一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法及装置，通过在隧道内壁上布设温度传感器阵列，利用水与墙壁间的温差及水的蒸发散热作用，根据各铂电阻测点的温度来判断被测区域是否存在渗漏，并可以根据检测信息估计出渗漏区域的形状。本发明能够在渗漏水现象出现时及时定位和报警，以便管理人员在第一时间发现和治理隧道渗漏水病害，此外，还可以长期监测已有渗漏水病害的发展，帮助观察隧道的结构性能演变趋势。
【专利说明】—种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及隧道渗漏水检测【技术领域】，特别涉及一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着我国城市现代化水平的提高和人们生活节奏的加快，地铁以其方便快捷的优势正逐渐成为大城市公共交通系统的重要组成部分，大量的省会城市及部分二线城市都在投入巨资新建地铁。与此同时，地铁隧道健康服役面临的问题却日益突出。渗漏水是最常见也是最典型的一种地铁隧道结构病害，我国的许多城市地铁都在被严重的渗漏水病害所困扰。
[0003]在地下水的长期侵蚀作用下，隧道衬砌中的混凝土和钢筋受到腐蚀，原有的微裂缝扩大、贯穿，影响隧道结构的耐久性，大量的渗漏水还会降低隧道内各种附属设施的使用功能和寿命，危及行车安全。对盾构隧道而言，发生局部渗水后，在地下水补给不充分时，地下水的流失使得孔隙水压力降低，土中有效应力增加，土体被压密而引起不均匀沉降，隧道产生变形，导致错台、管片与道床脱开、环向收敛等一系列病害，隧道的弯曲还导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗漏。可见，渗漏水不仅是盾构隧道中最普遍的结构病害，还会诱发一系列的其他病害，因此，对隧道渗漏水病害的检测在当前形势下显得尤为重要。
[0004]现有的隧道渗漏水常规检测通常由检测人员携带检测工具或设备，采用步行的方式进行目测或量测，这类方法存在效率低、主观性强、费时、费力等缺点。近年来，人们研究出了红外热成像法、激光扫描法、地质雷达法、光纤光栅、分布式光纤等渗漏水快速无损检测方法，其中最常用的当数红外热成像法。当物体温度高于绝对零度时，物体表面的原子和分子运动会发出红外线能量。红外热像仪是一种二维平面成像的红外系统，它可以将红外辐射能量聚集在红外探测器上，形成被测目标的红外热图像。许多研究表明渗漏水区域内外存在温度梯度变化，向外辐射的红外能量也有所不同，因此可以利用红外热像仪进行有效检测。红外热成像法具有精度高的优点，但仪器设备成本较高，若要大范围检测则需要依靠车辆移动，通常每隔一段时间才会沿隧道全长检测一次，且每次检测周期较长、效率较低。渗漏水是一个随机的过程，如果采取人工或仪器定期检测，则检测间歇期发生的严重渗漏水，无法在第一时间发现和处置，有可能会酿成灾害。因此，针对当前的渗漏水问题，需要一种低成本、并能够长期、自动检测隧道渗漏水的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法及装置，通过在隧道内壁布设温度传感器阵列，利用各测点的温度差异来检测渗漏水，以解决现有检测方法存在的问题。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法，包括以下步骤:
[0008]I)将隧道渗漏水常发位置标记为检测区域；
[0009]2)在每个检测区域的隧道内壁上布设温度传感器阵列；
[0010]3)定时采集温度传感器检测到的温度；
[0011]4)根据两个温度传感器之间的温差，判断所述两个温度传感器之间的区域是否渗水。当隧道混凝土墙壁呈干燥状态时，两个温度传感器间几乎没有温度差异。当墙壁出现渗水时，由于水与墙壁间的温度差异，以及水的蒸发散热作用，渗水区域与不渗水区域将会存在明显温度差异，且渗水区域内部的温度呈现不同的变化特征。试验发现，当缓慢渗水时，渗水区域内部存在明显温度梯度变化，越靠近出水口处，渗水区内外部的温度梯度变化越大。在较快渗水和湿迹的情况下，渗水区域内部的温度没有太大差异，但渗水区域边缘温度变化剧烈，可以通过该特征来简单判断渗水强度。若温差小于或等于阈值，则认为该区域不渗水，若温差大于阈值，则认为该区域渗水。
[0012]所述的温度传感器阵列呈网格状或条带状排列，所述的温度传感器为贴片式钼电阻传感器。
[0013]检测时通过温度传感器阵列中横向或纵向上两个相邻的温度传感器之间的温差，判断相邻温度传感器之间的区域是否存在渗水，对所有相邻温度传感器之间的区域依次进行检测，获取渗漏水的位置和形状。
[0014]根据采集到的所有温度传感器测点的温度值，利用以下原则可以近似确定渗漏水形状:温度相近的测点可以认为渗漏水情况相同，同为渗漏区域或不渗漏区域。若两相邻测点存在一定温度差，则认为渗漏水情况在此两点间改变，以此两点连线的中点作为近似确定渗漏水边缘的定位点。将所有此类定位点用样条曲线或者直线相连，即可得到近似渗漏水形状。
[0015]检测时可以采用多通道采集模块同时获得多个钼电阻传感器的温度值，可以采用单通道采集模块以巡检的方式依次获得各个钼电阻传感器的温度。在实际应用中，应以两者结合最佳，每一轮采集的间隔周期为I小时?I天，根据渗漏水严重程度和隧道重要性决定。
[0016]对于隧道渗漏水常发位置，对于盾构隧道，为隧道两端及旁通道附近的环缝、纵缝、注浆孔等；对于山岭隧道，为拱部、中墙等，每个检测区域的大小在0.5mX0.5m?ImX Im之间为宜。由于温度传感器阵列的排列方式根据检测部位决定，对于盾构隧道的接缝部位，温度传感器应垂直接缝呈条带状排列、对于盾构隧道的注浆孔部位以及山岭隧道的大部分渗漏水部位，温度传感器应呈网格装排列。温度传感器阵列的个数根据待检测区域的大小决定，为了降低成本同时控制漏检数量，相邻温度传感器间的间距宜为10cm_20cm。
[0017]一种用于实施权利上述方法的隧道渗漏水检测装置，包括检测单元、数据传输单元和管理控制单元，所述的检测单元设置于每个检测区域处，检测单元包括温度传感器阵列和温度采集模块，所述的温度采集模块获取温度传感器阵列中每个温度传感器的数据，并通过传输单元将数据发送至管理控制单元。
[0018]所述的检测单元还包括基底、垫块和模拟开关，所述的基底采用绝缘隔热材料制成，作为温度传感器阵列的载体，所述的垫块设置于基底上，将基底和温度传感器阵列固定在隧道内壁上，所述的温度传感器阵列呈网格状或条带状排列，温度传感器为贴片式钼电阻传感器，并通过模拟开关连接温度采集模块，温度传感器与隧道内壁之间设置导热胶。
[0019]所述的数据传输单元包括无线发射模块、中继站、无线接收模块，所述的无线发射模块连接温度采集模块，所述的无线接收模块连接管理控制单元，无线发射模块和无线接收模块之间根据距离选择通过中继站或者直接进行数据传输。
[0020]所述的管理控制单元包括监测计算机和数据库，用于检测数据的保存和读取、渗漏水事件的报警和定位、以及控制指令的发布。
[0021]其特征在于，温度采集模块根据检测结果判断是否发送数据，若检测到的温差小于或等于阈值，即该区域不渗水，则温度采集模块不发送数据；若检测到的温差大于阈值，即该区域渗水，则温度采集模块通过传输单元将检测数据发送至管理控制单元。
[0022]与现有技术相比，本发明利用混凝土与地下水的温度差异以及水的蒸发散热作用，实现对隧道渗漏水常发位置的长期自动检测。该装置可以在渗漏水现象出现时及时定位和报警，以便隧道管理人员在第一时间发现和治理隧道渗漏水病害，最大限度减小渗漏水造成的损失，此外还可以长期监测已有渗漏水病害的发展，估计渗漏水的面积，以帮助隧道管理人员观察隧道的结构性能演变趋势。而且本发明采用无线传感网络作为数据传输方式，在横断面上不会影响隧道限界，列车运行时也可照常检测。在纵向上，可以节省大量传输电缆，有效控制成本。
[0023]其优点在于:
[0024]I)平时未发生渗漏水时数据传输单元不向外传输信号，仅在发生渗漏水时才自动向外传输信号，节约能源，实现主动报漏功能。
[0025]2)无需人工辅助，即可实现隧道渗漏水的长期自动监测，并可以提供渗漏水位置、面积等信息，提高隧道运营管理效率。
[0026]3)利用温度间接检测渗水，对隧道无任何损害，原理清晰，结构简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明基于温度梯度的隧道渗漏水检测装置一个实施例的结构示意图；
[0028]图2是本发明基于温度梯度的隧道渗漏水检测装置一个实施例的检测流程图；
[0029]图3是应用本发明的检测方法获得的渗漏水形状的预估图，其中(a)为实际渗水形状及各测量点温度，(b)为存在温差的测量点，(C)为检测获取的渗水形状。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031]实施例
[0032]图1和图2示出了本发明基于温度梯度的隧道渗漏水检测装置的一个实施例，其中，图1为该实施例的结构示意图，图2为进行检测的流程图。
[0033]如图1所示，一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测装置，包括检测单元101及102、数据传输单元108和管理控制单元112。
[0034]检测单元101及102用于检测渗漏水信息，包括贴片式钼电阻传感器103组成的温度传感器阵列，基底104、垫块105、模拟开关106，温度采集模块107。温度传感器阵列由多个贴片式钼电阻传感器103呈条带状或网格状排列组成，其排列方式和个数根据所处部位和检测区域大小决定。由于测点众多，为了方便后期钼电阻传感器阵列103的安装固定，应事先将钼电阻传感器阵列103根据预设的排列方式和间距黏贴在基底104上，基底104的材料必须是隔热性能较好的绝缘材料，从而相邻两钼电阻传感器的温度场不会互相影响。采用导热胶作为贴片式钼电阻传感器103与待检测区域隧道墙壁间的传热材料，以便钼电阻传感器阵列103快速准确的感测墙壁温度。由于普通导热胶的粘结性能较差，为了让贴片式钼电阻传感器103以及基底104牢固的固定在墙壁上，在基底104上应设置数个凸起的垫块105，其厚度应与钼电阻传感器厚度相同或略微小于钼电阻传感器厚度，确保垫块105不会造成贴片式钼电阻传感器103与墙壁接触面间存在空隙。采用强力胶将垫块105黏贴在隧道墙壁上，或者在基底104与垫块105上钻孔，现场用螺栓固定在墙壁上。
[0035]温度采集模块107用于读取各个钼电阻传感器测点的温度值并通过数模转换将其变为数字信号，以便后期的数据传输。所述模拟开关106用于控制温度采集模块107以轮询的方式切换被测钼电阻传感器，在检测时可以采用多通道采集模块同时获得多个钼电阻传感器的温度值，可以采用单通道采集模块以巡检的方式依次获得各个钼电阻传感器的温度。根据电路稳定性确定轮询的时间间隔，由于温度场变化并不迅速，因此轮询频率不需要很快，前后两钼电阻传感器测量时刻间隔5s?1s即可。试验发现，渗水区域内外的温度差异通常为0.2?0.6度左右，因此应选用A级或1/3级的钼电阻传感器，数据采集模块的精度也应达到0.1度左右。
[0036]每个待检测区域都设置一个检测单元，在本实施例中设置了 2个检测单元101及102，每个检测单元拥有唯一的地址信息，可以被数据传输单元108识别。
[0037]数据传输单元108用于接收检测单元101及102传来的检测信息，并传送给管理控制单元112。所述数据传输单元108为无线传感网络，包括无线发射模块109、中继站110、无线接收模块111。
[0038]每个检测单元101及102都配有一个无线发射模块109，可以定期将该检测单元的检测信息及相应地址信息传送给中继站110。
[0039]根据检测单元101及102到管理控制单元112的远近，以及无线信号的最优传输距离，在隧道中设置若干个中继站(本实施例中为中继站110)，用于接收无线发射模块109的数据，并传递给下一个中继站，最终传输给无线接收模块111。
[0040]无线发射模块109与中继站110之间的传输宜选用星形或树形网络，中继站之间的传输宜选用条形或组合型网络。
[0041]无线接收模块111与管理控制单元112相连，由无线接收模块111接收到的数据先到达监测计算机114，后存入数据库113。监测软件系统115根据数据库113中的检测信息及地址信息实现渗漏水的报警及渗漏水部位、形状的判断。
[0042]本发明基于温度梯度的隧道渗漏水检测装置的工作过程如下:
[0043]在检测开始前，设计测点布置、检测频率、检测顺序。选择第一个检测单元101进行检测。
[0044]按照预设的检测顺序选择该待测区域的第一个钼电阻传感器作为检测对象，由模拟开关106接通第一个钼电阻传感器的电路，并保持一段时间，温度采集模块107获取此时第一个钼电阻传感器的温度值，并传递到无线发射模块109，接着模拟开关106切换下一个钼电阻传感器。类似的，由模拟开关106控制依次接通各个钼电阻传感器，由温度采集模块进行数据的采集，直至检测到最后一个钼电阻传感器，此时完成一个循环。
[0045]所有的钼电阻传感器均检测完毕后，模拟开关106全部断开，检测单元101开始休目民，接着进行下一个检测单元102的检测。检测单元101根据预设的检测频率到下一个检测时刻恢复工作，开始新一轮循环。
[0046]由无线发射模块109接收到所有钼电阻传感器的检测信息后，对测得的温度值进行初步判断，若所有温度值无明显差异，说明此时无渗水，对这些数据不做处理。若存在一定温差的两个温度值，说明此时很有可能发生渗水无线发射模块109将检测单元地址、所有钼电阻传感器的检测信息发射给中继站。
[0047]中继站将无线发射模块109的数据即时传输到接收端111，接着数据到达管理控制单元112。
[0048]当管理控制单元112接收到数据后，监测计算机114报警，并显示检测区域编号，监测软件系统115根据检测信息绘制出渗漏水的形状。如图3所示，若两相邻测点存在一定温度差，则认为渗漏水情况在此两点间改变，以此两点连线的中点作为近似确定渗漏水边缘的定位点。将所有此类定位点用样条曲线或者直线相连，即可得到近似渗漏水形状，并估计渗漏水面积。
[0049]对于暂不处置且需长期监测的渗漏水，管理控制单元112接收到数据后及时存储到数据库113中，并由检测软件绘制出长期监测曲线，供隧道管理人员参考。
【权利要求】
1.一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将隧道渗漏水常发位置标记为检测区域； 2)在每个检测区域的隧道内壁上布设温度传感器阵列； 3)定时采集温度传感器检测到的温度； 4)根据两个温度传感器之间的温差，判断所述两个温度传感器之间的区域是否渗水；若温差小于或等于阈值，则认为该区域不渗水，若温差大于阈值，则认为该区域渗水。
2.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，所述的温度传感器阵列呈网格状或条带状排列，所述的温度传感器为贴片式钼电阻传感器。
3.根据权利要求2所述的一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，检测时通过温度传感器阵列中横向或纵向上两个相邻的温度传感器之间的温差，判断相邻温度传感器之间的区域是否存在渗水，对所有相邻温度传感器之间的区域依次进行检测，获取渗漏水的位置和形状。
4.根据权利要求3所述的一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，采用多通道采集或者单通道巡检的方式实现对所有相邻温度传感器之间的区域依次进行检测。
5.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法，其特征在于，每个检测区域的大小在0.5mX0.5m?ImX Im之间，相邻温度传感器间的间距为1cm?20cm。
6.一种用于实施权利要求1?5中任意一项所述方法的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，包括检测单元、数据传输单元和管理控制单元，所述的检测单元设置于每个检测区域处，检测单元包括温度传感器阵列和温度采集模块，所述的温度采集模块获取温度传感器阵列中每个温度传感器的数据，并通过传输单元将数据发送至管理控制单元。
7.根据权利要求6所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，所述的检测单元还包括基底、垫块和模拟开关，所述的基底采用绝缘隔热材料制成，作为温度传感器阵列的载体，所述的垫块设置于基底上，将基底和温度传感器阵列固定在隧道内壁上，所述的温度传感器阵列呈网格状或条带状排列，温度传感器为贴片式钼电阻传感器，并通过模拟开关连接温度采集模块，温度传感器与隧道内壁之间设置导热胶。
8.根据权利要求6所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，所述的数据传输单元包括无线发射模块、中继站、无线接收模块，所述的无线发射模块连接温度采集模块，所述的无线接收模块连接管理控制单元，无线发射模块和无线接收模块之间根据距离选择通过中继站或者直接进行数据传输。
9.根据权利要求6所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，所述的管理控制单元包括监测计算机和数据库，用于检测数据的保存和读取、渗漏水事件的报警和定位、以及控制指令的发布。
10.根据权利要求6?9中任意一项所述的隧道渗漏水检测装置，其特征在于，温度采集模块根据检测结果判断是否发送数据，若检测到的温差小于或等于阈值，即该区域不渗水，则温度采集模块不发送数据；若检测到的温差大于阈值，即该区域渗水，则温度采集模块通过传输单元将检测数据发送至管理控制单元。
【文档编号】G01K13/00GK104236827SQ201310231689
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月9日 优先权日:2013年6月9日
【发明者】黄宏伟, 何斌, 程姝菲, 黄强, 文长辉 申请人:同济大学