一种智能防水抗震的沉管隧道管节

1.本发明提供了一种智能防水抗震的沉管隧道管节，尤其涉及一种能够自动微调节段之间距离以实现防水功能的沉管隧道管节，属于土木工程技术领域。


背景技术：

2.随着我国城市化进程的快速推进，在我国中东部冲积平原、河流三角洲及近海地区相继建成或规划了大量长大隧道。沉管隧道为上述隧道中一种常见的形式，沉管隧道对地基要求较低，特别适用于软基、河床或海床较浅易于用水上疏浚设施进行基槽开挖的工程地点。由于其埋深小，包括连接段在内的隧道线路总长较采用矿山法和盾构法修建的隧道显著缩短。沉管断面形状可圆可方，选择灵活。基槽开挖、管段预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业，彼此干扰较少。管段预制质量易于控制。沉管隧道在施工时将隧道管段分段预制，每段两端设置临时止水头部，然后浮运至隧道轴线处，沉放在预先挖好的地槽(基槽)内，完成管段间的水下连接，移去临时止水头部，回填基槽保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成一个完整的水下通道。
3.虽然沉管隧道有诸多优点，但在接头处理的过程中仍然存在很多难点，管节接头是沉管隧道的重要部位，同时也是最薄弱的部位，所以管节接头必须具备良好的水密性。在现有技术中，通常采用gina止水带作为第一道防水，然后在形成水密性的沉管隧道内，在各接头上安装omega止水带，从而实现管节接头的防水。但是上述沉管隧道的接头连接结构在防水抗震方面存在一些缺陷。例如：沉管隧道管节对接后管节截面受力不均匀可能导致抗震整体性能降低；长期使用过程中由于海底波浪等外力作用下导致管节间微小的变形或者错动进而影响防水性能；无法得知gina止水带与omega止水带之间是否有积水，进而无法准确的预先采取防水措施。


技术实现要素：

4.本技术中针对上述技术方案中的不足，提供了一种智能防水抗震的沉管隧道管节，能够针对管节接头处的位移进行实时监控，同时根据所监控的位移数值对管节间的拉应力进行智能调节，从而提升沉管隧道的抗震能力，并保证防水要求。
5.实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
6.一种智能防水抗震的沉管隧道管节，至少包括依次铺设连接的节段，相邻的节段之间在接头部位设置有gina止水带和omega止水带，还设置有：
7.智能位移传感器，安装于接头部位的安装孔内，且在接头部位均匀分布，用于监测相邻的节段之间的位移；
8.预埋卡槽，在接头部位均匀分布；
9.调节单元，与预埋卡槽的位置一一对应，且两者分别位于相邻的两节段接头部位的两侧，包括调节杆、调节电机和电动千斤顶，调节杆的顶部设置有能够活动插入预埋卡槽内部的卡舌，卡舌插入后调节杆与预埋卡槽之间能够相对旋转且两者的轴向相对位移被锁
死，调节电机和电动千斤顶固定安装于节段接头部位的安装孔内，调节杆的尾部与电动千斤顶通过螺纹连接，电动千斤顶在电机的驱动下控制调节杆旋转，从而调节相邻两节段之间的间距；
10.控制单元，包括接收模块、存储模块以及计算模块和控制模块，接收模块与智能位移传感器连接并接收智能位移传感器的编号信息和所采集的位移数据；存储模块中存储有与智能位移传感器的编号相对应的位置信息和容许位移阈值数据，以及与调节单元的编号相对应的位置信息；计算模块根据智能位移传感器中所反馈的位移信息计算出具体调节单元所需要调节的具体调节数据；控制模块与调节单元连接，用于发送具体调节数据至对应的调节单元并控制此调节单元完成调节。
11.具体的，所述调节杆中所设置的螺纹为精密螺纹，螺距不超过0.5mm。
12.具体的，所述智能位移传感器采用弹压式智能位移传感器。
13.具体的，所述智能位移传感器设置有四个，分别位于接头部位的四个拐角处，或分别位于接头部位的顶边、底边以及两侧边的中心处。
14.具体的，所述智能位移传感器通过电线接入沉管隧道管节内的电力系统，并通过电力系统与控制单元连接。
15.具体的，所述调节单元通过电线接入沉管隧道管节内的电力系统，并通过电力系统与控制单元连接。
16.具体的，还包括预埋抽水管道，所述预埋抽水管道的一端通向omega止水带，另一端设置有抽水装置。
17.具体的，所述接头部位中智能位移传感器的安装孔数量以及调节单元的安装孔数量均留有空余以供后期置换。
18.本发明中同时还提供了一种基于上述沉管隧道管节的智能防水抗震方法，包括以下步骤：
19.(1)、沉管隧道管节中的节段在浇筑环节预留智能位移传感器和调节单元的安装孔，同时设置预埋卡槽；
20.(2)、沉管隧道全部管节中的节段沉放完毕并完成水下连接后，将智能位移传感器和调节单元安装至对应的安装孔内并与控制单元连接，同时将调节装置中调节杆的卡舌部位插入至预埋卡槽中，并通过电机和电动千斤顶使调节杆预拉紧；
21.(3)、沉管隧道在正常运行期间，智能位移传感器监测相邻节段之间的位移，并将编号信息和所采集的位移信息传输至接收模块并存储至存储模块中，存储模块中存储有与智能位移传感器的容许位移阈值信息，若某个位移数值超出容许位移阈值数据，则及时报警并自动触发计算模块进行计算；
22.(4)、计算模块根据位移数值，以及对应的智能位移传感器的位置信息，结合调节单元的具体位置信息从而计算出具体的调节单元的调节距离值，并根据调节单元中调节杆的螺距进一步计算出调节杆的转动圈数，再结合调节电机的功率、转速及电动千斤顶的传动比，最后计算出调节电机的调节时间，并将调节时间与对应的调节单元的编号信息发送至控制单元；
23.(5)、控制单元根据所接收的编号信息以及调节时间，控制对应的调节单元启动调节，调节电机启动并按照调节时间进行运转，完成自动作业。
24.具体的，所述智能位移传感器为周期性采集位移数据；所述计算模块以及控制模块常态下处于休眠状态，存储模块中产生报警信号后激活计算模块以及控制模块。
25.与现有技术相比，本发明提供的智能防水抗震的沉管隧道管节具有以下优点：
26.1、本专利中由于节段与节段之间通过均匀设置的调节杆与预埋卡槽进行连接，在安装完毕后，通过调节电机和电动千斤顶将调节杆和预埋卡槽之间进行预拉紧，能够有效的提高管节的整体性，进而提升沉管隧道整体的抗震能力。
27.2、本专利中节段与节段之间设置有智能位移传感器，能够对隧道中的异常位移进行实时监控，感应精度可精确至微米级，能够及时发现沉管隧道中因外界的因素(地震、海啸、风浪等)而导致的微小形变，并且能够在形变超出容许位移阈值数据时及时进行报警。一旦管节中的形变超过容许位移阈值数据，本系统能够自动启动计算模块，通过计算模块计算出调节数值，并通过控制控制模块和调节单元完成自动调节，加大异常位移处节段与节段之间的拉应力，从而保证防水要求。
28.3、本专利中智能位移传感器为周期性采集位移数据；同时计算模块以及控制模块常态下处于休眠状态，只有当存储模块中产生报警信号后才会激活计算模块以及控制模块，因此整个系统的能耗并不高。同时整个系统中的供电和通信直接接入沉管隧道中的电力系统，无需单独设置，因此成本可控。
29.4、本专利中预埋卡槽的数量可设置多个(数量多于调节单元的数量)，同时接头部位中智能位移传感器的安装孔数量以及调节单元的安装孔数量均留有空余以供后期置换。
30.5、本专利中还预埋有抽水管道，所述预埋抽水管道的一端通向omega止水带，另一端设置有抽水装置。当某个节段与节段之间发生了异常位移时，需要考虑到是否已经发生了漏水情形(由于沉管隧道在施工过程中会进行回填，通常漏水都是发生在隧道顶部)，gina止水带与omega止水带之间可能存有水。此时能够利用本专利中所设置的抽水管道将omega止水带上方的积水吸出，避免此处的积水向隧道内部泄露。
附图说明
31.图1为本发明提供的智能防水抗震的沉管隧道管节的接头部位结构示意图a；
32.图2为本发明提供的智能防水抗震的沉管隧道管节的接头部位结构示意图b；
33.图3为预埋卡槽和智能位移传感器的分布状态示意图；
34.图4为控制单元的逻辑框图；
35.图中：1-节段，2-gina止水带，3-omega止水带，4-智能位移传感器，5-预埋卡槽，6-调节杆，7-调节电机，8-电动千斤顶，9-卡舌，10-抽水管道。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
37.本实施例中所提供的智能防水抗震的沉管隧道管节，其接头部位的结构如图1和图2所示，包括依次铺设连接的节段1，相邻的节段之间在接头部位设置有gina止水带2和omega止水带3。节段中还预埋有抽水管道10，所述预埋抽水管道的一端通向omega止水带，另一端设置有抽水装置。当某个节段与节段之间发生了异常位移时，需要考虑到是否已经
发生了漏水情形(由于沉管隧道会进行回填，通常漏水都是发生在隧道顶部)，gina止水带与omega止水带之间可能存有水。此时能够利用本专利中所设置的抽水管道将omega止水带上方的积水吸出，避免此处的积水向隧道内部泄露。
38.所述智能位移传感器4，安装于接头部位的安装孔内，且在接头部位均匀分布，用于监测相邻的节段之间的位移；本实施例中所述智能位移传感器采用弹压式智能位移传感器。同时，所述智能位移传感器设置有四个，分别位于接头部位的四个拐角处，如图3所示。智能位移传感器通过电线接入沉管隧道管节内的电力系统，并通过电力系统与控制单元连接。智能位移传感器能够对隧道中的异常位移进行实时监控，感应精度可精确至微米级，能够及时发现沉管隧道中因外界的因素(地震、海啸、风浪等)而导致的微小形变。同时，接头部位中智能位移传感器的安装孔数量留有空余以供后期置换。
39.所述预埋卡槽5在接头部位均匀分布，如图3所示。调节单元与预埋卡槽的位置一一对应，且两者分别位于相邻的两节段接头部位的两侧，包括调节杆6、调节电机7和电动千斤顶8，调节杆的顶部设置有能够活动插入预埋卡槽内部的卡舌9，卡舌插入后调节杆与预埋卡槽之间能够相对旋转且两者的轴向相对位移被锁死，调节电机和电动千斤顶固定安装于节段接头部位的安装孔内，调节杆的尾部与电动千斤顶通过螺纹连接，电动千斤顶在电机的驱动下控制调节杆旋转，从而调节相邻两节段之间的间距。在本实施例中，调节电机和电动千斤顶无须外加固定螺钉等工具进行固定，由于安装孔为方形结构，且电动千斤顶也为方形结构，因此在电动千斤顶驱动调节杆旋转伸缩的过程中，电动千斤顶无法进行旋转。同时在安装完毕后进行预拉紧时，由于安装孔的前方为供调节杆穿过的孔洞，该孔洞的直径远小于安装孔的大小，此时电动千斤顶会紧紧的顶在安装孔的前方孔壁上，从而实现与节段的相对固定，如图1中所示。本实施例中所采用的电动千斤顶为旋转丝杆式千斤顶，通过电机进行驱动。调节杆中所设置的螺纹为精密螺纹，螺距不超过0.5mm。调节单元通过电线接入沉管隧道管节内的电力系统，并通过电力系统与控制单元连接。同时接头部位中调节单元的安装孔数量留有空余以供后期置换。本专利中由于节段与节段之间通过均匀设置的调节杆与预埋卡槽进行连接，在安装完毕后，通过调节电机和电动千斤顶将调节杆和预埋卡槽之间进行预拉紧，能够有效的提高管节的整体性，进而提升沉管隧道整体的抗震能力。
40.控制单元的逻辑框图如图4所示，包括接收模块、存储模块以及计算模块和控制模块(电源模块等常规部件在图中未画出)，接收模块与智能位移传感器连接并接收智能位移传感器的编号信息(m1、m2、m3
……
mn)和所采集的位移数据；存储模块中存储有与智能位移传感器的编号相对应的位置信息和容许位移阈值数据，以及与调节单元的编号(c1、c2、c3
……
cn)相对应的位置信息；计算模块根据智能位移传感器中所反馈的位移信息计算出具体调节单元所需要调节的具体调节数据；控制模块与调节单元连接，用于发送具体调节数据至对应的调节单元并控制此调节单元完成调节。本专利中能够在形变超出容许位移阈值数据时及时进行报警。一旦管节中的形变超过容许位移阈值数据，本系统能够自动启动计算模块，通过计算模块计算出调节数值，并通过控制控制模块和调节单元完成自动调节，加大异常位移处节段与节段之间的拉应力，从而保证防水要求。为了降低能耗，本专利中智能位移传感器为周期性采集位移数据；同时计算模块以及控制模块常态下处于休眠状态，只有当存储模块中产生报警信号后才会激活计算模块以及控制模块，因此整个系统的能耗
并不高。同时整个系统中的供电和通信直接接入沉管隧道中的电力系统，无需单独设置，因此成本可控。
41.本实施例中所提供的上述智能防水抗震的沉管隧道管节，其智能防水抗震方法参照下述步骤：
42.(1)、沉管隧道管节中的节段在浇筑环节预留智能位移传感器和调节单元的安装孔，同时设置预埋卡槽。
43.(2)、沉管隧道全部管节中的节段沉放完毕并完成水下连接后，将智能位移传感器和调节单元安装至对应的安装孔内并与控制单元连接，同时将调节装置中调节杆的卡舌部位插入至预埋卡槽中，并通过电机和电动千斤顶使调节杆预拉紧，能够有效的提高管节的整体性，进而提升沉管隧道整体的抗震能力。
44.(3)、沉管隧道在正常运行期间，智能位移传感器监测相邻节段之间的位移，并将编号信息和所采集的位移信息传输至接收模块并存储至存储模块中，存储模块中存储有与智能位移传感器的容许位移阈值信息，若某个位移数值超出容许位移阈值数据，则及时报警并自动触发计算模块进行计算。
45.(4)、计算模块根据位移数值，以及对应的智能位移传感器的位置信息，结合调节单元的具体位置信息从而计算出具体的调节单元的调节距离值，并根据调节单元中调节杆的螺距进一步计算出调节杆的转动圈数，再结合调节电机的功率、转速及电动千斤顶的传动比，最后计算出调节电机的调节时间，并将调节时间与对应的调节单元的编号信息发送至控制单元。
46.在具体的计算过程中，根据位移数值d，位移传感器与相邻的调节单元的距离l1，相邻的调节单元之间的距离l2，在同一接头处的不同位移传感器之间的距离l3，依据几何学领域中的正弦定理、余弦定理和勾股定理等，即可计算得出各个调节单元所需要调节的具体数值(l1、l2、l3等参数均在存储模块中所预先存储的位置信息中)，具体的计算公式本领域的普通技术人员均能够推导算得，本专利中不再详细展开。
47.(5)、控制单元根据所接收的编号信息以及调节时间，控制对应的调节单元启动调节，调节电机启动并按照调节时间进行运转，完成自动作业。