盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警系统及方法与流程

1.本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及一种盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警系统及方法。


背景技术：

2.盾构法隧道施工采用盾构机掘进，刀盘在前方切屑地层，盾体内安装管片进行支护。盾构机盾尾内有几道钢制盾尾刷用于阻止地层内砂石、同步注浆液、地下水进入盾体内。
3.盾构隧道管片一般采用钢筋混凝土预制，采用定型钢模板模具。现有技术中，盾构隧道管片中会预埋一些传感器，用于监测管片的受力、变形、锈蚀变化等情况，如采用振弦式钢筋计、振弦式混凝土应变计、光纤光栅式钢筋应变计、裂缝计等，这些传感器仅能对钢筋混凝土的受力状态进行监测，无法对钢筋混凝土中氯离子锈蚀程度进行监测，达不到理想的实时健康监测和预警效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警系统及方法，以实现对盾构隧道管片钢筋混凝土结构健康情况的实时监测和预警。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警系统，包括阳极梯传感器、连接线缆、数据采集设备、无线通讯设备和远程控制处理系统，所述阳极梯传感器倾斜的预埋在盾构隧道管片的钢筋保护层中，用于测量盾构隧道管片不同部位的电位和电阻率数据，所述阳极梯传感器通过所述连接线缆与位于盾构隧道管片外的数据采集设备连接，所述数据采集设备用于为所述阳极梯传感器供电并采集其测量的数据，所述数据采集设备与所述无线通讯设备连接，所述无线通讯设备用于通过无线通讯的方式将采集的数据传输至所述远程控制处理系统，所述远程控制处理系统用于对接收的数据进行存储、处理、分析并对结构健康状态进行预警。
6.优选的，所述阳极梯传感器包括多根测量杆，多根测量杆与盾构隧道管片的混凝土表面的距离依次变化。
7.优选的，所述连接线缆包括位于盾构隧道管片中的线缆盒和位于盾构隧道管片外的线缆延长线。
8.本发明还提供了一种盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警方法，包括以下步骤：
9.s1.在盾构隧道管片的钢筋安装后且混凝土浇筑前，在盾构隧道管片的钢筋保护层中倾斜安装所述阳极梯传感器，然后浇筑混凝土完成盾构隧道管片的预制；
10.s2.待盾构隧道管片安装至隧道现场后，在盾构隧道管片外安装所述数据采集设备和无线通讯设备；
11.s3.通过所述远程控制处理系统对采集的盾构隧道管片电位和电阻率数据进行分
析计算，评价盾构隧道管片的结构健康状态；
12.s4.通过所述远程控制处理系统对采集的盾构隧道管片电位和电阻率数据进行数据拟合分析，得出对应的关于时间的电位拟合函数a和电阻率拟合函数b；
13.s5.通过所述远程控制处理系统对新采集的盾构隧道管片电位和电阻率数据与所述电位拟合函数a和电阻率拟合函数b进行比较，计算新采集的电位和电阻率数据的sse残差平方和及拟合优度r2并判定是否满足电位拟合函数a和电阻率拟合函数b，评价盾构隧道管片的结构健康状态。
14.优选的，所述远程控制处理系统能够采用实时测量或间断测量的方式对所述阳极梯传感器进行数据采集。
15.优选的，所述步骤s3中，
16.当电位小于
‑
400mv时，判定为已腐蚀，对应红色预警状态；当电位在
‑
250～
‑
350mv之间时，判定可能腐蚀，对应橙色预警状态；当电位在
‑
200～
‑
250mv之间时，判定小概率腐蚀，对应黄色预警状态；当电位大于
‑
200mv时，判定为未腐蚀，对应正常状态；
17.当电阻率小于5kω
·
cm时，判定腐蚀速率很高，对应红色预警状态；当电阻率在5～10kω
·
cm之间时，判定腐蚀速率高，对应橙色预警状态；当电阻率在10～20kω
·
cm之间时，判定腐蚀速率中，对应黄色预警状态；当电阻率大于20kω
·
cm时，判定腐蚀速率低，对应正常情况。
18.优选的，所述步骤s4中，对采集回来的电位和电阻率数据经过数据处理，去除无效数据，存储处理后的数据，然后进行数据拟合分析。
19.优选的，所述步骤s5中，
20.残差平方和：
[0021][0022]
总平方和：
[0023][0024]
度量拟合优度的统计量确定系数：
[0025][0026]
其中，y为经处理后的采集数值，其均值为其拟合值
[0027]
当新采集的电位数据的sse残差平方和及拟合优度r2均满足回归要求时，判定其满足电位拟合函数a，当新采集的电阻率数据的sse残差平方和及拟合优度r2均满足回归要求时，判定其满足电阻率拟合函数b。
[0028]
优选的，所述步骤s5中，
[0029]
当新采集的电位数据满足电位拟合函数a时，修正当前电位拟合函数a+1；当新采集的电阻率数据满足电阻率拟合函数b时，修正当前电阻率拟合函数b+1；当新采集的电位和电阻率数据其中一个不满足相应的拟合函数时，对应黄色预警状态；当新采集的电位和电阻率数据均不满足相应的拟合函数时，对应橙色预警状态。
[0030]
优选的，
[0031]
当出现黄色预警状态时，增加数据采集频率、减少数据采集的周期，并加强关注管理、进行人工分析判定；当出现橙色预警状态时，采取人为检查、并采取加固、抗腐蚀措施；当出现红色预警状态时，进行全方面的检查检测，判定结构的健康程度。
[0032]
本发明的盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警系统及方法在盾构隧道管片预制过程中预埋安装阳极梯传感器，能够在盾构隧道管片拼装后，对其钢筋混凝土结构健康进行实时监测，采用双控方式作为预警控制评价，即参数的绝对值控制和参数的变化趋势控制两个指标对其结构健康状态进行预警，其中，参数的变化趋势控制即是比较监测数据与既有拟合函数的sse残差平方和及拟合优度r2是否在合理范围内的方式进行控制。本发明通过上述系统及方法能够高效、简单、安全的实现对盾构隧道管片结构健康状态的无线实时监测和预警。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例的盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警系统的示意图。
[0034]
图中，1：盾构隧道管片；2：阳极梯传感器；3：测量杆；4：连接线缆；5：数据采集设备；6：无线通讯设备；7：远程控制处理系统；8：钢筋。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0036]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0037]
如图1所示，本实施例的盾构隧道管片结构无线实施健康监测预警系统包括：阳极梯传感器2、连接线缆4、数据采集设备5、无线通讯设备6和远程控制处理系统7。阳极梯传感器2倾斜的预埋在盾构隧道管片1的钢筋保护层中，用于测量盾构隧道管片1不同部位的电位和电阻率数据，阳极梯传感器2包括多根测量杆3，多根测量杆3与盾构隧道管片1的混凝土表面的距离依次变化，即与混凝土表面的距离依次递增或递减，通过测量不同部位的电位和电阻率参数，可以推算管片混凝土的氯离子变化程度，确定临界氯离子浓度锋线在混凝土中的位置，推算混凝土内钢筋锈蚀的起始时间。阳极梯传感器2通过连接线缆4与位于盾构隧道管片1外的数据采集设备5连接，连接线缆4包括：位于盾构隧道管片1中的线缆盒和位于盾构隧道管片1外的线缆延长线，线缆盒与阳极梯传感器2一起预埋在盾构隧道管片2中，线缆延长线在盾构隧道管片2拼装后，需要安装数据采集设备5时在插接在线缆盒上。数据采集设备5用于为阳极梯传感器2供电并采集其测量的数据，数据采集设备5与无线通讯设备6连接，均采用220v交流电经变压器供电，无线通讯设备6用于通过无线通讯的方式将采集的数据传输至远程控制处理系统7，无线通讯方式可以为隧道内的4g/5g信号，远程控制处理系统7用于对接收的数据进行存储、处理、分析并对结构健康状态进行预警，远程
控制处理系统7可以为联网的计算机，计算机中存储有相应的计算分析处理软件程序。
[0038]
本实施例的盾构隧道管片结构无线实时健康监测预警方法包括以下步骤：
[0039]
s1.在盾构隧道管片1的钢筋安装后且混凝土浇筑前，在盾构隧道管片1的钢筋保护层中倾斜安装阳极梯传感器2，然后浇筑混凝土完成盾构隧道管片1的预制。
[0040]
s2.待盾构隧道管片1安装至隧道现场后，在盾构隧道管片1外安装数据采集设备5和无线通讯设备6，将各个设备连接调试，将无线通讯设备6与远程控制处理系统7进行通讯调试，远程控制处理系统7能够采用实时测量或间断测量的方式对阳极梯传感器2进行数据采集。
[0041]
本实施例中采用双控方式，即参数的绝对值和参数的变化趋势两个指标作为控制。管片结构健康监测参数包含：混凝土电阻率、测量杆电位。测量杆电位用于表征混凝土碳化深度。混凝土电阻率用于表征腐蚀发生速率。在一般隧道环境下，钢筋混凝土管片中钢筋腐蚀速率与电阻率成反比，如果管片混凝土电阻率越低，钢筋腐蚀越慢。
[0042]
s3.通过远程控制处理系统7对采集的盾构隧道管片1电位和电阻率数据进行分析计算，评价盾构隧道管片1的结构健康状态，当绝对值指标达到对应预警指标时即判定预警；
[0043]
当电位小于
‑
400mv时，判定为已腐蚀，对应红色预警状态；当电位在
‑
250～
‑
350mv之间时，判定可能腐蚀，对应橙色预警状态；当电位在
‑
200～
‑
250mv之间时，判定小概率腐蚀，对应黄色预警状态；当电位大于
‑
200mv时，判定为未腐蚀，对应正常状态；
[0044]
当电阻率小于5kω
·
cm时，判定腐蚀速率很高，对应红色预警状态；当电阻率在5～10kω
·
cm之间时，判定腐蚀速率高，对应橙色预警状态；当电阻率在10～20kω
·
cm之间时，判定腐蚀速率中，对应黄色预警状态；当电阻率大于20kω
·
cm时，判定腐蚀速率低，对应正常情况。
[0045]
s4.通过远程控制处理系统7对采集回来的电位和电阻率数据经过数据处理，去除无效数据，存储处理后的数据不断计算进行数据拟合分析，得出对应的关于时间的电位拟合函数a和电阻率拟合函数b，拟合函数根据测试数据点分布的趋势选择，此处不必列出。
[0046]
s5.通过远程控制处理系统7对新采集的盾构隧道管片1电位和电阻率数据与电位拟合函数a和电阻率拟合函数b进行比较，计算新采集的电位和电阻率数据的sse残差平方和及拟合优度r2并判定是否满足电位拟合函数a和电阻率拟合函数b，评价盾构隧道管片1的结构健康状态；
[0047]
残差平方和：
[0048][0049]
总平方和：
[0050][0051]
度量拟合优度的统计量确定系数：
[0052][0053]
其中，y为经处理后的采集数值，其均值为其拟合值
[0054]
当新采集的电位数据的sse残差平方和及拟合优度r2均满足回归要求时，判定其满足电位拟合函数a，当新采集的电阻率数据的sse残差平方和及拟合优度r2均满足回归要求时，判定其满足电阻率拟合函数b；
[0055]
当新采集的电位数据满足电位拟合函数a时，修正当前电位拟合函数a+1；当新采集的电阻率数据满足电阻率拟合函数b时，修正当前电阻率拟合函数b+1；当新采集的电位和电阻率数据其中一个不满足相应的拟合函数时，对应黄色预警状态；当新采集的电位和电阻率数据均不满足相应的拟合函数时，对应橙色预警状态。
[0056]
当出现黄色预警状态时，增加数据采集频率、减少数据采集的周期，并加强关注管理、进行人工分析判定；当出现橙色预警状态时，采取人为检查、并采取加固、抗腐蚀措施；当出现红色预警状态时，进行全方面的检查检测，判定结构的健康程度。
[0057]
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。