计算得出测点的绝对高程Z＝H+ΔZ。
监测系统侧线布设在盾构隧道地表与盾构掘进方向平行、斜交(或垂直)的断面上，通过软管、多通连接件、水压计、水泵相互连接。
需要说明的是，监测系统在正式运行前要进行试运行，目的是排空气体，保证管道内液体充满，并对管道密封性、水压传感器是否正常感知并发送数据、数据采集器是否正常采集。若数据出现异常，生产故障报告并上传。没有异常时，对数据进行正常后续处理。
以处于同一延长线的两根测线软管连接为例，上述连接件为三通管，为品字形。中间管段两端分别连接软管并密封，上端连接水压传感器并密封。端部管段一端连接软管，一端连接压力水泵，压力水泵放置于储液装置中，上端连接水压传感器，设定该点为初始位置零点高程。
关于软管：常用天然乳胶管，具有高回弹、强拉力、受内压不变形和易弯性两个关键的物理特性。其中，受内压不膨胀，可有效避免因体积变化影响管内水压变化；易弯性可适应追随地面变形条件，达到同步跟随地表变形的效果，进而实现地表沉降隆起监测。天然乳胶管规格有内径2mm*外径4mm，6mm*9mm，8mm*11mm，12mm*17mm等。
关于纤维编织网管：采用纤维编织网管作为外壳紧贴箍套于软管外侧。碳纤维编织网管是由质轻高强、轴向强度和模量高的碳纤维编织而成，根据应力应变物理方程，可有效约束软管的膨胀变形。
关于软管连接件：三通连接件，四通连接件，五通连接件或带密闭阀三通。三通管可将两根软管拼接加长，用于一维超长线段监测。四通连接件可将三根软管拼接加长，用于T字形测线连接。五通连接件可将四根软管拼接加长，用于十字形测线连接。密封阀三通用于测线端部水泵与软管连接，可有效避免软管内高压水外溢。
无线柔性微压力传感器5mN—10000mN水压计。水压计与微压力传感器在本实施例子中为同一部件：用于各测点水压力的采集并转化为电信号发送至压力传感器无线数据采集器。
1)采用高精度水压计，参考位置初始水压，确保1mm精度；
2)每条监测线式设置多个低量程高精度水压计，通过各点水压差计算沉降隆起；
3)确保监测线的高度差小于200mm,以避免同一监测高度差过大，水压计量程过高，进而带来较大测量误差；
4)采用高密度液体，重度大，也保障微小变形产压力足够大。高密度液体可以提高待测水压范围，密度越高，待测水压范围越大。
5)监测线根据工程需要灵活布置。如在垂直隧道方向按一定间距设置多条，通过实时监测，测量隧道开挖前中后的地面沉降隆起面变化，大小自由扩展，降低成本。
水箱和压力水泵：在管道起始位置的软管连接三通阀的第二端口连接水箱和压力水泵，将水(或重液)加压输入管道内，排除空气后，保证管道内液体始终处于水满状态，以记录各测点水压计显示正常为准。
无线数据采集器：与无线微压力传感器兼容的数据采集器，与无线压力传感器配套使用，包括数据采集、分析处理，可视化呈现。最终由原始的压力水头数据得到地表沉降隆起的位移数据。在满足通信协议要求的前提下无线数据采集器要与水压计兼容。
本发明用于地铁及公路铁路地下隧道建设期地表沉降隆起的区域面式实时自动监控。本系统由铺设于地表的测线为基本单元，根据工程实际情况，按照多条测线横、纵交会组网，形成区域面式地表沉降隆起变形监控。其单条测线包括：设置于监测线上的包裹于碳纤维编织网管内的天然橡胶软管，一端连接安装稳压水泵及水箱，并定为基准点位置。各管道之间用三通连接件连接。每个三通连接件的上端连接一个微压力传感器，压力传感器的膜片与软管的顶端液面接触，用以采集各测点是实时水压力数值。整条软管及包裹的碳纤维编织网管与水压计布设于事先挖好的地下凹槽内，并在其上套上铝合金盖板，以附图2为例，覆盖于软管外，保护监测系统外部安全。本监测方法借助上述监测系统来完成，通过压力传感器无线数据采集器采集水压计信号，无线发送至终端或者上位机进行数据分析，得出各测点的沉降隆起位移数据，运用插值法，计算整条侧线的地表起伏状况。
计算时：已知A、B两测点的沉降位移量ΔZ1和ΔZ2，求AB连线中任意点C的沉降位移量ΔZ3，运用内插法，ΔZ3＝ΔZ1+(ΔZ2-ΔZ1)*AC/AB，得出C点沉降位移量的估计值。本发明监测效果好，精度高，监测范围广，稳定性好，成本低，安装操作简便，不影响现场建设施工，可实现现场自动监测。
关于本发明具体实施例子的连接关系参见附图1-5所示，压力水泵1为测量系统的水压来源，压力水泵1的一端连接至水管2，水管2是测线的主要组成部分，压力水泵1与水管2之间使用三通连接件连接，压力水泵1与三通阀的第二端口10连接，水管2与三通阀的第三端口11连接，第一无线柔性水压计3与三通阀的第一端口9连接，三通阀的三个端口一起用于测线始端。
第一无限柔性水压计3，即微压力传感器，安装在水泵处的水压计，用于测量水泵初始压力。开启阀4即终止阀，为测线末端的压力终止阀门。
无线数据采集器5，用于采集各个微压力传感器(水压计)的水压数据，上位机与5无线数据采集器5连接，可以采用无线发送数据的形式连接。
槽型铝合金外壳6套于监测软管8外，用于保护监测软管，埋设于地层地表7以下。监测软管8放置在地表面，跟随地表自由变形，外部套槽型铝合金外壳6。
另一三通阀的第四端口12，用于连接水压计即微压力传感器，与第五端口13、第六端口14一起用于测线末端。
测线中部的三通或四通连接件，将各端测线和上部第二无限柔性水压计15即微压力传感器连接起来。纵测线16及横测线17之间用四通连接件把横纵测线连成一体。
实施例二
本实施例的目的是提一种基于微压地面变形区域面式监测方法，包括：
根据中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012，道路沉降监测点的间距不宜大于30m，且每条道路的监测点不应少于3个。必要时，沿道路方向可布设多排测点。坑边地面沉降监测点应设置在支护结构外侧的土层表面或柔性地面上。与支护结构的水平距离宜在基坑深度的0.2倍范围以内。有条件时，宜沿坑边垂直方向在基坑深度的1～2倍范围内设置多测点的监测面，每个监测面的测点不宜少于5个。
根据中华人民共和国行业标准建筑地基处理技术规范JGJ79-2012，当无法在地下管线上布置直接监测点时，管线上地表监测点的布置间距宜为15m～25m。周边地表监测点宜按剖面布置，剖面间距宜为30m～50m，宜设置在场地每侧边中部，每条剖面线上的监测点宜由内向外先密后疏布置，且不宜少于5个。
根据工程实际进行分析。地下隧道工程引起的地表沉降变形多发生于隧道开挖断面后，即已开挖隧道上方。此处由于隧道开挖，上覆土层丧失了下端支承力，最易发生沉降。地下隧道工程引起的地表隆起变形多发生于隧道开挖断面前，即未开挖土体上方。此处由于盾构机顶进，土体所受外力超过朗肯被动土压力而向上隆起，顶出地表而形成隆起变形。
确定监测断面位置。根据工程建设实际需要，在沿盾构隧道方向和斜交(或垂直)隧道前进方向断面进行地表沉降隆起监测。
每个方向监测线多设置多个平行断面进行监测。根据工程实际情况，一般沿隧道方向布设少量平行长测线，垂直隧道方向布设大量平行短测线。保证各测线间距合理，测线过密导致重复监测，增加成本，地表大量开槽影响地面施工。测线过疏则会导致漏检误检几率增加。
对现场管道铺设的监测线进行初勘，尽量选取地表平整，起伏小的位置布设侧线。对重要监测线要可适当详勘。由于在保证水压计精度的前提下限制了水压计量程，要将有限的量程用于长时间监测的地表起伏，尽可能减少初始地表的沉降隆起变化。
确定监测规划线。根据实际施工现场可能，规划测线组网形式，确定各测线实际位置，确定各测线长度，确定连接件位置，在地图和现场同步进行标定。
在设计监测断面位置，开挖浅槽(50x50mm)，清理浮土并找平，将软管和压力传感器设置于浅槽底部，上覆盖槽型铝合金盖板。根据监测点间距加工各间距的易弯软管；根据地面变形设计确定最大位移，准备水压计量程为最大位移，避免现场施工车辆与人员对监测造成不必要的干扰。
首先监测线的初始一端安装三通阀，如附图3，第一端口连接水压计，第二端口连接左侧软管，通向压力水泵，第二端口设有阀门，控制排水排气，第三端口连接右侧软管，通向测线。在监测线的中部安装三通连接件如附图4，第五端口用于连接左侧软管，第六端口用于连接右侧测线，第四端口用于连接水压计，用于测线中部前后两根软管的连接。
根据地面变形最大正向位移(地表隆起)及软管设计压力提升两端相同的高度(如最大变形200mm)，并打开开启阀，从另一端注液口注入，至道满管，关闭排水排气端。提升起始两端的压力水头ΔP，即为初始位置的水压，水压计读数。目的是保证输入水压处在较高水平，使测线中任意点管道内不因位置抬升而使水压降低，导致水压降至为0，甚至管道出现负压，保证监测线上的正向位移最大处仍出于饱水状态，不出现管道负压。由于空气已被排空，若隆起位置过高，形成的负压易对水压计读数造成影响。
铺设监测软管，上面加盖钢(槽形钢)作为保护，测量初始压力并记录，检查压力与地面标高是否一致；若一致，则证明监测设备正常，可以进行工程监测。若不一致，可能的原因有：
软管、多通连接件、水压计连接的密闭性非完好。
无线水压计出现故障。
测线被人为破坏。
水压计的选取要符合高效性、适用性、耐久性的要求。以某厂家的SL711液位传感器为例，无线通信功能采用LoRa加密通信，最高采样频率达五秒一采集，十分钟一上报，采集的数据暂存，整体打包发送，符合国家规范标准要求。液位测量范围0-5米，符合设计需求。
数据采集器在适配性上要求能跟其他的品牌的传感器能兼容，数据被采集后无线发送至计算机终端。现有数据采集器支持电阻式，数字式，正弦式信号输入，其中数字式和电阻式、正弦式混采容易，电阻式和正弦式混采困难。采用16通道数字式和电阻式，通过整排增加通道数来扩大数据采集量，数据发送要求4G/5G信号良好，支持采样频率5分钟/次。发送数据要求通信信号良好，若通信信号较差则暂存数据量，等信号恢复后连同之前数据量打包发送。
采集仪数据归零，开始监测，根据工程情况，开挖阶段每10分钟采集一次，盾构到达前后按每小时一次，全天监测。数据采集器将监测数据无线上传至计算机终端，利用分析软件进行地表沉降隆起变形数据处理，对超出规范标准规定的变形量进行预报和警示，并定期生成数据报告。
线性测线组网，形成区域面式监测网络。在各测线横纵相交处。测线所用天然乳胶管具有长度任意选取的特点。根据测线组网规划要求和复杂多变的现场工况，现场截取合适的软管长度用于各测线连接。注意：现场使用长度和规划使用长度误差不超过1％，若超出误差限制，考虑地表变形过大和测线人为连接错误的可能性。
计算流程：
通过ΔP换算点ΔZ。设起始点位置高度为0，水压为P，待测点水压计读数P+ΔP，根据流体力学伯努利原理
式中：ΔP为压力水头变化量，即水压变化量，通过水压计读数得来；
P——流体中某点的压强；
v——流体中某点的流速；
ρ——流体密度；
g——重力加速度；
h——该点所在高度；
C——常量(1式与2式常量C不同)；
γ——液体重度，γ＝ρg。
伯努利定律必须满足以下假设才能得到准确解，若不满足得到近似解。
1)定常流动。在流动系统中流体任何一点的性质不随之改变。
2)不可压缩流体。流体密度为常数。
3)无摩擦流。粘滞系数为0，忽略摩擦效应。
4)流体沿流线流动。流体单元沿流线流动，流线互不相交。
在本系统中，不考虑流体流速。即根据
v＝0
得到：
故得到沉降隆起变形：
绘制各点ΔZ。连接个点形成沉降隆起线，需要时候对于中间点通过二次线性差分补偿。
设计地面沉降隆起变形监测网格，通过设置多条监测线构建监测区域变形网络；
采用水，其密度1t/m3：1mm＝10Pa，为确保0.1mm精度，需要0.1级水压计误差<1Pa。重液密度3t/m3,：1mm＝30Pa，为确保0.1mm精度，需要水压计误差<3Pa。使用重液可在保证精度的前提下提升测量范围，但要注意重液的选取需为无粘性流体。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于微压地面变形区域面式监测系统，其特征是，包括：
铺设于地表的多条测线、无线数据采集器及上位机，多条测线通过横、纵交会的方式组网；
每条测线包括包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管，橡胶软管之间连接处连接有微压力传感器，用以采集各测点是实时水压力数值；
所述微压力传感器将处理转化后的数据通过数据采集器传输至上位机；
所述上位机对采集的水压数据进行处理得到差异沉降值、沉降速率和沉降趋势曲线，同时根据初始点的绝对坐标高程信息，计算得到每一测点基于初始点的相对沉降隆起变形位移量，继而得到绝对变形位移值。
2.如权利要求1所述的一种基于微压地面变形区域面式监测系统，其特征是，所述微压力传感器内设置有与所述数据采集器相连接的通信模块，该通信模块将处理转化后的数据传输至数据采集器。
3.如权利要求1所述的一种基于微压地面变形区域面式监测系统，其特征是，所述测线布设在隧道上方地表与掘进方向平行和斜交断面上；或
所述测线布设在隧道地表与掘进方向平行和垂直断面上；
其中，沿隧道方向布设少量平行长的测线，垂直隧道方向布设大量平行短的测线。
4.如权利要求1所述的一种基于微压地面变形区域面式监测系统，其特征是，所述橡胶软管起始位置连接三通阀的一个端口，三通阀的另外两个端口分别连接水箱和压力水泵，将水或重液加压输入管道内，排除空气后，保证管道内液体始终处于水满状态；
各橡胶软管之间用三通连接件连接，每个三通连接件的上端连接一个微压力传感器，微压力传感器的膜片与水满管道的顶端液面接触，用以采集各测点是实时水压力数值。
5.如权利要求1所述的一种基于微压地面变形区域面式监测系统，其特征是，包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管及微压力传感器布设于地下凹槽内，并在凹槽上套有铝合金盖板。
6.如权利要求1所述的一种基于微压地面变形区域面式监测系统，其特征是，所述微压力传感器按照一定间距布设在橡胶软管上。
7.一种基于微压地面变形区域面式监测方法，其特征是，包括：
在监测断面位置开挖浅槽，将包裹于碳纤维编织网管内的橡胶软管和微压力传感器设置于浅槽底部，上覆盖槽型铝合金盖板；
监测线的一端安装三通阀，第一端口连接水压计，第二端口连接软管，第三端口设有阀门，控制排气排水；其次再在监测线的另一端安装三通阀，第一端口连接水压计，第二端口连接软管，第三端口设有阀门，控制排气排水；中间点按顺序通过三通连接软管与水压计；
按照设定采样频率获取采集数据，计算得到沉降隆起变形，绘制各点沉降隆起变形并连接形成沉降隆起线。
8.如权利要求7所述的一种基于微压地面变形区域面式监测方法，其特征是，监测线的中间点按顺序通过三通连接软管与水压计；三个端口的排布呈品字形，第一端口位于上方，将每个端口的水压计放置于软管上方，监测承压水面顶端的压力水头，第二端口位于左侧，作为软管之间的连接端口，第三端口位于右侧，每个端口都设置有阀门，控制排气排水。
9.如权利要求7所述的一种基于微压地面变形区域面式监测方法，其特征是，按照设定采样频率获取采集数据之前，根据地面变形最大正向位移及软管设计压力提升两端相同的高度，并打开开启阀，从另一端注液口注入，至道满管，关闭排水排气端；提升起始两端的位置水头，保证监测线上的正向位移最大处仍出于饱水状态，不出现管道负压。
10.如权利要求7所述的一种基于微压地面变形区域面式监测方法，其特征是，按照设定采样频率获取采集数据，测量初始压力并记录，检查压力与地面标高是否一致；若一致，则证明监测设备正常，可以进行工程监测。
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| CN103471648A (zh) * | 2013-08-21 | 2013-12-25 | 国家电网公司 | 一种顶管隧道的扰动施工监测方法 |
| CN107655452A (zh) * | 2017-10-19 | 2018-02-02 | 罗锦华 | 液压传感式沉降观测系统 |
| CN107727065A (zh) * | 2017-11-08 | 2018-02-23 | 山东科技大学 | 钻孔沉降变形监测系统及其监测方法 |
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| CN111561911A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-08-21 | 安徽誉亿智能科技有限公司 | 一种基于液力微压测量的沉降监测系统 |
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2023
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