本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种智能盾构管片构件以及包含该管片构件的盾构隧道监控系统。
背景技术：
随着光纤技术的发展，光纤传感监测的应用也愈加广泛，其传输采用光作为信息载体，在其传输过程中，与电信号无直接的联系。在一些电信号无法到达的环境，如电磁干扰、强辐射、易燃易爆、强腐蚀性的环境中有较为理想的效果。被广泛地应用于民用工程、航空、船舶、电力、石油、建筑物结构健康监测，光纤传感器与其他传统的液压式、电测式传感器相比，更安全、稳定性更好、测量精度更高。而利用准分布式光纤传感技术，能够实现对管片应力应变以及隧道围岩孔隙水和盾构管片间的孔隙水的监测，可以实现全天远距离监测。
在盾构隧道施工和运行过程中，对于管片应力应变以及隧道围岩孔隙水和管片间孔隙水进行监测是一项周期长、监测项目复杂的系统工程。无论是采用传统测量技术，还是孔隙水压计监测技术，均存在传感器易腐蚀、监测范围小、监测数据不连续不全面等问题。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种智能盾构管片构件以及盾构隧道监控系统，能够实现对盾构隧道的应变情况和孔隙水渗漏情况进行全方位智能监测。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。
<盾构隧道监控系统>
本发明提供一种盾构隧道监控系统，其特征在于，包括：多个盾构管片，每个盾构管片包括：管片本体，和设置在管片本体内的骨架；孔隙水监测部，用于监测盾构隧道内孔隙水的渗漏情况，包括：与多个盾构管片相一一对应、并且分别安装在多个盾构管片内的多个管片温度传感光缆，和与管片温度传感光缆相通信连接的温度信息接收存储单元，温度信息接收存储单元接收各个管片温度传感光缆传送来的管片温度信息，并进行存储；应变监测部，用于监测盾构隧道内的应变情况，包括：与多个盾构管片相一一对应、并且分别安装在多个盾构管片内的多个管片应变传感光缆，和与管片应变传感光缆通信连接的应变信息接收存储单元，应变信息接收存储单元接收各个管片应变传感光缆传送来的管片应变信息，并进行存储；以及信息处理部，与温度信息接收存储单元和应变信息接收存储单元均通信相连，对管片温度信息和管片应变信息进行处理，得到反应盾构隧道孔隙水渗漏情况的管片温度数据，和反应盾构隧道破损情况的管片应变数据，其中，管片应变传感光缆和管片温度传感光缆均围绕管片本体的内部布设在骨架上。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以具有这样的特征：管片应变传感光缆和管片温度传感光缆在盾构隧道的轴向和径向上都呈s型均匀布设。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以具有这样的特征：信息处理部包含：温度处理单元，对管片温度信息进行处理得到反应盾构隧道孔隙水渗漏情况的管片温度数据；和应变处理单元，对管片应变信息进行处理，并基于管片温度信息从管片应变信息中剔除因温度变化而引起的应变变化信息，得到反应盾构隧道破损情况的管片应变数据。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以具有这样的特征：管片温度数据为管片温度变化情况数据，管片应变数据为管片应变变化情况数据，信息处理部还包含：温度判断提示单元，对管片温度变化情况数据是否超过温度变化阈值进行判断，并在判断结果为是的情况下，发出存在孔隙水渗漏危险的提示；和应变判断提示单元，对管片应变变化情况数据是否超过应变变化阈值进行判断，并在判断结果为是的情况下，发出存在破损危险的提示。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以具有这样的特征：管片本体包含：靠近盾构隧道中轴线的弧形的底板，远离中轴线的弧形的顶板，在与中轴线相平行的方向上连接底板和顶板的两个横向侧板，以及在与中轴线相垂直的方向上连接底板和顶板的两个纵向端板，管片温度传感光缆按照布设位置分为：与顶板相邻的顶板温度光缆段，与两个侧板相邻的两个侧板温度光缆段，以及与两个端板相邻的两个端板温度光缆段，管片温度变化情况数据包含：与顶板温度光缆段感应到的管片温度信息相对应的顶板温度变化情况数据，与两个侧板温度光缆段感应到的管片温度信息相对应的两个侧板温度变化情况数据，以及与两个端板温度光缆段感应到的管片温度信息相对应的两个端板温度变化情况数据。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以具有这样的特征：管片应变传感光缆按照布设后的位置分为：与顶板相邻的顶板应变光缆段，与两个侧板相邻的两个侧板应变光缆段，以及与两个端板相邻的两个端板应变光缆段，管片应变变化情况数据包含：与顶板应变光缆段感应到的管片应变信息相对应的顶板应变变化情况数据，与两个侧板应变光缆段感应到的管片应变信息相对应的两个侧板应变变化情况数据，以及与两个端板应变光缆段感应到的管片应变信息相对应的两个端板应变变化情况数据。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以包括：输入显示部，与信息处理部相通信连接，用于根据用户输入的指示信息显示：管片的位置信息、管片温度变化情况数据、和管片应变变化情况数据，并在温度判断提示单元或者应变判断提示单元发出提示的情况下，显示该提示。
在本发明所涉及的盾构隧道监控系统中，还可以具有这样的特征：应变监测部还包括：隧道应变传感光缆，布设在盾构隧道的顶部，并沿着该盾构隧道的轴向延伸，应变信息接收存储单元还与隧道应变传感光缆通信相连，接收并存储隧道应变传感光缆传送来的隧道应变信息，信息处理部还对隧道应变信息进行处理，并基于隧道应变信息和管片温度信息得到隧道应变变化情况数据，在隧道应变变化情况数据超过应变变化阈值的情况下，进一步基于该隧道应变数据所对应的多个盾构管片的管片应变信息和管片温度信息得到这些盾构管片的管片应变变化情况数据。
<智能盾构管片构件>
本发明还提供一种智能盾构管片构件，其特征在于，包括：盾构管片，每个盾构管片包括：管片本体，和设置在管片本体内的骨架；多个管片温度传感光缆，与多个盾构管片相一一对应，并且分别安装在多个盾构管片内，用于获取反应盾构隧道孔隙水渗漏情况的管片温度信息；以及多个管片应变传感光缆，与多个盾构管片相一一对应、并且分别安装在多个盾构管片内，用于获取反应盾构隧道破损情况的管片应变信息，其中，管片应变传感光缆和管片温度传感光缆均围绕管片本体的内部布设在骨架上。
在本发明所涉及的智能盾构管片构件中，还可以具有这样的特征：盾构管片的底板上设有光缆出口。
发明的作用与效果
根据本发明的智能盾构管片构件以及盾构隧道监控系统，因为在盾构管片内安装有管片温度传感光缆和管片应变传感光缆，管片温度传感光缆能够感应盾构管片内的温度变化信息，管片应变传感光缆能够感应盾构管片内的应变变化信息，并且温度信息接收存储单元接收并存储管片温度传感光缆传送来的管片温度信息，应变信息接收存储单元接收并存储管片应变传感光缆传送来的管片应变信息，进一步，信息处理部能够对管片温度信息和管片应变信息进行处理，得到反应盾构隧道孔隙水渗漏情况的管片温度数据，和反应盾构隧道破损情况的管片应变数据，因此，能够对盾构隧道的应变情况和孔隙水渗漏情况进行全方位地监测，监测方式安全可靠，数据准确完整。
附图说明
图1是实施例中盾构隧道监控系统的结构示意图；
图2是实施例中盾构隧道每一环所对应的六块盾构管片的结构示意图；
图3是实施例中盾构管片的结构的示意图；
图4是实施例中盾构隧道和隧道应变传感光缆位置关系的示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所涉及的智能盾构管片构件以及盾构隧道监控系统作详细阐述。
<实施例>
如图1和2所示，盾构隧道监控系统100包括：多个盾构管片10、孔隙水监测部20、应变监测部30、信息处理部40、以及输入显示部50。
如图2所示，盾构隧道每一环包括六块盾构管片10，分别为：位于最上方的封顶管片10a，位于封顶管片10a两侧的两块相邻管片10b，以及位于下方的三块标准管片10c。具体地，如图3所示，每一块盾构管片10都呈弧形的中空片状结构，包括管片本体11、骨架12、注浆孔13、以及光缆出口14。
如图2和3所示，管片本体11包含：底板11a、顶板11b、两个横向侧板11c、以及两个纵向端板11d。底板11a为弧形，并且靠近盾构隧道t的中轴线x(见图4)；顶板11b也为弧形，相对底板11a更远离中轴线x；两个横向侧板11c的长度方向与中轴线x相平行，并且连接底板11a和顶板11b；两个纵向端板11d的长度方向与中轴线x相垂直，并且连接底板11a和顶板11b。
骨架12设置在管片本体11内，通常为钢筋结构，主要起支撑作用，其结构形状与管片形状相同，呈弧形，并且围成六个面，分别与管片本体11的底板11a、顶板11b、两个横向侧板11c、以及两个纵向端板11d相对应。
注浆孔13设置在底板11a的中部，供盾构隧道t施工或运行过程在监测到不稳定情况时进行临时注浆。注浆孔13内设置有防倒流构件。
光缆出口14设置在底板11a上，作为预留的连接通道，使内部的光缆通过该通道与外部通信光缆连接，在不进行监测时可采用柔性密封件对其进行堵塞封闭。
孔隙水监测部20用于监测盾构隧道t内孔隙水的渗漏情况，它包括多个管片温度传感光缆21和温度信息接收存储单元(图中未显示)。
多个管片温度传感光缆21与多个盾构管片10相对应，每个管片温度传感光缆21安装在一个盾构管片10内，具体为围绕管片本体11的内部布设在骨架12上，在盾构隧道t的轴向和径向上都呈s型均匀布设。本实施例中，管片温度传感光缆21无需预拉，可用扎带绑扎到骨架12上。管片温度传感光缆21用于监测温度变化，孔隙水渗流会影响围岩和盾构管片10内的温度场，从而通过温度变化，反应孔隙水渗流情况。
按照布设位置不同，管片温度传感光缆21分为六段，分别为：与底板11a相邻的底板温度光缆段，与顶板11b相邻的顶板温度光缆段，与两个侧板11c相邻的两个侧板温度光缆段，以及与两个端板11d相邻的两个端板温度光缆段。
通过这样的设置，当盾构管片10周边围岩和相连盾构管片10缝隙间存在孔隙水时，必然会引起温度场的改变，通过邻近顶板11b的顶板温度光缆段监测围岩温度场从而反应围岩孔隙水情况；通过邻近两个侧板11c的两个侧板温度光缆段监测环向管片间温度场从而反应环向管片间孔隙水情况；通过邻近两个端板11d的两个端板温度光缆段监测纵向管片间温度场从而反应纵向管片间孔隙水情况。
温度信息接收存储单元与管片温度传感光缆21相通信连接，接收各个管片温度传感光缆21传送来的管片温度信息，并基于管片位置信息进行对应存储。
如图1至4所示，应变监测部30用于监测盾构隧道t内的应变情况，它包括：多个管片应变传感光缆31、隧道应变传感光缆32、以及应变信息接收存储单元。
多个管片应变传感光缆31与多个盾构管片10相对应，并且每个管片应变传感光缆31安装一个盾构管片10内，具体地管片应变传感光缆31是围绕管片本体11的内部布设在骨架12上，在盾构隧道t的轴向和径向上都呈s型均匀布设。本实施例中，布设管片应变传感光缆31时，应将其拉直，给予一定预应力，然后用扎带固定于骨架12上。
按照布设位置不同，管片应变传感光缆31分为六段，分别为：与底板11a相邻的底板应变光缆段，与顶板11b相邻的顶板应变光缆段，与两个侧板11c相邻的两个侧板应变光缆段，以及与两个端板11d相邻的两个端板应变光缆段。
通过这样的设置，管片应变传感光缆31可以监测在盾构隧道t施工和运行过程中盾构管片10自身应力应变，通过邻近顶板11b的顶板应变光缆段监测围岩作用下管片外围的应力应变；通过邻近两个侧板11c的两个侧板应变光缆段监测环向管片相互作用下的应力应变；通过邻近两个端板11d的两个端板应变光缆段监测纵向管片相互作用下的应力应变。
如图4所示，隧道应变传感光缆32布设在盾构隧道t的顶部，并沿着盾构隧道的轴向延伸。当盾构隧道t某处发生局部变形时，隧道应变传感光缆32可以监测出局部变形的大致位置，然后通过盾构管片10内部的管片应变传感光缆31和管片温度传感光缆21确定发生局部破坏具体位置，即、具体哪一块盾构管片10所对应的盾构隧道t区域处发生破坏。
应变信息接收存储单元与管片应变传感光缆31和隧道应变传感光缆32均通信连接，用于接收和存储各个管片应变传感光缆31传送来的管片应变信息，和隧道应变传感光缆32传送来的隧道应变信息。
信息处理部40与温度信息接收存储单元和应变信息接收存储单元均通信相连，对管片温度信息、管片应变信息、和隧道应变信息进行处理，并将这些处理后得到的数据基于管片位置信息进行对应存储。信息处理部40包含图中未显示的温度处理单元、应变处理单元、数据存储单元、温度判断提示单元、以及应变判断提示单元。
温度处理单元用于对管片温度信息进行处理得到反应盾构隧道t孔隙水渗漏情况的管片温度变化情况数据。本实施例中，管片温度变化情况数据包含：与顶板温度光缆段感应到的管片温度信息相对应的顶板温度变化情况数据，与两个侧板温度光缆段感应到的管片温度信息相对应的两个侧板温度变化情况数据，以及与两个端板温度光缆段感应到的管片温度信息相对应的两个端板温度变化情况数据。
应变处理单元用于对隧道应变信息和管片应变信息进行处理，并基于管片温度信息，从隧道应变信息和管片应变信息中剔除因温度变化而引起的应变变化信息，得到反应盾构隧道t破损情况的隧道应变变化情况数据和管片应变变化情况数据。本实施例中，管片应变变化情况数据包含：与顶板应变光缆段感应到的管片应变信息相对应的顶板应变变化情况数据，与两个侧板应变光缆段感应到的管片应变信息相对应的两个侧板应变变化情况数据，以及与两个端板应变光缆段感应到的管片应变信息相对应的两个端板应变变化情况数据。
数据存储单元基于隧道位置信息和管片位置信息将处理后得到的管片温度变化情况数据、隧道应变变化情况数据、和管片应变变化情况数据进行对应存储。
温度判断提示单元对管片温度变化情况数据是否超过温度变化阈值进行判断，并在判断结果为是的情况下，发出存在孔隙水渗漏危险的提示。
应变判断提示单元对隧道应变变化情况数据或管片应变变化情况数据是否超过应变变化阈值进行判断，并在判断结果为是的情况下，发出存在破损危险的提示。这里，破坏主要指应变过大，应变过大可能发生塌陷之类的，所以需要对其进行警示。
另外，为了减少处理工作量，在本实施例中，应变处理单元是先基于隧道应变信息和管片温度信息得到隧道应变变化情况数据，在应变判断提示单元判断出隧道应变变化情况数据超过应变变化阈值的情况下，进一步根据该隧道应变变化情况数据所对应的隧道位置信息确定位于该位置处的多个盾构管片10(盾构隧道的多环区域)，然后基于相应的管片应变信息和管片温度信息得到这些盾构管片10的管片应变变化情况数据，接着应变判断提示单元再对这些盾构管片10的数据进行逐个判断，最终确定破损区域所对应的盾构管片10及其位置。
进一步，在本实施例中，是先记录时间a的应变/温度变化情况数据，然后间隔一定时间，到b时间时，将时间b的应变/温度数据记录，与a时间的对比，获取变化量；通过将变化量与阈值进行比较来判断此处是否有危险。
输入显示部50与信息处理部40相通信连接，用于根据用户输入的指示信息显示：管片的位置信息、管片温度变化情况数据、和管片应变变化情况数据，并在温度判断提示单元或者应变判断提示单元发出提示的情况下，显示该提示。
本实施例中，温度信息接收存储单元、应变信息接收存储单元、信息处理部40、以及输入显示部50都可以通过解调仪和与解调仪相连的上位机来实现。每个盾构管片10中，管片温度传感光缆21和管片应变传感光缆31都通过普通光缆连接并传输信号，最终连接到解调仪上，通过上位机运算求解应力应变和孔隙水情况，并进行显示。本实施例中，管片温度传感光缆21和隧道应变传感光缆32先串联，然后通过伸入光缆出口14的通信光缆与解调仪相连接。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的智能盾构管片构件以及盾构隧道监控系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
在以上实施例中，管片温度传感光缆和隧道应变传感光缆是先串联，然后与一根通信光缆相连接。本发明中，管片温度传感光缆和隧道应变传感光缆也可以独立设置，并且通过两根通信光缆独立地与解调仪相连接。
另外，在本发明中，可以通过延长布设隧道应变传感光缆对隧道施工期进行顶部监测，在隧道运行期也可以进行监测。
另外，在本发明中，解调仪可以设置在地表，也可以采用便携式解调仪在盾构隧道内进行解调。