盾构隧道环缝变形的自动化监测系统及方法与流程

本发明涉及隧道变形监测技术领域，特别涉及一种盾构隧道环缝变形的自动化监测系统及方法。

背景技术：

在盾构隧道监测中，常规进行监测的变量有隧道的侧向位移、竖向位移以及水平收敛，通过这些变量的监测在一定程度上可以大体反映盾构隧道整体结构的变形形态的。不过，盾构隧道作为一个由多个管片螺栓拼接起来的三维结构体，对相邻两个管片环缝接头处的变形进行监测也极为重要，尤其在盾构隧道沿纵向发生不均匀沉降的时候，管片环缝接头处会产生一定的变形(包括张开和错开)，变形的大小直接影响着管片环缝接头处的安全性能，因此在一定情况下有必要对盾构隧道管片环缝接头处的变形进行监测。

目前，实际工程中对于盾构隧道管片环缝接头处变形的监测主要有以下几种方法：一种是人工直接拿千分尺在隧道结构内部进行测量，该方法比较直接，但是需要人工进入到隧道内进行测量，安全性较差，不能做到数据实时连续采集，而且测量结果人为因素占比比较大；一种是基于布里渊散射技术，通过合理设计，将盾构隧道管片错台变形转换成变形梁梁体的应变监测，该方法可以实现大规模实时在线监测，但是监测的内容比较单一，只能对管片的错台变形进行监测，并不能同时监测到管片环缝接头处的错开和张开变形；另一种方法是由隧道扫描车利用三维扫描技术获得管片环缝接头处的张开和错开变形信息，但是这种方法也只能对管片环缝接头处内部张开和错开变形进行监测，当相邻两个管片发生相对转动时，管片环缝接头处内、外侧的变形是不一样的，而实际上影响盾构隧道结构是否漏水的根本在于管片环缝接头处外侧与土体接触部分的变形。

技术实现要素：

针对现有盾构隧道管片环缝接头处变形的监测方法局限性较大，无法监测管片环缝接头处外侧与土体接触部分的变形的问题。本发明的目的是提供一种盾构隧道环缝变形的自动化监测系统及方法，将对盾构隧道管片的变形监测转换成应变监测，提高了监测精度，而且，能够同时对环缝接头内、外侧张开和错开变形进行高精度实时自动化监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：盾构隧道环缝变形的自动化监测系统，它包括多个环缝变形监测装置，每两个相邻管片的环缝接头的内侧安装一个所述环缝变形监测装置；一调制解调仪以及一台计算机，多个所述环缝变形监测装置分别与所述调制解调仪通过信号连接，所述计算机与所述调制解调仪信号连接；所述环缝变形监测装置包括一固定杆、一万向传动装置，两个倾角传感器，以及垂直固接的一个水平应变计和一个竖向应变计，所述固定杆和所述万向传动装置相对设置，所述固定杆垂直连接于一个管片的内侧，所述万向传动装置则垂直连接于另一个管片内侧的端部，所述水平应变计的另一端与所述固定杆的端部垂直固接，所述竖向应变计的另一端与所述万向传动装置铰接，而且，所述万向传动装置的转动轴心与所述竖向应变计的轴线重合，两个所述倾角传感器分别连接在所述固定杆和所述万向传动装置上。

优选的，所述万向传动装置包括相铰接的万向节及传动轴，所述万向节连接于所述管片内侧的端部，所述传动轴与所述竖向应变计固接。

优选的，所述固定杆和所述万向传动装置分别粘贴于相邻两个所述管片的内壁，两个所述倾角传感器则分别粘贴于所述固定杆和所述万向传动装置的外壁。

优选的，它还包括一连接件，所述水平应变计和所述竖向应变计的端部分别与所述连接件垂直固接。

优选的，所述水平应变计、所述竖向应变计均为光纤光栅应变计，而且，所述水平应变计、所述竖向应变计与所述调制解调仪之间，以及所述调制解调仪与所述计算机之间通过光缆信号连接。

另外，本发明还提供了一种盾构隧道环缝变形的自动化监测方法，步骤如下：

s1：在每两个相邻管片的环缝接头的内侧分别安装一个如权利要求1至5任一项所述的环缝变形监测装置，各所述环缝变形监测装置通过调制解调仪与计算机信号连接；

s2：通过所述环缝变形监测装置的水平应变计获得管片环缝接头的相对水平位移wi，通过所述环缝变形监测装置的竖向应变计获得管片环缝接头内侧错开距离vi，通过所述环缝变形监测装置的两个倾角传感器获得环缝接头两管片的相对转角θ，通过公式一计算出管片环缝接头内侧张开距离zi:

通过公式二计算出管片环缝接头外侧错开距离vo：

v0＝t×cosθ-(t-vi)(公式二)

其中，t为所述管片厚度；

通过公式三计算出管片环缝接头外侧张开距离zo：

优选的，根据所述管片环缝接头内侧错开距离vi、所述管片环缝接头内侧张开距离zi、所述管片环缝接头外侧错开距离vo及所述管片环缝接头外侧张开距离zo，利用计算机软件绘制盾构隧道环缝接头实时变形曲线，所述实时变形曲线包含错开变形曲线和张开变形曲线。

优选的，上述步骤s1还包括，安装所述环缝变形监测装置时，先将所述万向传动装置垂直粘贴于一个所述管片环缝接头的边缘，再将所述固定杆垂直粘贴于另一个所述管片上。

本发明的效果在于：

一、本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统的核心设计思想在于，将盾构隧道管片环缝接头内、外侧的张开和错开变形监测转换成应变的监测，同时利用倾角传感器来实现对管片环缝接头内侧及外侧张开和错开变形同时进行监测；通过环缝变形监测装置的水平应变计获知环缝接头两管片的相对水平位移wi，通过环缝变形监测装置的竖向应变计获知管片环缝接头内侧错开距离vi，并通过两个倾角传感器得出环缝接头两管片的相对转角θ，然后，计算机根据上述监测数据运算得出管片环缝接头内侧张开距离zi、管片环缝接头外侧错开距离vo、以及管片环缝接头外侧张开距离zo，因此，本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统将对盾构隧道管片的变形监测转换成应变监测，提高了监测精度，而且，能够同时对环缝接头内、外侧张开和错开变形进行高精度实时自动化监测。

二、本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测方法，首先，利用环缝变形监测装置直接测量出管片环缝接头的相对水平位移wi，管片环缝接头内侧错开距离vi，及环缝接头两管片的相对转角θ，再间接计算得出管片环缝接头内侧张开距离zi、管片环缝接头外侧错开距离vo、及管片环缝接头外侧张开距离zo，能够同时对盾构隧道环缝接头内、外侧张开和错开变形进行高精度自动化实时监测，实现管片环缝接头外侧与土体接触部分变形的监测，该自动化监测方法效率高，而且监测结果精确。

附图说明

图1为本发明一实施例的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统的示意图；

图2为本发明一实施例的环缝变形监测装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例中相邻两个管片环缝接头位置各变量的关系图。

图中标号如下：

管片1；环缝接头2；环缝变形监测装置10；调制解调仪20；光缆30；计算机40；固定杆11；水平应变计12；竖向应变计14；连接件15；万向传动装置17；倾角传感器18。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统及方法作进一步详细说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”、“左”、“右”与附图的上、下、左、右的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。

结合图1和图2说明本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统，如图1所示，自动化监测系统包括多个环缝变形监测装置10，一个调制解调仪20及一台计算机40；每两个相邻管片1的环缝接头2的内侧安装一个环缝变形监测装置10，多个环缝变形监测装置10分别通过有线或无线的方式与调制解调仪20信号连接，调制解调仪20与计算机40之间信号连接；环缝变形监测装置10用于对管片1环缝接头2内侧及外侧的监测数据进行实时提取和分析，调制解调仪20用于将监测数据的模拟信号转换为数字信号并发送给计算机40，计算机40的软件对读取的监测数据进行处理、计算和分析。

如图2所示，环缝变形监测装置10包括一固定杆11、一万向传动装置17，两个倾角传感器18，以及垂直固接的一个水平应变计12和一个竖向应变计14；应变计是将构件上的应变，即尺寸变化转换成为电阻变化的变换器，相反的，也能够根据应变计的电阻变化得知构件的尺寸变化；倾角传感器18又称测斜仪、水平仪等，用于测量管片1的水平角度变化；上述固定杆11和万向传动装置17相对设置，固定杆11垂直连接于一个管片1的内侧，万向传动装置17则垂直连接于另一个管片1内侧的端部，水平应变计12的另一端与固定杆11的端部垂直固接，用以测量环缝接头2的水平应变，竖向应变计14的另一端与万向传动装置17铰接，用以测量环缝接头2的竖向应变；而且，万向传动装置17的转动轴心与竖向应变计14的轴线重合，当管片1发生相对转动时，万向传动装置17的底部随管片1一起转动，而万向传动装置17的顶部则不发生转动，从而保证水平应变计12和竖向应变计14测量到的应变始终为水平应变和竖向应变；同时，两个倾角传感器18分别连接在固定杆11和万向传动装置17上，测得环缝接头2处两管片1的相对转角，以此来保证可以同时监测到环缝接头2内侧和外侧的张开变形和错开变形；上述水平应变计12、竖向应变计14及倾角传感器18通过有线或无线的方式将集成的监测数据传输到调制解调仪20。

图3所示为相邻两个管片环缝接头位置各变量的关系图，图中a侧为管片1内侧，即靠近盾构隧道轴线一侧，b侧为管片1外侧，即靠近土体一侧，左侧管片1两个转角端分别定义为a、b点，右侧管片1两个转角端分别定义为c、d点，当两个管片1发生变形时，a、c两点连线距离为管片环缝接头内侧张开距离zi，a、c两点的垂直距离为管片环缝接头内侧错开距离vi，b、d两点连线距离为管片环缝接头外侧张开距离zo，b、d两点的垂直距离为管片环缝接头外侧错开距离vo；环缝变形监测装置10工作时，通过水平应变计12获知管片环缝接头的相对水平位移wi，通过竖向应变计14获知环缝接头2两管片1的相对竖向位移，即管片环缝接头内侧错开距离vi，两个倾角传感器18分别测得左、右两个管片1的倾斜角度，并由此得出环缝接头两管片的相对转角θ，再通过计算得出管片环缝接头外侧张开距离zo，以及管片环缝接头外侧错开距离vo。

在以往的盾构隧道结构变形监测中，不会考虑监测管片环缝接头2的变形，即使考虑了环缝接头2的变形，也只局限于环缝接头2内侧的变形，然而，盾构隧道结构是否渗水的因素主要集中在环缝接头2外侧的变形；本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统的核心设计思想在于，将盾构隧道环缝接头2内、外侧的张开和错开变形监测转换成应变的监测，同时利用倾角传感器18来实现对环缝接头2内侧及外侧张开和错开变形同时进行监测；通过环缝变形监测装置10的水平应变计12获知环缝接头两管片的相对水平位移wi，通过环缝变形监测装置10的竖向应变计14获知管片环缝接头内侧错开距离vi，并通过两个倾角传感器18得出环缝接头两管片的相对转角θ，然后，计算机40根据上述监测数据运算得出管片环缝接头内侧张开距离zi、管片环缝接头外侧错开距离vo、以及管片环缝接头外侧张开距离zo，因此，本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测系统将对盾构隧道管片1的变形监测转换成应变监测，提高了监测精度，而且，能够同时对环缝接头2内、外侧张开和错开变形进行高精度实时自动化监测。

较佳的，万向传动装置17包括相铰接的万向节及传动轴，万向节连接于管片1内侧的端部，传动轴与竖向应变计14固接，万向节是利用球型连接实现不同轴的动力传送的机械结构，应用广泛，当然，也可采用其他类似的结构。

如图2所示，上述固定杆11和万向传动装置17分别粘贴于相邻两个管片1的内壁，两个倾角传感器18则分别粘贴于固定杆11和万向传动装置17的外壁。采用粘贴的方式将环缝变形监测装置10安装于管片1内壁，易于拆装，而且不会对管片1造成破坏。

请继续参考图2，环缝变形监测装置10还包括一连接件15，水平应变计12和竖向应变计14的端部分别与连接件15垂直固接，可为焊接或螺栓连接，连接件15的设置，使得两个应变计的连接更加牢固，保证了监测数据的准确性。

本实施例的水平应变计12及竖向应变计14优选光纤光栅应变计，光纤光栅应变计能够将被测应力应变等信号转换成光信号输出，利用光纤光栅波长变化值测量应力应变值，灵敏度高，不受电磁干扰；而且，水平应变计12、竖向应变计14与调制解调仪20之间，以及调制解调仪20与计算机40之间优选通过光缆30实现信号连接，用以实现光信号的传输。

本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测方法，具体步骤如下：

s1：如图2所示，在每两个相邻管片1的环缝接头2的内侧分别安装一个环缝变形监测装置10，各环缝变形监测装置10通过调制解调仪20与计算机40信号连接；

s2：通过环缝变形监测装置10的水平应变计12获得管片环缝接头的相对水平位移wi，通过环缝变形监测装置10的竖向应变计14获得管片环缝接头内侧错开距离vi，通过环缝变形监测装置10的两个倾角传感器18获得环缝接头两管片的相对转角θ，通过公式一计算出管片环缝接头内侧张开距离zi:

通过公式二计算出管片环缝接头外侧错开距离vo：

v0＝t×cosθ-(t-vi)(公式二)

其中，t为管片1厚度，t为已知量；

通过公式三计算出管片环缝接头外侧张开距离zo：

本发明的盾构隧道环缝变形的自动化监测方法，首先，利用环缝变形监测装置10直接测量出管片环缝接头的相对水平位移wi，管片环缝接头内侧错开距离vi，及环缝接头两管片的相对转角θ，再间接计算得出管片环缝接头内侧张开距离zi、管片环缝接头外侧错开距离vo、及管片环缝接头外侧张开距离zo，能够同时对盾构隧道环缝接头2内、外侧张开和错开变形进行高精度自动化实时监测，实现管片1环缝接头2外侧与土体接触部分变形的监测，该自动化监测方法效率高，而且监测结果精确。

还包括步骤s3：根据管片环缝接头内侧错开距离vi、管片环缝接头内侧张开距离zi、管片环缝接头外侧错开距离vo及管片环缝接头外侧张开距离zo，利用计算机40软件绘制盾构隧道环缝接头2实时变形曲线，实时变形曲线包含错开变形曲线和张开变形曲线，可以更加直观地了解相邻两管片环缝接头位置的变形情况。

上述步骤s1还包括，安装环缝变形监测装置10时，先将万向传动装置17垂直粘贴于一个管片1环缝接头2的边缘，保证竖向应变计14测得的是环缝接头2的管片1的竖向应变，再将固定杆11垂直粘贴于另一个管片1上。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。