一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法
【专利摘要】本发明属于盾构隧道管片结构安全性监测【技术领域】，提供一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法，该装置包括结构应力传感器、微型数据采集装置、可视化显示终端、多通道数据传输设备、安全预警装置。本发明装置及其工作方法能够实时连续地采集地铁盾构隧道管片钢筋应力值和混凝土应变值，一方面将采集到的结果在待测管片内环面上进行实时显示，以便于隧道内作业人员的实时观测，另一方面采用光色预警的方式实现管片应力的实时预警，满足了隧道内工作人员实时掌握管片结构应力数据信息的要求，并实现了自主安全预报警。
【专利说明】—种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于盾构隧道管片结构安全性监测【技术领域】，具体涉及一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法。
【背景技术】
[0002]地铁作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，目前正处于一个蓬勃发展的阶段，其需求量还在与日俱增。盾构法施工以其自动化程度高、施工速度快、不受气候影响、对地面建筑物和路面交通的影响较小等特点在地铁建设领域得到了广泛的应用。
[0003]由于地质水文条件的复杂性，盾构施工存在一定风险。盾构始发、接收、穿越风井、联络通道等重要区段的施工会造成管片受力的变化，引起管片变形，严重的会导致隧道涌水涌砂甚至隧道破坏，发生灾难性的后果。在施工期对管片结构应力的进行长期监测和预警，可以有效地监控隧道结构的安全性，具有重要的工程应用价值。另外，在运营期内对管片结构应力的监测，可以为隧道结构安全性和稳定性的评估提供依据。
[0004]目前国内外对于管片结构应力的监测，采用的方法主要是人工测量和自动化监测两种方法。人工测量手段是由工人用便携式采集仪按期对管片应力数据进行采集，再将采集到的数据人工填入记录表中，最后将记录的数据与初始设置的安全值进行比对以实现对管片结构安全的监控。这种方法虽然较为经济，但不能实现连续的动态监测，从而导致在重要区段监测不及时，带来对安全判断的严重滞后，无法做到事前和事中控制。另外，人工测量手段是由工人担任数据测量的主体，工人的操作不当可能造成部分监测数据无效，从而影响对安全判断的准确性。自动化监测方法是利用传输光缆，将管片内布设的传感器连入地面上的调节器，调节器将数据处理后送入地面控制中心的服务端主机，由主机对收集到的数据进行存储和分析判断。这种方法虽然弥补了人工测量法的一些缺陷，如实现管片结构的连续动态监测、海量数据的采集、安全判断手段的智能化等，但在实际应用中依然存在一些不足:对于海量监测数据的分析和可视化难以做到实时同步，更不能将这些信息第一时间在施工现场发布给所有参与施工的人员。
[0005]因此，发明一套科学、有效的管片结构应力可视化监测预警装置自动识别、预警和控制盾构隧道施工引起管片结构应力变化所造成的安全风险，具有重要的工程意义和现实价值。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术的不足，提供一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法，该装置能够实时连续地采集地铁盾构隧道管片钢筋应力值和混凝土应变值，一方面将采集到的结果在待测管片内环面上进行实时显示，以便于隧道内作业人员的实时观测，另一方面采用光色预警的方式实现管片应力的实时预警，满足了隧道内工作人员实时掌握管片结构应力数据信息的要求，并实现了自主安全预报警。[0007]本发明所述的一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置，包括结构应力传感器、微型数据采集装置、可视化显示终端、多通道数据传输设备、安全预警装置。
[0008]所述结构应力传感器，包括布设在待测管片中的振弦式钢筋应力计和混凝土应变计，用于对管片内部钢筋应力和混凝土应变的监测；该传感器由振弦和电路部分组成，以电信号与应力间的函数关系为基础，通过振弦的振动产生不同频率的感应电势来反映结构应力；所述结构应力传感器与微型数据采集装置间实现有线通讯；
所述微型数据采集装置，用于实时采集结构应力传感器的频率、温度数据；该装置由接入口、信号采集模块，包括频率和温度信号的采集、数据存储模块、数据传输模块组成，以低压扫频激振方式实现对传感器频率数据的采集，通过热电偶温度模块实现温度数据的采集；所述小型数据采集装置与可视化显示终端实现无线通讯，与结构应力传感器实现有线通讯；
所述可视化显示终端，由数据处理模块、存储模块、液晶显示屏和数据传输模块组成；用于实时读取多个微型数据采集装置发送的频率、温度数据，并将数据进行二次处理得到钢筋应力和混凝土应变两个物理量，对处理后的物理量进行现场实时显示；所述可视化显示终端与微型数据采集装置、多通道数据传输设备、安全预警装置实现无线通讯；
所述多通道数据传输设备，用于实时接收可视化显示终端传送的应力、应变等物理量数据，并将基于Zigbee无线网络通信协议的信号通过光纤线路最终汇总到地面指挥中心；该装置由无线数据接收模块、数据转换模块和光纤数据传输模块三部分组成；所述多通道数据传输设备与可视化显示终端实现无线通讯；
所述安全预警装置，用于实时读取可视化显示终端发送的物理量数据信息，然后根据嵌入的预警规则进行实时分析判断，并根据分析结果发出不同颜色的亮光实现不同级别的预警；该安全预警装置由依次连接的信号接收模块、信号处理模块和亮光预警模块组成；所述安全预警装置与可视化显示终端实现无线通讯。
[0009]所述结构应力传感器的输出端与微型数据采集装置相连，微型数据采集装置与可视化显示终端相连，可视化显示终端的输出端与多通道数据传输设备、安全预警装置相连。
[0010]本发明还提供一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的安装使用方法，包括以下步骤:
(1)选取管片，在管片合适位置布设传感器，并预留好用于引出传感器外接线的预埋盒，做好标记；
(2)待测管片在隧道内完成拼装后，利用之前所做的标记，找到预埋盒的位置，将传感器的外接线连入微型数据采集装置，并将微型数据采集装置安装在和其相同大小的预埋盒内，完成数据的采集工作；
(3)汇总待测管片上传感器编号和类型、微型数据采集装置编号、传感器计算参数等信息，并嵌入可视化显示终端；在待测管片内环面上易于隧道内作业人员查看的位置，安置可视化显示终端，完成数据的二次处理和现场实时显示；
(4)根据设计文件设置预警规则，将安全预警装置安置在结构应力传感器预埋盒旁，实现管片结构应力的光色预警；
(5)在待测管片内环面上易于悬挂固定的位置安装固定多通道数据传输设备，使可视化显示终端处理后得到的应力、应变数据上传到地面的服务中心进行存储和分析，为之后类似工程提供参考。
[0011]本发明还提供了一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的工作方法，其该方法包括以下步骤:
(1)在隧道内合适位置选取待测管片，并确定管片内部的监测位置，在管片预制过程中完成结构应力传感器的布设；
(2)待测管片在隧道内拼装完成后，于待测管片内环面上安置微型数据采集装置和安全预警装置，于管片内环面易观察处安装固定可视化显示终端，并在管片内环面易固定处安置多通道数据传输设备；
(3)结构应力传感器通过振弦振动产生不同频率的感应电势来反映结构应力；
(4)结构应力传感器外接线接入微型数据采集装置内，数据采集装置以低压扫频激振方式实现对传感器频率数据的采集，通过热电偶温度模块实现温度数据的采集；
(5)可视化显示终端通过无线通讯方式读取数据采集装置上传的数据，通过内嵌的数据处理模块实现频率温度数据到更为直观的应力或应变数据的转换，并将数据处理结果实时显示在显示终端外部的液晶显示屏上；
(6)安全预警装置嵌入了事先制定的预警规则，以无线方式接收经可视化显示终端处理后的应力或应变数据，并通过发出不同的亮光实现不同级别的安全预报警；
(7)多通道数据传输装置实时接收可视化显示终端传送的应力、应变物理量数据，并将基于Zigbee无线网络通信协议的信号通过光纤线路最终汇总到地面指挥中心；
上述微型数据采集装置的采集频率、可视化显示终端接收数据和屏幕刷新频率、安全预警装置读取可视化显示终端上传数据的频率、多通道数据传输设备接收转换发送数据的频率，都是一致的，实现了数据在各设备间的第一时间的通讯，保证了实时可视化和预警。
[0012]在上述技术方案中，所述的传感器布设的方法流程如下:
第一步，根据有关工程规范和地铁隧道盾构施工的相关特点，在隧道的最不利位置，如盾构始发、接收处、穿越风井处、联络通道处、覆土最薄处等，选择待测管片；
第二步，对待测管片建立有限元模型，采用ANSYS等结构分析工具对该管片结构在不利工况下的受力进行计算分析，确定传感器布设的类型、数量和位置；
第三步，在管片预制过程中布设振弦式钢筋计和混凝土应变计；待测管片钢筋笼支起后，将钢筋计自带的螺纹钢与钢筋笼中间主筋进行焊接，并在混凝土填筑之前于主筋顺向放置混凝土应变计，完成预埋传感器的布设；
第四步，将传感器引线沿管片主筋绑扎固定，并在待测管片内环面上安置预埋盒，用于结构应力传感器外接线的引出。
[0013]在上述技术方案中，所述的可视化显示终端信息处理流程如下:
第一步，在隧道内已拼装完成的待测管片内环面上易于观察的位置固定安置可视化显示终端；
第二步，汇总待测管片上传感器编号、类型、初始参数、对应的采集装置编号等信息，并导入可视化显示终端的数据处理模块；
第三步，可视化显示终端按照一定时间频率接收微型数据采集装置采集到的传感器频率、温度数据；
第四步，可视化显示终端内的数据处理模块对数据进行识别，根据采集仪编号识别出数据所对应的传感器的编号和类型(钢筋应力计、混凝土应变计)以及初始参数，根据上述信息自动选取不同物理量计算公式进行计算，得到钢筋的应力值和混凝土的应变值；
第五步，可视化显示终端外表面的液晶显示屏对处理后的物理数据进行实时显示，显示的内容包括传感器编号、应力值、应变值三项，显示屏刷新的频率与微型数据采集装置的采集频率、可视化显示终端接收数据的频率一致，实现数据的实时可视化。
[0014]在上述方案中，所述的光色预警方法流程如下:
第一步，根据有关工程规范、管片在隧道中所处的位置、传感器在管片中的位置、传感器的类型等信息，设定预报警规则；
第二步，将设立的预警规则写入安全预警装置的信号处理模块；
第三步，在用于引出传感器外接线的预埋盒旁安装固定安全预警装置；
第四步，安全预警装置按一定频率读取经由可视化显示终端处理后的物理数据，然后根据嵌入的预警规则进行实时分析判断；
第五步，如果安全预警装置在一定时间段内未接收最新的数据，则不会发出光亮；第六步，若实测的应力或应变值小于等于绝对临界值时，信号处理模块会判断此时管片结构处于较安全的状态，然后触发亮光预警模块发出绿色的亮光以示安全；
第七步，若实测的应力或应变值大于绝对临界值，信号处理模块会将该实测值与设计最大值进行比较:
(A)如果实测值不大于设计最大值，则触发亮光预警模块发出黄色亮光进行预警提
醒；
(B)如果实测值大于设计最大值，则判断此时管片结构处于危险状态，预警模块会发出红色亮光进行预报警。
[0015]本发明装置及其方法可有效实现地铁盾构隧道管片结构应力的实时可视化监控和预报警，为盾构隧道内部作业人员提供了第一手的管片结构应力监测数据，保障了作业人员的安全。本系统具有如下优点:
(1)高频率数据采集:本装置采用了高采集频率的数据采集装置，与传统的采集方法相t匕，真正实现了结构应力数据的实时采集，减少了数据的损失，为施工参数调整、类似工程的实施，提供了很好的数据支撑；
(2)现场实时可视化监控:本装置中采用的可视化显示终端，实现了应力、应变数据在隧道内部的可视化显示，且其显示屏数据刷新频率与数据采集装置的采集频率一致，保证了显示数据的实时性；
(3)突出预警位置的预警方式:安全预警装置安置在预埋盒旁，根据不同的预警等级发出不同颜色亮光，作业人员可根据安全预警装置旁的预埋盒推断发出预警信息的管片，便于预警位置的查询；
(4)减少工作面的占用:本装置采用的微型数据采集装置，可直接置于预埋盒内，且各主要装置间实现无线通讯，减少了有线线路的使用，从而最大限度节约了隧道内的工作面，避免了对隧道内施工作业造成不利影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置位置关系图和信息流程图。
[0017]图2为本发明一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置布置断面图。
[0018]图3为本发明中结构应力传感器布设方法流程图。
[0019]图4为本发明中管片结构应力数据现场可视化显示方法流程图。
[0020]图5为本发明中管片结构光色预警方法流程图。
【具体实施方式】
[0021]本发明提出的地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及方法，通过传感器的振弦振动产生不同频率的感应电势来反映结构应力，采用高频率低压扫频激振方式实现对传感器频率数据的采集，通过热电偶温度模块实现温度数据的采集，以无线通讯方式实现各主要设备之间的数据交流，并将数据处理模块内嵌至可视化显示终端，实现物理量的现场计算和实时显示，最后通过安全预警装置发出不同颜色的亮光实现不同级别的预报警。
[0022]下面结合附图及具体实施例对本发明进行进一步的说明。
[0023]如图1、2所示，本发明实施例提供一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的安装流程及标准如下:
(I)制定结构应力传感器、微型数据采集装置、可视化显示终端、多通道数据传输设备、安全预警装置的现场安装标准。在上述设备安装过程中，需要严格执行以下标准:
1、对各设备要轻拿轻放，拆解、组装要认真、慎重；
2、钢筋计进行焊接时，要求主筋与钢筋计连接杆的中心线对正，且要求采用对称的双绑条焊接，绑条的截面积应为结构钢筋的1.5倍左右，绑条与结构主筋和连接杆的搭接长度均不少于5倍钢筋直径，并采用双面焊；
3、结构应力传感器与微型数据采集装置之间进行接线时，线的外保护层约剥离8cm左右，而金属丝保护层只需剥离出大约1cm，使得金属丝外露；
4、接线时，要拿稳设备，在将金属丝拧入仪器接头时，要保证金属丝能与接头接触良好，同时不得拧得太紧，防止金属丝出现断损；
5、接线完成后，要及时盖上设备外壳；
6、各仪器设备需在不影响隧道内工作人员的正常作业和保证设备安全的前提下，选取合适位置进行安装固定，其中，可视化显示终端安置在易于人员观察的管片内环面，多通道数据传输设备选取易于固定位置进行安装，微型数据采集装置、安全预警装置则固定在待测管片内环面上；
7、对难于固定设备的位置，可考虑定制钢板，将设备固定在钢板上，再用铁丝缠绕到管片螺栓上，实现固定；
8、各设备的电源接口采用三芯防水插头，线缆采用RVVP3*0.5屏蔽电源线，接入DC12V正负10%的直流电源。
[0024](2)在管片预制过程中布设振弦式钢筋应力计和混凝土应变计；待测管片钢筋笼支起后，将钢筋计自带的螺纹钢与原有钢筋进行焊接，焊接方式为绑条焊；按上述标准进行焊接，同时，钢筋计在焊接时，锁紧接头应调整朝向管片钢筋笼里侧，以免上模注浆过程中，振捣棒碰触造成损坏；在混凝土填筑之前于主筋顺向放置混凝土应变计，做好固定措施，完成预埋传感器的布设；做好传感器编号的存档记录工作。[0025](3)在隧道内已拼装完成的待测管片内环面上找到预埋盒位置，凿开预埋盒的外壳，找出传感器外接线；将外接线接入微型数据采集装置，注意装置内部接口的连接次序；接线完成后，把天线接到采集装置外部的天线接口处，以增强无线数据传输的效果；给采集装置通电，此时需注意三芯防水插头的接口顺序；完成通电后，若采集装置外部的指示灯亮起，说明接电成功，则可将该装置固定安装在预埋盒内；做好待测管片上传感器编号、类型、初始参数、对应的采集装置编号等信息的记录存档工作。
[0026](4)选取待测管片易于隧道工作人员观察的位置，进行可视化显示终端的安装固定；将待测的整环管片中的传感器编号、类型、初始参数、采集装置编号信息，对应地嵌入可视化显示终端的数据处理模块，以便可视化显示终端对接收数据的识别和分类计算；在设备外部的天线接口接入天线，以增强无线通讯效果；给可视化显示终端通电，注意三芯防水插头的接口顺序，完成后，若设备外部的显示屏亮起，说明接电成功。
[0027](5)选取待测管片易于固定安装的位置，进行多通道数据传输设备的固定安置；在天线接口接入天线，以增强无线通讯效果；给传输设备通电，注意三芯防水插头的接口顺序，完成后，若设备内部指示灯亮起，说明接电成功；及时盖上设备外壳。
[0028](6)将预先制定的预警规则嵌入安全预警装置的数据处理模块，注意待测管片与安全预警装置的一一对应关系；在结构应力传感器预埋盒旁固定安装安全预警装置，并给装置通电，若预警装置指示灯亮起，说明接电成功。
[0029](7)微型数据采集装置安装完成后，等待约5分钟，若能听到滴答声说明装置正在进行低压扫频激振，也就表示装置在正常工作，若没有声音发出则需要检查装置的各接线是否正确，若接线正确则需更换微型数据采集装置，将原装置返厂维修；可视化显示终端安装完成后，等待约5分钟，待显示屏刷新后，观察显示屏上是否有数据显示；若无数据显示，先按上述方法检查微型数据采集装置是否正常，若正常，则说明可视化显示终端出了故障，应返厂进行维修；在微型数据采集装置和可视化显示终端都在正常的前提下，若地面服务中心接收不到数据则说明多通道数据传输设备出了故障，在检查并重接线路后，依然不能恢复，应返厂维修；安全预警装置在超过5分钟接收不到数据的情况下，会停止发出亮光，检查它是否正常，也是在确定数据采集装置和可视化显示终端都正常的前提下的。
[0030]如附图3所示的一种地铁盾构隧道管片传感器布设方法如下:
(I)根据有关工程规范和地铁隧道盾构施工的相关特点，在地铁隧道的重要区段选取待测管片，其中先行隧道选择盾构始发、穿越风井区、下坡段、联络通道、覆土最薄处、盾构接收等7处区段，后行隧道选择下坡段、联络通道盾构接收3处区段。
[0031](2)对待测管片建立有限元模型，采用ANSYS等结构分析工具对该管片结构在不利工况下的受力进行计算分析，确定传感器布设的类型、数量和位置。
[0032]每个断面中挑选A块和B块管片各一块分别埋设I个混凝土应变计，在A、B、K块管片中各埋设I个钢筋应力计。其中混凝土应变计沿环的切线方向布设，钢筋应力计每块管片中部布设在内排钢筋上。
[0033](3)在管片预制过程中布设振弦式钢筋应力计和混凝土应变计；待测管片钢筋笼支起后，将钢筋计自带的螺纹钢与原有钢筋进行焊接，焊接方式为绑条焊；钢筋计进行焊接时，要求主筋与钢筋计连接杆的中心线对正，且要求采用对称的双绑条焊接，绑条的截面积应为结构钢筋的1.5倍左右，绑条与结构主筋和连接杆的搭接长度均不少于5倍钢筋直径，并采用双面焊；同时，钢筋计在焊接时，锁紧接头应调整朝向管片钢筋笼里侧，以免上模注浆过程中，振捣棒碰触造成损坏。做好传感器编号和对应的管片环数、管片类型的记录工作。。
[0034]在混凝土填筑之前于主筋顺向放置混凝土应变计，做好固定措施和记录存档工作，完成预埋传感器的布设。
[0035](4)将传感器引线沿管片主筋绑扎固定，并在待测管片内环面上安置预埋盒，用于结构应力传感器外接线的引出，并给预埋盒做好标记，方便之后对传感器的识别。
[0036]如附图4所示的一种地铁盾构隧道管片结构应力数据现场可视化显示方法如下: (I)按照上述安装方法，完成可视化显示终端的安装固定工作。
[0037](2)汇总待测管片上传感器编号、类型、初始参数、对应的采集装置编号等信息，对应地嵌入可视化显示终端的数据处理模块，以便可视化显示终端对接收数据的识别和分类计算。
[0038](3)可视化显示终端以每5分钟一次的频率接收微型数据采集装置采集到的传感器频率、温度数据。
[0039](4)可视化显示终端内的数据处理模块对数据进行识别，根据采集仪编号识别出数据所对应的传感器的编号和类型(钢筋应力计、混凝土应变计)并提取初始参数，根据上述信息自动选取不同物 理量计算公式进行计算，得到钢筋的应力值和混凝土的应变值。其计算公式如下所示:
钢筋应力?J^ARf+BRfC+K^fTj
混凝土应变-.U ε =ARfWR^C 其中，R1为模数，等于频率2/1000，单位ΗΖ，频率数据在传感器实测数据存储表中给出； T1为实测温度，单位。C，在传感器实测数据存储表中给出；
Ttj为初始温度，单位。C，传感器出厂前测得，为给定值；
K为温度调整系数，单位kN/°C，为给定值；
A、B、C为多项式公式的计算参数，传感器出厂前测得，给定值。
[0040](5)可视化显示终端外表面的液晶显示屏对处理后的物理数据进行实时显示，显示的内容包括传感器编号、应力值、应变值三项，显示屏刷新的频率与微型数据采集装置的采集频率、可视化显示终端接收数据的频率一致，都为每5分钟一次，实现数据的实时可视化。
[0041]如附图5所示的一种地铁盾构隧道管片结构光色预警方法，如下:
(1)根据有关工程规范、管片在隧道中所处的位置、传感器在管片中的位置、传感器的类型等信息，设定预报警规则。其中预警的指标包括绝对临界值和设计最大值两项，绝对临界值和设计最大值有如下等量关系:
绝对临界值=80%设计最大值
(2)将设立的预警规则写入安全预警装置的信号处理模块。
[0042]( 3 )在用于引出传感器外接线的预埋盒旁安装固定安全预警装置。
[0043](4)安全预警装置每5分钟读取一次经由可视化显示终端处理后的物理数据，然后根据嵌入的预警规则进行实时分析判断。
[0044](5)如果安全预警装置在5分钟内内未接收最新的数据，则不会发出光亮。[0045](6)若实测的应力或应变值小于等于绝对临界值时，信号处理模块会判断此时管片结构处于较安全的状态，然后触发亮光预警模块发出绿色的亮光以示安全。
[0046](7)若实测的应力或应变值大于绝对临界值，信号处理模块会将该实测值与设计最大值进行比较:如果实测值不大于设计最大值，则触发亮光预警模块发出黄色亮光进行预警提醒；如果实测值大于设计最大值，则判断此时管片结构处于危险状态，预警模块会发出红色亮光进行预报警。
【权利要求】
1.一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置，其特征在于:包括结构应力传感器、微型数据采集装置、可视化显示终端、多通道数据传输设备、安全预警装置；
所述结构应力传感器，包括布设在待测管片中的振弦式钢筋应力计和混凝土应变计，用于对管片内部钢筋应力和混凝土应变进行监测；该传感器由振弦和电路部分组成，以电信号与应力间的函数关系为基础，通过振弦的振动产生不同频率的感应电势来反映结构应力；所述结构应力传感器与微型数据采集装置间实现有线通讯； 所述微型数据采集装置，用于实时采集结构应力传感器的频率、温度数据；该装置由接入口、信号采集模块，包括频率和温度信号的采集、数据存储模块、数据传输模块依次连接组成，以低压扫频激振方式实现对传感器频率数据的采集，通过热电偶温度模块实现温度数据的采集；所述微型数据采集装置与可视化显示终端实现无线通讯，与结构应力传感器实现有线通讯； 所述可视化显示终端，由数据处理模块、存储模块、液晶显示屏和数据传输模块组成；用于实时读取多个微型数据采集装置发送的频率、温度数据，并将数据进行二次处理得到钢筋应力或混凝土应变两个物理量，对处理后的物理量进行现场实时显示；所述可视化显示终端与微型数据采集装置、多通道数据传输设备、安全预警装置实现无线通讯； 所述多通道数据传输设备，用于实时接收可视化显示终端传送的应力、应变物理量数据，并将基于Zigbee无线网络通信协议的信号通过光纤线路最终汇总到地面指挥中心；该装置由无线数据接收模块、数据转换模块和光纤数据传输模块三部分依次连接组成；所述多通道数据传输设备与可视化显示终端实现无线通讯； 所述安全预警装置，用于实时读取可视化显示终端发送的物理量数据信息，根据嵌入的预警规则进行实时分析判断，并根据分析结果发出不同颜色的亮光实现不同级别的预警；该安全预警装置由依次连接的信号接收模块、信号处理模块和亮光预警模块组成；所述安全预警装置与可视化显示终端实现无线通讯； 所述结构应力传感器的输出端与微型数据采集装置相连，微型数据采集装置与可视化显示终端相连，可视化显示终端的输出端与多通道数据传输设备、安全预警装置相连。
2.一种如权利要求1所述的地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的工作方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)在隧道内合适位置选取待测管片，并确定管片内部的监测位置，在管片预制过程中完成结构应力传感器的布设； (2)待测管片在隧道内拼装完成后，于待测管片内环面上安置微型数据采集装置和安全预警装置，于管片内环面易观察处安装固定可视化显示终端，并在管片内环面易固定处安置多通道数据传输设备； (3)结构应力传感器通过振弦振动产生不同频率的感应电势来反映结构应力； (4)结构应力传感器外接线接入微型数据采集装置内，数据采集装置以低压扫频激振方式实现对传感器频率数据的采集，通过热电偶温度模块实现温度数据的采集； (5)可视化显示终端通过无线通讯方式读取数据采集装置上传的数据，通过内嵌的数据处理模块实现频率温度数据到更为直观的应力或应变数据的转换，并将数据处理结果实时显示在显示终端外部的液晶显示屏上； (6)安全预警装置嵌入了事先制定的预警规则，以无线方式接收经可视化显示终端处理后的应力或应变数据，并通过发出不同的亮光实现不同级别的安全预报警； (7)多通道数据传输装置实时接收可视化显示终端传送的应力、应变物理量数据，并将基于Zigbee无线网络通信协议的信号通过光纤线路最终汇总到地面指挥中心； 上述微型数据采集装置的采集频率、可视化显示终端接收数据和屏幕刷新频率、安全预警装置读取可视化显示终端上传数据的频率、多通道数据传输设备接收转换发送数据的频率，都是一致的，实现了数据在各设备间的第一时间的通讯，保证了实时可视化和预警。
3.根据权利要求2所述的地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的工作方法，其特征在于所述的传感器布设的方法流程如下: 第一步，根据工程规范和地铁隧道盾构施工的特点，在隧道的最不利位置，即盾构始发、接收处、穿越风井处、联络通道处、覆土最薄处，选择待测管片； 第二步，对待测管片建立有限元模型，采用ANSYS结构分析工具对该管片结构在不利工况下的受力进行计算分析，确定传感器布设的类型、数量和位置； 第三步，在管片预制过程中布设振弦式钢筋应力计和混凝土应变计；待测管片钢筋笼支起后，将钢筋应力计自带的螺纹钢与钢筋笼中间主筋进行焊接，并在混凝土填筑之前于主筋顺向放置混凝土应变计，完成预埋传感器的布设； 第四步，将振弦式钢筋应力计和混凝土应变计引线沿管片主筋绑扎固定，并在待测管片内环面上安置预埋盒，用于结构应力传感器外接线的引出。
4.根据权利要求2所述的地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的工作方法，其特征在于所述的可视化显示终端信息处理流程如下: 第一步，在隧道内已拼装完成的待测管片内环面上易于观察的位置固定安置可视化显示终端； 第二步，汇总待测管片上传感器编号、类型、初始参数、对应的微型数据采集装置编号信息，并导入可视化显示终端的数据处理模块； 第三步，可视化显示终端按照一定时间频率接收微型数据采集装置采集到的传感器频率、温度数据； 第四步，可视化显示终端内的数据处理模块对数据进行识别，根据采集仪编号识别出数据所对应的传感器的编号和类型以及初始参数，根据上述信息自动选取不同物理量计算公式进行计算，得到钢筋的应力值和混凝土的应变值； 第五步，可视化显示终端外表面的液晶显示屏对处理后的物理数据进行实时显示，显示的内容包括传感器编号、应力值、应变值三项，显示屏刷新的频率与微型数据采集装置的采集频率、可视化显示终端接收数据的频率一致，实现数据的实时可视化。
5.根据权利要求2所述的地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置的工作方法，其特征在于所述的光色预警方法流程如下: 第一步，根据有关工程规范、管片在隧道中所处的位置、传感器在管片中的位置、传感器的类型信息，设定预报警规则；其中预警的指标包括绝对临界值和设计最大值两项，绝对临界值和设计最大值有如 下等量关系:绝对临界值=80%设计最大值； 第二步，将设立的预警规则写入安全预警装置的信号处理模块； 第三步，在用于引出传感器外接线的预埋盒旁安装固定安全预警装置； 第四步，安全预警装置按一定时间频率读取经由可视化显示终端处理后的物理数据，然后根据嵌入的预警规则进行实时分析判断； 第五步，如果安全预警装置在一定时间段内未接收最新的数据，则不会发出光亮；第六步，若实测的应力或应变值小于等于绝对临界值时，信号处理模块会判断此时管片结构处于较安全的状态，然后触发亮光预警模块发出绿色的亮光以示安全；
第七步，若实测的应力或应变值大于绝对临界值，信号处理模块会将该实测值与设计最大值进行比较: (A)如果实测值不大于设计最大值，则触发亮光预警模块发出黄色亮光进行预警提醒； (B)如果实测值大于设计最大值，则判断此时管片结构处于危险状态，预警模块会发出红色亮光进行预报警。
【文档编号】E21D9/06GK103790632SQ201410009723
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】丁烈云, 周诚, 骆汉宾, 郭谱, 张栲, 周迎 申请人:华中科技大学