隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统及方法与流程

本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统及方法。

背景技术：

预切槽机械施工在国外应用较多，已成为一种较为成熟的工艺技术，而在国内的应用屈指可数，技术与经验均不成熟。

这种施工技术指的是在软弱地质条件下，预切槽机械上特制的链式机械切刀沿隧道开挖断面轮廓外周顺次切割出一条具有一定厚度与深度的槽道，分区段向槽内喷灌混凝土，在隧道开挖面外轮廓形成一个起预先支护作用的连续混凝土壳体。当混凝土拱壳达到规定强度后，可在预支护壳体的保护下进行土方或岩石开挖，渣土装运，立钢拱架或格栅钢架、喷混凝土及后续仰拱初期支护施工，防水衬砌等作业，隧道施工设备可穿行于预切槽机械。

常见的，监测应力元器件一般焊接或绑扎在格栅钢架或钢拱架上，但是，隧道预支护壳体一般为喷射的素混凝土结构，厚度30cm左右，无钢筋，因此没有格栅钢架或钢拱架供监测应力元器件固定，难以做到精准安装，在预支护壳体内进行土方开挖时，进而很难通过传统监测手段实时掌握预支护壳体的受力状态，给后续施工造成极大的安全隐患。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统及方法，以实时掌握隧道内预支护壳体的受力状态。

本发明采用以下技术方案：隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，包括：

若干组监测元器件组，沿隧道预支护壳体间隔布设，且位于同一隧道横断面内；其中，监测元器件组包括土压力盒和应变计，土压力盒和应变计均安装在支架上。

信号采集与传输装置，与多组监测元器件组数据连接；

数据汇聚装置，通过无线网络与信号采集与传输装置连接；及

数据处理及控制终端，与数据汇聚装置连接，用于对监测数据进行分析和处理，计算得到各监测元器件组的受力值，并图形化展示各个监测断面与隧道整体的受力状态。

进一步地，支架为棱柱状支架；

棱柱状支架包括若干根竖杆，相邻的竖杆之间通过横杆连接；

棱柱状支架顶端朝向预切槽壁外侧土体，底端朝向隧道的中心线。

进一步地，土压力盒安装在棱柱状支架的顶端，且其测量面与预切槽壁外侧土体接触；

应变计安装在横杆上，且应变计的轴向平行于隧道开挖弧线的切线方向。

进一步地，隧道横断面内的隧道预支护壳体上敷设有防护套管，防护套管分别与多个棱柱状支架连接。

进一步地，棱柱状支架为三棱柱支架，由三根竖杆围成，相连竖杆的上部和下部均通过横杆连接；

土压力盒安装在三棱柱支架的顶端，位于三根竖杆的内部，土压力盒的测量面凸出竖杆的端部；

上部和下部相对应的横杆上均安装一个应变计。

本发明的另一种技术方案：隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测方法，使用上述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，具体包括以下步骤：

制作棱柱状支架，将土压力盒和应变计分别安装到棱柱状支架上；

将安装土压力盒和应变计后的棱柱状支架放入预支护壳体上的预留切槽中的监测点位；

将土压力盒和应变计的测线通过敷设好的防护套管连接至信号采集与传输装置；

信号采集与传输装置通过无线网络连接数据汇聚装置；

数据汇聚装置连接数据处理及控制终端；

数据处理及控制终端接收各个土压力盒和应变计的测量数据，并进行存储、处理和分析，生成隧道各监测断面及隧道整体受力状态图。

进一步地，方法还包括：

显示各监测断面及隧道整体受力状态图；

根据各监测断面及隧道整体受力状态图判断每个监测点位的受力情况：

当监测点位的受力控制值达到预定受力控制值的70％时，在受力状态图中将该监测点位对应的预警灯设置为黄色闪烁；

当监测点位的受力控制值达到预定受力控制值的85％时，在受力状态图中将该监测点位对应的预警灯设置为橙色闪烁；

当监测点位的受力控制值达到预定受力控制值的100％时，在受力状态图中将该监测点位对应的预警灯设置为红色闪烁。

本发明的有益效果是：本发明通过在隧道横断面内设置有若干组监测元器件组，并通过测线连接至信号采集与传输装置，再通过无线网络实现信号的汇聚和处理，进而可以实时监测隧道预支护壳体内里及其背后土压力，掌控预支护结构的受力状态，为隧道安全施工提供有利的保障。

附图说明

图1为本发明实施例中监测元器件组的布设示意图；

图2为本发明实施例中一个标准监测断面的布设示意图；

图3为预切槽机械施工隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统总体示意图。

其中：1.棱柱状支架；2.土压力盒；3.应变计；4.竖杆；5.横杆；6.测线；7.扎带；8.防护套管；9.预支护壳体；10.初支；11.二衬；12.监测点位；13.信号采集与传输装置；14.信号采集与传输装置保护箱；15.数据汇聚装置；16.rs485通信电缆；17.数据处理及控制终端；18.控制室；19.隧道横断面；20.预切槽机械。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，如图2所述，包括若干组监测元器件组，沿隧道预支护壳体间隔布设，且位于同一隧道横断面内；信号采集与传输装置13，与多组监测元器件组数据连接；数据汇聚装置15，通过无线网络与信号采集与传输装置13连接；及数据处理及控制终端17，与数据汇聚装置15连接。

本发明通过在隧道横断面内设置有若干组监测元器件组，并通过测线连接至信号采集与传输装置，再通过无线网络实现信号的汇聚和处理，进而可以实时监测隧道预支护壳体内里及其背后土压力，掌控预支护结构的受力状态，为隧道安全施工提供有利的保障。

本发明实施例中的监测系统主要应用于软弱地质条件下预切槽机械施工隧道预支护结构应力的实时监测中，它规避了传统监测方法人工测量费时、费力、敷设测线繁杂、成本高、量测频率低、不能实时追踪预支护结构受力状态，安全隐患大等缺点。

在本发明实施例中，监测元器件组包括土压力盒2和应变计3；土压力盒2和应变计3均安装在支架上。土压力盒2采用振弦式土压力盒，通过土压力盒2测量预支护壳体背后土压力，通过应变计3可测量预支护壳体内力，进而同时测量隧道预支护壳体内力及其背后的土压力。

具体的，如图1所示，支架为棱柱状支架1。棱柱状支架1包括若干根竖杆4，相邻的竖杆之间通过横杆5连接；棱柱状支架1顶端朝向预切槽壁外侧土体，底端朝向隧道的中心线。通过棱柱状支架1可以将土压力盒2和应变计3牢固固定在预支护壳体中，以实现实时测量。

为了更好地进行实时监测，土压力盒2安装在棱柱状支架1的顶端，本实施例中，其测量面高出竖杆4的上端头1cm左右，以保证其测量面与预切槽壁外侧土体紧密接触，实现精确测量。应变计3安装在横杆5上，且应变计的轴向平行于隧道开挖弧线的切线方向。振弦式土压力盒外边缘焊接于竖杆4的上端内边缘。应变计3通过扎带7捆绑在横杆5上，固定简单实用。

作为一种可能的实现方式，本发明实施例中，隧道横断面内的隧道预支护壳体9上敷设有防护套管8，防护套管8沿隧道横断面19内环向敷设，防护套管8分别与多个棱柱状支架1连接，使同一隧道横断面内的多个土压力盒2和应变计3均通过该防护套管8连接到信号采集与传输装置13上，其出线口位于隧底标高之上1.2m处的边墙部位。测线6的长度自元器件开始至穿出防护套管至少1m，以保证初支10和二衬11施作完成后测线6的末端插头可顺利插在多通信号采集与传输装置的插座上。

土压力盒2和应变计3的测线6均放入到防护套管8中，侧面7的末端安装插头，插头插在信号采集与传输装置13的插座上，该信号采集与传输装置13采用多通道模式，可以采集更多的监测点位12的内力和土压力。使用有线缆连接方式，信号传输稳定可靠，提升系统的可靠性。

更具体的，棱柱状支架1采用三棱柱支架，由三根竖杆4围成，竖杆4采用直径为8mm的钢筋，相连竖杆4的上部和下部均通过横杆5连接，横杆5也采用直径为8mm的钢筋，竖杆4伸出横杆5的距离设置为5cm，，土压力盒2的上表面高出竖杆4的顶端为1cm左右。

土压力盒2安装在三棱柱支架的顶端，位于三根竖杆4的内部，土压力盒2的测量面凸出竖杆4的端部；上部和下部相对应的横杆5上均安装一个应变计3。在土压力盒2和应变计3安装完毕后，连通三棱柱支架一起放入预切槽内的监测点位12。

本发明实施例中，如图3所示，信号采集与传输装置13可同时监测一个标准断面内的7个监测点位12，即21个应力元器件的频率信号。为了使信号采集与传输装置13避免收到隧道内其他状况的影响，再其外部安装信号采集与传输装置保护箱14。多通道信号采集与传输装置13由普通锂电池供电，供电电压2.4v，信号采集频率可根据实际需要灵活设置为待机或其他任意周期，功耗低，续航能力可达数月。多通道信号采集与传输装置13内置zigbee无线通信模块，可以实现监测信号的发送和控制指令的接收。信号采集与传输装置13、数据汇聚装置15共同组建无线网络实现全隧道所有标准监测断面数据与控制指令的采集和传输。

数据汇聚装置15与数据处理及控制终端17(可以采用pc机或工控机)通过rs485通信电缆16连接，数据处理及控制终端17设置在预切槽机械20的控制室18内。数据处理及控制终端17对监测数据进行分析和处理，通过计算得到各应力元器件的受力值，并图形化展示各个监测断面与隧道整体的受力状态。绘制各监测断面及隧道整体受力状态图，生成日报、周报、月报及其他阶段性监测分析报告，对监测数据回归分析，预测受力趋势，研判受力极限；根据结构材料性质设置受力控制值，达到受力控制值的70％启动累计预警，受力状态图中预警测点黄色闪烁，达到受力控制值的85％启动累计报警，受力状态图中报警测点橙色闪烁，达到受力控制值的100％启动工程报警，受力状态图中报警测点红色闪烁。

本发明的检测系统利用正弦式传感器、频率测读仪、zigbee无线通信模块等解决软弱围岩条件下预切槽机械施工隧道预支护壳体应力实时监测的难题。该系统结构简单，模块化安装便捷，成本较低，可实时监控软弱围岩条件下预支护壳体的受力状态，为后续开完及支护作业提供了重要的预警信息及安全保障。

本发明另一实施例还公开了一种隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测方法，使用上述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，具体包括以下步骤：

制作棱柱状支架1，将土压力盒2和应变计3分别安装到棱柱状支架1上；将安装土压力盒2和应变计3后的棱柱状支架1放入预支护壳体9上的预留切槽中的监测点位；将土压力盒2和应变计3的测线6通过敷设好的防护套管8连接至信号采集与传输装置13；信号采集与传输装置13通过无线网络连接数据汇聚装置15；数据汇聚装置15连接数据处理及控制终端17；数据处理及控制终端17接收各个土压力盒2和应变计3的测量数据，并进行存储、处理和分析，生成隧道各监测断面及隧道整体受力状态图。

通过本发明中的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测方法，可以实时监测隧道预支护壳体内里及其背后土压力，掌控预支护结构的受力状态，为隧道安全施工提供有利的保障。

具体的，本发明实施例方法还包括：

显示各监测断面及隧道整体受力状态图。根据各监测断面及隧道整体受力状态图判断每个监测点位的受力情况：

当监测点位的受力控制值达到预定受力控制值的70％时，在受力状态图中将该监测点位对应的预警灯设置为黄色闪烁；

当监测点位的受力控制值达到预定受力控制值的85％时，在受力状态图中将该监测点位对应的预警灯设置为橙色闪烁；

当监测点位的受力控制值达到预定受力控制值的100％时，在受力状态图中将该监测点位对应的预警灯设置为红色闪烁。

通过本发明的方法对隧道预支护壳体内力及其背后土压力进行实时测量，并根据测量数据生成对应的受力状态图，以供施工人员实时参考，提高隧道施工的安全性。