地下结构接缝橡胶密封垫止水性能智能感知系统的制作方法

本发明涉及一种地下结构渗透水监控系统，具体涉及一种地下结构接缝橡胶密封垫止水性能智能感知系统，应用于沉管隧道、盾构隧道、顶管隧道和地下综合管廊等预制拼装式地下结构。

背景技术：

渗漏水是一种常见且典型的地下结构病害，预制拼装式地下结构接缝主要采用布设弹性橡胶密封垫止水，通过橡胶密封垫弹性压缩的回弹力止水，利用预制拼装地下结构的连接构件施加挤压力压紧密封垫，若密封垫的压缩力超过外水压力，则能起到防水作用，若密封垫压缩力不足、施工偏差过大、运营期接头变形过大或密封垫松弛则会引起密封垫接触压力不足，导致防水失效。由密封垫的工作原理可知，密封垫的耐水压力与接触面压力有关，可近似表示为：

pw=k•p0(1)

式中：pw为密封垫的耐水压力；p0为密封垫的接触面压应力；k为与密封垫性质有关的系数，对于非膨胀橡胶，一般取1.2。当密封垫的接触压力超过耐水压力，则密封垫的防水作用良好。

密封垫的接触压力是评价其止水性能的最直接的指标，宜采用压力传感器进行监测，目前常见压力传感器核心材料多为金属应变片、硅材料和陶瓷片等，因材料自身特性，现有的压力传感器无法应用于隧道橡胶密封垫受力监测，具体原因如下：（1）管片接头处的密封垫受力非常复杂，且变形较大，现有的压力传感器极易被损坏；（2）压力传感器与密封垫刚度不一致，导致变形不协调，压力传感器无法精确感知密封垫的受力，且影响密封垫的工作性能，导致其止水性能变差。由于现有的压力传感器无法满足直接监测地下结构接头处橡胶密封垫工作性态的需求，目前，采用位移监测法间接评估橡胶密封垫的工作性态，常用的监测内容主要有管片接缝处的错台和张开、管片的扭转、管片环的拱顶下沉和收敛变形，通过上述变形监测数据，综合分析评价橡胶密封垫的工作性态，但存在以下不足：（1）位移监测属于间接测量方法，且位移监测精度有限，无法精准感知橡胶密封垫的实际受力状态；（2）位移监测难于实现自动化监测，多采用人工测量的方法，测量频率低，无法实时感知橡胶密封垫的工作性态，无法实时预警；（3）需要监测结构整体扭转、下沉和收敛，以及接缝处的错台和张开，监测内容多，监测成本高，且监测工作量大。

设计一种可以实时直接测量橡胶密封垫的接触压力的系统，实时监控预制拼装式地下结构接缝的止水性能，就成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明设计一种直接测量橡胶密封垫的接触压力的系统，用于实时感知预制拼装式地下结构接缝橡胶密封垫的止水性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种地下结构接缝橡胶密封垫止水性能智能感知系统，包括安装在预制拼装地下结构的连接构件接缝处的橡胶密封垫和压电橡胶感知构件，以及智能控制器、能量存储器、数据线、数据存储器和无线数据发射器，所述橡胶密封垫内植入压电橡胶感知构件，所述压电橡胶感知构件经数据线与智能控制器、数据存储器和无线数据发射器连接，形成压电橡胶传感器；所述压电橡胶感知构件经数据线与智能控制器和能量存储器连接，形成振动能量收集器。

具体地，所述压电橡胶感知构件是由橡胶密封垫的橡胶原材料与柔性压电材料混合配制而成的立体结构。

具体地，所述压电橡胶感知构件在橡胶密封垫成型时将压电橡胶感知构件预先布设在成型模具内，与橡胶密封垫形成一体化结构。

具体地，所述压电橡胶感知构件在橡胶密封垫内形成闭合通路，压电橡胶感知构件的正、负极接口布设于橡胶密封垫底面，通过插接的方式与地下结构内预埋穿线孔里的数据线进行连接，数据线引出地下结构与智能控制器连接。所述智能控制器用于切换压电橡胶传感器的运行状态；当不采集数据时，压电橡胶传感器处于休眠状态，振动能量收集器收集地下结构的振动能转化的电能；当采集数据时，压电橡胶传感器被唤醒，振动能量收集器向压电橡胶传感器供电。

具体地，所述压电橡胶传感器与网关、中继器、数据采集服务器、数据库服务器与用户终端通信连接。

可以采用以下步骤完成系统布置：

步骤1，在传感器安装断面的地下结构内预埋穿线孔，或在地下结构内表面刻槽作为引线孔；

步骤2，压电橡胶感知构件与橡胶密封垫一体化结构的正、负极接口与预埋穿线孔或引线孔内的数据线进行插接；

步骤3，将压电橡胶感知构件与橡胶密封垫一体化结构粘贴在地下结构上；

步骤4，地下结构拼装完成后，压电橡胶感知构件的数据线与智能控制器、能量存储器、数据存储器、无线数据发射器连接；

步骤5，在地下结构体内逐步安装网关和中继器，进行无线传输组网，与地下结构的采集工作站进行连接；

步骤6，采集工作站将监测信息以短信形式发送至工作人员。监测信息通过网关与数据库服务器，专家工作站信息共享，构成智能感知系统。

使用时，本发明提供的地下结构接缝橡胶密封垫止水性能智能感知系统，包括安装在预制拼装地下结构的连接构件接缝处的橡胶密封垫和压电橡胶感知构件，所述橡胶密封垫内嵌入安装压电橡胶感知构件，所述压电橡胶感知构件经智能控制器、数据存储器及数据线连接无线数据发射器，形成压电橡胶传感器；所述压电橡胶感知构件经智能控制器及数据线连接能量存储器，形成振动能量收集器。

所述智能控制器用于切换压电橡胶传感器的运行状态；当不采集数据时，压电橡胶传感器处于休眠状态，振动能量收集器收集地下结构的振动能转化的电能；当采集数据时，压电橡胶传感器被唤醒，振动能量收集器向压电橡胶传感器供电。传感器的状态切换可预设信号采集频率，在设定的信号采集时刻切换为采集数据状态，在其他时间切换为储能状态。

发明原理：在橡胶材料中混入压电材料颗粒制备压电橡胶，有针对的嵌入密封垫中，利用压电效应，当密封垫局部压缩，密封垫中因压电效应产生电荷运动，在密封垫外部布设电荷放大设备，对压电橡胶产生的电压信息按时采集，总结电压的变化规律，综合各监测点数据即可判别橡胶密封垫实时受力状态，监测橡胶密封垫的止水性能。

列车穿行隧道时，轮系与轨道相互作用形成振动源，振动由衬砌传递给橡胶密封垫，橡胶密封垫内预布设的压电橡胶被振动激励产生周期伸缩变形，输出瞬时突变的交流电压，该电压能表征橡胶密封垫的受力状态，可用于评价橡胶密封垫的止水性能，该电压也可经由能量存储器收集存储，为压电橡胶传感器供电。

压电橡胶传感器的监测数据由无线发射器经网关和中继器无线传输至采集工作站，工作站将信息处理，一方面以短信形式发送至工作人员，另一方面通过网关与数据库服务器，专家工作站信息共享，实现智能感知系统信息流动。

有益效果：本发明采用内嵌压电橡胶传感器的橡胶密封垫，监测自身的弹力止水性能，相比现有技术具备以下显著的进步：

（1）发明的压电橡胶传感器可直接监测橡胶密封垫的受力性态，比位移监测间接评估方法更准确可靠；

（2）压电橡胶感知构件既可感知橡胶密封垫的受力性态，又可用于收集地下结构振动能，为压电橡胶传感器提供电能，实现自给自足；

（3）地下结构接缝橡胶密封垫止水性能智能感知系统可实时感知橡胶密封垫的工作性态，可以实时自动预警；

（4）压电橡胶传感器布置于橡胶密封垫内，无需占用地下结构内的空间，且不宜被施工和运营设备损害。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。

附图说明

图1为本发明实施例中智能感知系统横断面图；

图2为智能感知系统纵断面图；

图3为压电橡胶感知构件布置图；

图4为地下结构接缝处压电传感器布置图；

图中：1为橡胶密封垫；2为压电橡胶感知构件；3为数据线；4为智能控制器；5为能量存储器；6为无线数据发射器；7为地下结构预制件；8为地下结构接缝；9为引线孔；10为网关；11为中继器；12为数据采集服务器；13为数据库服务器；14为用户终端。

具体实施方式

实施例：

本实施例的地下结构接缝橡胶密封垫止水性能智能感知系统如图1所示，在地下结构预制件7的地下结构接缝8的橡胶密封垫1内布置压电橡胶感知构件2，经引线孔9连线，由压电橡胶感知构件2、数据线3、智能控制器4和无线数据发射器6组成压电橡胶传感器；由压电橡胶感知构件2、数据线3、智能控制器4和能量存储器5组成振动能量收集器；压电橡胶传感器与振动能量收集器串联连接。

如图2所示，以上组成的压电橡胶传感器与网关10、中继器11、数据采集服务器12、数据库服务器13和用户终端14组成智能感知系统。

如图3所示，压电橡胶传感器的压电橡胶感知构件2嵌入至橡胶密封垫1内，与橡胶密封垫1形成一体化结构。压电橡胶传感器与振动能量收集器共用压电橡胶感知构件，压电橡胶传感器的运行状态由智能控制器4控制，在不采集数据时，压电橡胶传感器处于休眠状态，采集数据时，压电橡胶传感器被唤醒；当压电橡胶传感器处于休眠状态时，振动能量收集器收集地下结构的振动能转化的电能，向压电橡胶传感器提供电量。

该系统的布置方法如下：

（1）在地下结构橡胶密封垫安装之前，在橡胶密封垫内布设压电橡胶感知构件；

（2）在传感器安装断面的地下结构内预埋穿线孔，或在地下结构内表面刻槽作为引线孔；

（3）在地下结构拼装前，将布设压电橡胶感知构件2的橡胶密封垫1固定安装在地下结构上，压电橡胶感知构件的数据线由穿线孔或引线孔9内引出，并做好保护，如图4所示；

（4）地下结构拼装完成后，压电橡胶感知构件的数据线与智能控制器、能量存储器和无线数据发射器连接；

（5）在地下结构体内逐步安装网关和中继器，进行无线传输组网，与地下结构的采集工作站进行连接；

（6）采集工作站将监测信息以短信形式发送至工作人员，并通过网关与数据库服务器，专家工作站信息共享，构成智能感知系统。

本发明为地下结构接缝橡胶密封垫的止水性能提供了一种全新的监测方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是以示例的方式提供的优选实施方式。本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求及其等效项的范围内的方法和结构。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。