一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统的制作方法

本发明涉及隧道技术领域，具体为一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统。

背景技术：

在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，已建隧道会随着使用不同程度地出现衬砌裂缝、变形以及渗漏水等病害。由于结构裂缝产生、侵蚀性地下水渗漏等因素的影响，将会导致隧道衬砌钢筋锈蚀及结构混凝土腐蚀等多种耐久性不足的病害产生，严重影响了隧道的使用性能，导致未达到隧道结构设计基准期而急需大修，既浪费了大量资金，又影响隧道的正常使用。因此对地铁隧道工程监测和养护的应用技术进行研究不仅是极其必要的，也是迫切需要的。针对隧道结构健康的自动监测系统成为隧道工程发展的新方向，可以对隧逬的结构状态起到长期安全监测与预警的作用，获得准确、实时的监沏数据也有助于制定正确的结构运营维护策略。

软土盾构隧道大多是建设在地表下30m-40m范围内，地下水位高、土层松软、多为第四纪冲积层、淤积的砂性土、黏性涂、淤泥层构成的软土中的隧道，其通常由样式统一的管片拼装而成，软土盾构隧道在长期运营中的沉降及不均匀沉降相当大,许多隧道段的沉降和不均匀沉降一直在发展,过大的不均匀沉降带来的纵向不均匀变形造成隧道管片接缝变形增大，对隧道的结构、接头防水构成威胁，因此需要进行隧道全线的大范围监测。

公开号为cn104864913a的发明专利公开了一种分布式公路桥梁隧道结构健康监测系统，该发明采用三级分布式数据处理架构，降低了系统整体资源消耗，提高了告警效率。但该发明主要用于公路隧道，由于其采用了传统的点式传感器，考虑到成本因素，只能在一些重要的构建(比如桥塔，主梁)上进行布置；但是软土盾构隧道都是由样式统一的管片拼装而成，并不存在这样的特殊构建，因此需要进行全线的大范围监测。所以传统的点式监测技术并不能针对软土盾构隧道的结构特征对其健康状态进行有效的监测。

公开号为cn105411177a的发明专利提供了一种盾构法隧道结构健康监测及安全预警系统，其公布了一种盾构法隧道结构健康监测及安全预警系统，该发明面向盾构法隧道长期结构安全需求，确保使用的稳定性与耐久性，可实现盾构法隧道的结构健康性能数据的长时间实时自动采集，判定盾构法隧道安全使用状态并实现自动安全报警。然而该发明同样是基于传统的点式传感器技术，因此并不适用于软土盾构隧道的结构特征。

公开号为cn106989685a的发明专利提供了一种基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法，该监测装置包括粘贴型分布式光纤、碳纤维底胶、连接光纤、导线以及光纤分析仪。该发明提供一种操作性强、成本较低，且能实现盾构隧道管片整体变形监测的自动化及智能化的基于分布式光纤的盾构隧道管片整体变形监测装置及其监测方法。但是该发明只是对隧道管片本身的变形，对盾构隧道结构的变形特征认识不准确。在盾构隧道的变形中，由于隧道管片本身的刚度远远高于管片接缝处的刚度，变形主要集中在隧道纵向和环向接缝处。该发明监测管片本身的变形是不合适软土盾构隧道的结构特征的，因此其实时监测的分布式传感技术监测的数据不能体现软土盾构隧道的结构特征，缺乏准确性。

技术实现要素：

针对现有隧道结构健康监测系统，要么采用点式监测技术，不适合于软土盾构隧道监测；而采用分布式传感技术监测的系统，对软土盾构隧道结构的变形特征认识不准确导致监测的分布式传感技术监测的数据不能体现软土盾构隧道的结构特征的技术问题，本发明提供一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统，针对软土盾构隧道结构的特点，进行隧道全线范围内的监测，满足其施工和养护的健康监测需求。

其技术方案是这样的：一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统，其包括通讯连接的数据采集子系统、监测数据传输网络子系统、中心数据库子系统、隧道结构健康评估子系统、隧道bim模型信息子系统；其特征在于：

所述数据采集子系统包括设置在软土盾构隧道内的应变光纤传感器和温度光纤传感器，所述温度光纤传感器沿所述软土盾构隧道的长度方向布置，所述应变光纤传感器包括相连接的沿所述软土盾构隧道的长度方向布置的纵向应变分布光纤和沿所述软土盾构隧道的周向布置的环向应变分布光纤，所述环向应变分布光纤设置在相邻的两个所述隧道管片的接缝处，用于采集获取软土盾构隧道的监测数据。

其进一步特征在于：

所述监测数据传输网络子系统，用于将来自所述数据采集子系统的监测数据进行数字化处理并输送给所述中心数据库子系统；所述中心数据库子系统，用于接收来自所述监测数据传输网络子系统的数字化的检测数据，并对监测数据进行归档、查询、存储和管理；所述隧道bim模型信息子系统，用于整合隧道设计、施工和监测数据以构建软土盾构隧道bim模型，实现隧道全生命周期工程数据的可视化管理；所述隧道结构健康评估子系统建有软土盾构隧道健康评估体系，根据中心数据库子系统的监测数据对软土盾构隧道结构状态进行评估，并对软土盾构隧道结构的安全及使用状况进行评估及自动报警；

进一步的，其还包括用户界面子系统，用于将各类数据向用户展示以及接受用户控制与输入，所述用户界面子系统可通过调用中心数据库和综合安全评估子系统的数据用户能够通过关键字进行查询分析，并可实现实时监测数据和现场调查数据的集成查询，病害数据的模糊综合评价以及基于评价结果的病害成因分析和养护对策，自动化生成养护工作工单。

进一步的，所述温度光纤传感器包括用于软土盾构隧道渗漏状态监测的温度光纤传感器以及用于软土盾构隧道环境监测的温度光纤传感器，所述应变光纤传感器包括用于软土盾构隧道结构变形监测的应变光纤传感器、用于软土盾构隧道结构变形缝监测的应变光纤传感器、用于软土盾构隧道混凝土表面裂缝监测的应变光纤传感器以及用于软土盾构隧道中道床变形监测的应变光纤传感器；

进一步的，每间隔十二环隧道管片布置所述环向应变分布光纤，所述纵向应变分布光纤间隔三环隧道管片采用夹具固定，每一环所述环向应变分布光纤的采用最少三个夹具固定，所述纵向应变分布光纤与所述环向应变分布光纤之间采用u形线卡固定。

进一步的，所述监测数据传输网络子系统通过光谱信息采集仪将来自所述数据采集子系统的监测数据进行数字化处理，并通过互联网传输到所述中心数据库子系统。

进一步的，用于构建软土盾构隧道bim模型的隧道设计、施工和监测数据包括三维几何信息、文档数据、设备属性、空间属性数据、监测数据，所述软土盾构隧道bim模型以三维图形方式展示软土盾构隧道和附属建筑物的外观、空间划分、管道布局，能够用于支持软土盾构隧道的性能分析。

进一步的，所述隧道结构健康评估子系统根据监测数据建立盾构隧道健康评价指标体系，以建立盾构隧道健康状态模糊综合评判方法，将隧道健康状态与隧道病害、对应盾构隧道健康评价指标、对应检测数据相关联，通过确定每个指标的量化分级及其影响权重，不同层之间再采用模糊综合评判的方法，最终得到以百分制表示的隧道健康状态评估结果，从而对隧道的养护工作进行指导，并根据综合识别的结果对隧道结构的安全及使用状况进行评估和自动报警。

进一步的，隧道病害包括隧道环向接缝张开，隧道纵向接缝张开，管片错台，隧道沉降。

本发明面向软土盾构隧道长期结构安全需求，数据采集子系统的应变光纤传感器和温度光纤传感器覆盖隧道所有重要主体结构，利用光纤传感器作为传感元件以及信号传输介质，采用otdr技术，监测出沿着光纤不同位置的应变和温度的变化，应变光纤传感器和温度光纤传的布置方式适合用于软土盾构隧道的健康监测，应变光纤传感器采用夹具固定的布置方式也更适合对于管片接缝的监测，可实现软土盾构隧道的结构健康性能数据的长时间实时自动采集，能够判定软土盾构隧道安全使用状态并实现自动安全报警；本发明的系统具有可移植性和可剪裁性、网络上各结点机间的互操作性和易于从多方获得软件的体系结构和模块化设计，可灵活组合多种安全监测仪器，具有良好的扩展性；建立从工程全生命周期角度出发，建立设计、施工、监测与养护等数据进行统一的数字化监测系统，使监测和养护管理融为一有机整体；实现空间查询和专业分析与解释；通过数字化系统建立监测数据、病害参数、病害对策以隧道结构健康评估的一一对应关系，从而科学地评估隧道损伤的规律和影响程度，实现软土盾构隧道科学、及时和合理的养护管理，保证隧道安全运行。

附图说明

图1为本发明的一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统的系统框图；

图2为本发明的应变光纤传感器和温度光纤传感器在软土盾构隧道内的步骤的示意图；

图3为本发明的应变光纤传感器的布置示意图。

具体实施方式

见图1、图2、图3，本发明的一种用于软土盾构隧道的结构健康监测系统，包括通讯连接的数据采集子系统、监测数据传输网络子系统、中心数据库子系统、隧道结构健康评估子系统、隧道bim模型信息子系统；

数据采集子系统，数据采集子系统包括设置在软土盾构隧道内的应变光纤传感器1和温度光纤传感器2，温度光纤传感器2沿软土盾构隧道的长度方向布置，应变光纤传感器2包括相连接的沿软土盾构隧道的长度方向布置的纵向应变分布光纤11和沿软土盾构隧道的周向布置的环向应变分布光纤12，环向应变分布光纤12设置在相邻的两个隧道管片3的接缝处，每间隔十二环隧道管片3布置环向应变分布光纤12，纵向应变分布光纤11间隔三环隧道管片3采用夹具4固定，每一环环向应变分布光纤12的采用三个夹具4固定，纵向应变分布光纤11与环向应变分布光纤12之间采用u形线卡5固定，温度光纤传感器包括用于软土盾构隧道渗漏状态监测的温度光纤传感器以及用于软土盾构隧道环境监测的温度光纤传感器，应变光纤传感器包括用于软土盾构隧道结构变形监测的应变光纤传感器、用于软土盾构隧道结构变形缝监测的应变光纤传感器、用于软土盾构隧道混凝土表面裂缝监测的应变光纤传感器以及用于软土盾构隧道中道床变形监测的应变光纤传感器，应变光纤传感器和温度光纤传感器监测数据转换为光波信息；

监测数据传输网络子系统，监测数据传输网络子系统通过光谱信息采集仪6将来自数据采集子系统的转换成光波信息的监测数据进行数字化处理，并通过互联网传输到中心数据库子系统。

中心数据库子系统，用于接收来自监测数据传输网络子系统的数字化的检测数据，并对监测数据进行归档、查询、存储和管理。

隧道结构健康评估子系统，根据监测数据建立软土盾构隧道健康评价指标体系，以建立盾构隧道健康状态模糊综合评判方法，将隧道健康状态与隧道病害、对应盾构隧道健康评价指标、对应检测数据相关联，通过确定每个指标的量化分级及其影响权重，不同层之间再采用模糊综合评判的方法，最终得到以百分制表示的隧道健康状态评估结果，从而对隧道的养护工作进行指导，并根据综合识别的结果对隧道结构的安全及使用状况进行评估和自动报警，隧道病害包括隧道环向接缝张开，隧道纵向接缝张开，管片错台，隧道沉降；隧道结构健康评估子系统根据监测数据生成的实时隧道健康状态评估结果，针对隧道不同的安全状态，制订不同的主动控制措施，从而对隧道的养护工作进行指导。

隧道bim模型信息子系统，用于整合隧道设计、施工和监测数据以构建软土盾构隧道bim模型，实现隧道全生命周期工程数据的可视化管理，用于构建软土盾构隧道bim模型的隧道设计、施工和监测数据包括三维几何信息、文档数据、设备属性、空间属性数据、监测数据，软土盾构隧道bim模型以三维图形方式展示软土盾构隧道和附属建筑物的外观、空间划分、管道布局，能够用于支持软土盾构隧道的性能分析，尤其是隧道所特有的大量复杂设备和管路，可以通过三维可视化极大提高运维管理效率；隧道健康监测包含大量关于隧道结构安全的属性数据和文档，帮助运维管理人员实施日常维护工作；bim模型提供的数据可以支持各种性能分析，例如针对隧道健康评估的分析，有助于评估以及优化设施的运行状态；bim技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合隧道设计，施工和监测数据，从而实现隧道全生命周期工程数据的可视化管理，在盾构隧道运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种隧道健康状况相关的工程信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用；隧道bim模型信息子系统，可以有效地推动基于bim的软土盾构隧道设计-施工-运维一体化，提高盾构隧道全生命周期的效率与质量，并通过对运维大数据信息价值的进一步挖掘、整合和分析，提高隧道的智能化水平

用户界面子系统，用于将各类数据向用户展示以及接受用户控制与输入，用户界面子系统可通过调用中心数据库和综合安全评估子系统的数据用户能够通过关键字进行查询分析，并可实现实时监测数据和现场调查数据的集成查询，病害数据的模糊综合评价以及基于评价结果的病害成因分析和养护对策，自动化生成养护工作工单。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使木领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。