CN116907329A - 基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统及方法，该系统包括：数据采集模块，用于采集埋入隧道管片接缝处的压电智能骨料产生的电荷信号；电荷放大器，用于将采集的电荷信号转换为电压信号；采样模块，用于将电压信号转换为数字信号；无线传输模块，用于将数字信号传送到网关进行传输；数据处理模块，用于处理和分析无线传输模块传输的数字信号，得出隧道收敛变形值。本申请具有如下有益效果：采用压电智能骨料进行隧道变形监测，具有成本低、使用寿命长、测量数据精确、不影响混凝土性能等优点；改变了以往隧道变形监测效率低、监测成本高、影响地铁运营等缺点，可以实时长期稳定地为隧道的维护管理提供决策依据。

Description

基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统及方法

技术领域

本申请涉及盾构隧道变形监测技术领域，具体涉及一种基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统及方法。

背景技术

近几年地铁在城市中逐渐普及，但由于周围地质环境、邻近施工、车辆动力作用的影响，隧道内部会出现不同程度的变形和损伤，当隧道变形过大时，不仅会使管片混凝土开裂，还会导致隧道接缝张开错台，出现渗漏水等病害，因此对隧道变形进行监测可以避免重大事故的发生，并为隧道的维护管理提供决策依据。

传统的监测方法主要包括全站仪、水准仪、收敛计等设备的接触式测量。接触式测量操作简便、精度高，但一般还需要人工现场操作，监测效率低，影响交通正常运行，最重要的是会对隧道内壁造成损坏。

近年来发展的自动化非接触式监测技术，如摄影测量技术，三维激光扫描技术等测量技术虽能在一定程度克服接触式测量的缺点，但是也存在自身的局限性。如摄影测量技术易受光照等环境条件的限制，且无法做到实时监测；三维激光扫描技术的设备价格昂贵，且数据量大数据处理复杂。总之，现有的盾构隧道变形监测技术存在着监测精度低、监测成本高、自动化程度低等缺点。

因此需要一种成本低、精度高、可以实时远程长期监测的监测系统及方法。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统及方法，其利用压电智能骨料监测接缝处混凝土应力分布，利用无线传输模块实现数据的实时远程传输，利用接头转角和几何简易分析方法计算隧道的收敛变形，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

本申请实施例提供了一种基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统，包括：

数据采集模块，其用于采集埋入隧道管片接缝处的压电智能骨料产生的电荷信号；

电荷放大器，其用于将采集的电荷信号转换为电压信号；

采样模块，其用于将电压信号转换为数字信号；

无线传输模块，其用于将数字信号传送到网关进行传输；以及

数据处理模块，其用于处理和分析无线传输模块传输的数字信号，得出隧道收敛变形值，具体包括：

根据接收的数字信号计算出管片接缝面混凝土应力分布；

根据混凝土应力分布找到应力处于拉压分界点的压电智能骨料，得出受压区高度；

根据应力应变关系推算受压区外边缘的应变；

根据几何关系推算接头转角；

根据接头转角和几何简易分析方法计算隧道的收敛变形。

作为本申请的一种优选改进，所述压电智能骨料包括保护壳和收纳于所述保护壳内以用于感知混凝土应力的PZT 片。

作为本申请的一种优选改进，所述压电智能骨料还包括与数据采集模块连接的接头和一端与所述接头连接另一端与所述PZT片连接的屏蔽导线。

作为本申请的一种优选改进，所述PZT片与所述保护壳通过环氧树脂粘接成一体。

作为本申请的一种优选改进，所述压电智能骨料沿管片厚度方向并通过绑扎钢筋的方式均匀布置于管片接缝处。

本申请实施例还提供了一种根据所述的系统的基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测方法，包括如下步骤：

步骤一，根据采集的压电智能骨料的数据，计算出管片接缝面混凝土应力分布；

步骤二，根据混凝土应力分布找到应力处于拉压分界点的压电智能骨料，得出受压区高度；

步骤三，根据应力应变关系推算受压区外边缘的应变；

步骤四，根据几何关系推算接头转角；

步骤五，根据接头转角和几何简易分析方法计算隧道的收敛变形。

作为本申请的一种优选改进，在步骤一中，在将压电智能骨料埋入管片之前需要进行动态应力标定试验，确定传感器灵敏度系数，计算公式如下式（1）：

（1）

式中，为管片接缝面混凝土应力大小（MPa）;/>为压电智能骨料产生的电荷量（pc）;/>为灵敏度系数（pc/MPa）。

作为本申请的一种优选改进，在步骤三中，通过公式（2）计算受压区外边缘的应变：

（2）

式中，为混凝土外边缘压应力（MPa）；/>为混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；为混凝土压应力达到/>时的混凝土压应变；/>为混凝土外边缘压应变；/>为系数，当计算值大于2时，取为2。

作为本申请的一种优选改进，在步骤四中，通过公式（3）计算接头转角：

（3）

式中，为接头转角（°）;/>为混凝土受压区外边缘压缩量（mm）;/>为混凝土受压区高度（mm）。

作为本申请的一种优选改进，在步骤五中，在计算隧道的收敛变形之前，根据接头的张开方向判别隧道的大致变形情况，具体包括：

根据混凝土受压区在隧道内侧还是外侧判断接头的张开方向，如果在内侧，则接头向外张开，反之，向内张开；

根据接头的张开方向判别隧道的大致变形情况，如果向外张开，则为超载，反之，为卸载。

本申请的有益效果如下：

(1) 其采用压电智能骨料进行隧道变形监测，具有成本低、使用寿命长、测量数据精确、不影响混凝土性能等优点；

(2)通过无线传输模块进行隧道内数据的远程传输和实时监测，实现了数据的实时远程传输；

(3)提出基于接头张开方向判断隧道变形形状的方法和基于接头转角计算隧道收敛变形的方法，判别和计算结果合理有效，可以用于隧道内的变形监测；

(4)改变了以往隧道变形监测效率低、监测成本高、影响地铁运营等缺点，可以实时长期稳定地为隧道的维护管理提供决策依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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它的附图，其中：

图1为本申请实施例提供的基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统的结构框图；

图2为本申请实施例提供的压电智能骨料的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的压电智能骨料在隧道管片中的布置侧面图；

图4为本申请实施例提供的压电智能骨料在隧道管片中的布置正面图；

图5为本申请实施例提供的接缝面几何变形关系图；

图6为本申请实施例提供的隧道标准断面图；

图7为本申请实施例提供的超载情况下的隧道变形前的几何简化图；

图8为本申请实施例提供的超载情况下的隧道变形前的几何简化图；

图9为本申请实施例提供的卸载情况下的隧道变形前的几何简化图;

图10为本申请实施例提供的卸载情况下的隧道变形后的几何简化图。

图中，1、数据采集模块；2、电荷放大器；3、采样模块；4、无线传输模块；5、数据处理模块；6、压电智能骨料；61、保护壳；62、PZT片；63、环氧树脂；64、接头；65、屏蔽导线；7、混凝土管片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

请参见图1所示，本申请实施例提供的一种基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统，包括数据采集模块1、电荷放大器2、采样模块3、无线传输模块4以及数据处理模块5。

所述数据采集模块1用于采集埋入隧道管片接缝处的压电智能骨料6产生的电荷信号。

再结合图2所示，所述压电智能骨料6包括保护壳61、收纳于所述保护壳61内以用于感知混凝土应力的PZT 片62、用于将所述PZT片62与所述保护壳61粘接成一体的环氧树脂63、与数据采集模块1连接的接头64和一端与所述接头64连接另一端与所述PZT片62连接的屏蔽导线65。

具体的，所述保护壳61为边长25mm的正方体大理石保护壳，用于保护易碎的所述PZT片62，提高传感器的使用寿命。

所用PZT（Piezoelectric Ceramic transducer，锆钛酸铅）的型号为P-5，尺寸为10mm×10mm×0.3mm。

采用所述环氧树脂63进行粘接，可以起到绝缘、防潮的作用。

进一步的，所述压电智能骨料6沿管片厚度方向并通过绑扎钢筋的方式均匀布置于管片接缝处，再结合图3和4所示，以厚度为650mm的混凝土管片7为例，压电智能骨料6的布置方式如下：在浇筑混凝土管片7前，将压电智能骨料6固定在100mm×100mm×100mm模具内，使用与混凝土管片7同一配合比的混凝土浇筑模具，通过绑扎钢筋的方式将其沿管片厚度方向均匀布置于管片接缝处，其中每个截面布置两排，每排布置6个，每个间距为10mm。为了降低成本，只在接缝a、b、c处布置传感器，所以每个断面共计36个压电智能骨料6。

所述电荷放大器2为HK9301电荷放大器，用于将采集的电荷信号转换为电压信号，并传输给所述采样模块3。

所述采样模块3为NI9234采样模块，用于将电压信号转换为数字信号。

所述无线传输模块4采用Zigbee无线网络将数字信号传送到网关进行传输，并储存在电脑中。

所述数据处理模块5用于处理和分析无线传输模块传输的数字信号，得出隧道收敛变形值。

本申请实施例还提供了一种根据所述的系统的基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测方法，参见图6所示，以采用通缝拼装，每环衬砌由封顶块 K，邻接块B1、B2及标准块A1、A2和 A3六块管片组成的隧道为例，具体步骤如下：

步骤一，根据采集的压电智能骨料的数据，计算出管片接缝面混凝土应力分布；

步骤二，根据混凝土应力分布找到应力处于拉压分界点的压电智能骨料，得出受压区高度；

步骤三，根据应力应变关系推算受压区外边缘的应变；

步骤四，根据几何关系推算接头转角；

步骤五，根据接头转角和几何简易分析方法计算隧道的收敛变形。

在步骤一中，在将压电智能骨料埋入管片之前需要进行动态应力标定试验，确定传感器灵敏度系数，计算公式如下式（1）：

（1）

式中，为管片接缝面混凝土应力大小（MPa）;/>为压电智能骨料产生的电荷量（pc）;/>为灵敏度系数（pc/MPa）。

步骤二中，根据混凝土应力分布找到应力处于拉压分界点的压电智能骨料，假设在拉压分界点小范围内，应力处于线性分布，拉压分界点连线与管片截面的交点即为截面中性轴所在的位置，得出受压区高度。

步骤三中，计算受压区外边缘的应变，其中混凝土应力应变关系按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)确定，计算公式如下式（2）：

（2）

式中，为混凝土外边缘压应力（MPa）；/>为混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；为混凝土压应力达到/>时的混凝土压应变；/>为混凝土外边缘压应变；/>为系数，当计算值大于2时，取为2。

步骤四中，结合图5所示，假设当接缝面张开时，接缝面受压接触区与张开脱离区各自保持为平面，满足平截面假定，通过公式（3）计算接头转角：

（3）

式中，为接头转角（°）;/>为混凝土受压区外边缘压缩量（mm）;/>为混凝土受压区高度（mm）。

进一步，混凝土受压区外边缘压缩量与混凝土外边缘压应变存在线性关系，计算公式如下：

。

步骤五中，需要说明的是，为了便于理论推导，提出以下几点基本假定：(1) 假定隧道横向变形具有对称性，隧道中心随隧道变形只发生竖向移动；(2) 假定管片混凝土衬砌为刚体，仅发生刚体位移；(3) 并假定拱底块不动。下面分别对超载和卸载条件下的隧道竖向和水平收敛变形进行计算和推导。

在计算隧道的收敛变形之前，根据接头的张开方向判别隧道的大致变形情况，具体包括：

根据混凝土受压区在隧道内侧还是外侧判断接头的张开方向，如果在内侧，则接头向外张开，反之，向内张开；

根据接头的张开方向判别隧道的大致变形情况，如果向外张开，则为超载，反之，为卸载。

对于超载的情况，如图7所示， 、/> 、/> 、/> 、/>、/> 均为已知量；根据假定（2），/>在变形前后不变；根据假定（3），以隧道封顶块的上下平动作为隧道竖向收敛变形量。

进一步，竖向收敛变形计算公式如下：

式中，为接头b的转角（°）；

进一步，水平收敛变形计算公式如下：

式中，为接头c的转角（°）。

对于卸载的情况，如图9所示， 、/> 、/> 、/> 、/>、/>均为已知量；根据假定（2），/>在变形前后不变；根据假定（3），以隧道封顶块的上下平动作为隧道竖向收敛变形量。

进一步，竖向收敛变形计算公式如下：

式中，为接头b的转角（°）；

进一步，水平收敛变形计算公式如下：

式中，为接头c的转角（°）。

最后根据隧道的竖向和水平收敛变形判断隧道的变形情况，对于变形较大的区段，及时采取对应的养护维修措施。

本申请的有益效果如下：

(1) 其采用压电智能骨料进行隧道变形监测，具有成本低、使用寿命长、测量数据精确、不影响混凝土性能等优点；

(2)通过无线传输模块进行隧道内数据的远程传输和实时监测，实现了数据的实时远程传输；

(3)提出基于接头张开方向判断隧道变形形状的方法和基于接头转角计算隧道收敛变形的方法，判别和计算结果合理有效，可以用于隧道内的变形监测；

(4)本改变了以往隧道变形监测效率低、监测成本高、影响地铁运营等缺点，可以实时长期稳定地为隧道的维护管理提供决策依据。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和系统的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测系统，其特征在于，包括：

数据采集模块，其用于采集埋入隧道管片接缝处的压电智能骨料产生的电荷信号；

电荷放大器，其用于将采集的电荷信号转换为电压信号；

采样模块，其用于将电压信号转换为数字信号；

无线传输模块，其用于将数字信号传送到网关进行传输；以及

数据处理模块，其用于处理和分析无线传输模块传输的数字信号，得出隧道收敛变形值，具体包括：

根据接收的数字信号计算出管片接缝面混凝土应力分布；

根据混凝土应力分布找到应力处于拉压分界点的压电智能骨料，得出受压区高度；

根据应力应变关系推算受压区外边缘的应变；

根据几何关系推算接头转角；

根据接头转角和几何简易分析方法计算隧道的收敛变形。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电智能骨料包括保护壳和收纳于所述保护壳内以用于感知混凝土应力的PZT 片。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述压电智能骨料还包括与数据采集模块连接的接头和一端与所述接头连接另一端与所述PZT片连接的屏蔽导线。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述PZT片与所述保护壳通过环氧树脂粘接成一体。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压电智能骨料沿管片厚度方向并通过绑扎钢筋的方式均匀布置于管片接缝处。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的系统的基于压电智能骨料的盾构隧道收敛变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据采集的压电智能骨料的数据，计算出管片接缝面混凝土应力分布；

步骤二，根据混凝土应力分布找到应力处于拉压分界点的压电智能骨料，得出受压区高度；

步骤三，根据应力应变关系推算受压区外边缘的应变；

步骤四，根据几何关系推算接头转角；

步骤五，根据接头转角和几何简易分析方法计算隧道的收敛变形。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤一中，在将压电智能骨料埋入管片之前需要进行动态应力标定试验，确定传感器灵敏度系数，计算公式如下式（1）：

（1）

式中，为管片接缝面混凝土应力大小（MPa）;/>为压电智能骨料产生的电荷量（pc）;为灵敏度系数（pc/MPa）。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤三中，通过公式（2）计算受压区外边缘的应变：

（2）

式中，为混凝土外边缘压应力（MPa）；/>为混凝土轴心抗压强度设计值（MPa）；/>为混凝土压应力达到/>时的混凝土压应变；/>为混凝土外边缘压应变；/>为系数，当计算值大于2时，取为2。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤四中，通过公式（3）计算接头转角：

（3）

式中，为接头转角（°）;/>为混凝土受压区外边缘压缩量（mm）;/>为混凝土受压区高度（mm）。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤五中，在计算隧道的收敛变形之前，根据接头的张开方向判别隧道的大致变形情况，具体包括：

根据混凝土受压区在隧道内侧还是外侧判断接头的张开方向，如果在内侧，则接头向外张开，反之，向内张开；

根据接头的张开方向判别隧道的大致变形情况，如果向外张开，则为超载，反之，为卸载。