一种异型隧道扭转及畸变变形实时监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及地下隧道安全监测技术领域，尤其是一种异型隧道扭转及畸变变形实时监测系统。


背景技术：

2.为了应对城市人口日益密集和对城市轨道交通的迫切需求，地下空间得到了迅速发展。其中，异型断面隧道因其断面利用率高而被大量使用，广泛运用于公用隧道、行人通道、高速公路隧道、矩形盾构隧道等。在长期运行过程中，隧道除了发生常见的沉降模式外，受非对称荷载和变形作用的异型隧道，由于其断面不规则极易面临纵向不均匀扭转的影响。截面扭转对隧道结构响的影响研究较少，但值得注意。
3.异型隧道在受到非对称荷载的扰动作用下呈现非对称且不断变化的特性，极易产生的断面扭转变形及纵向相对扭转，这对隧道结构受力以及营运安全问题十分不利。目前针对隧道扭转的监测技术研究较少，若隧道结构长期受到扭转时，会对隧道结构产生极大的安全影响。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种异型隧道扭转及畸变变形实时监测系统，通过在异型隧道内布置反应其变形情况的测斜装置，实现在其扰动期间扭转及畸变变形的实时监测。
5.本实用新型目的实现由以下技术方案完成：
6.一种异型隧道扭转及畸变变形实时监测系统，其特征在于：该系统由若干测斜装置、数据采集终端、网络传输模块和远程端构成，其中若干所述测斜装置设置在异型隧道的底板边角位置且布置在所述异型隧道的受扰动监测区域以及所述受扰动监测区域以外的基准点处，所述数据采集终端分别与若干所述测斜装置连接并构成数据传输，所述数据采集终端通过所述网络传输模块将数据传输至远程端。
7.所述测斜装置包括导管、倾角测斜仪、固定架和固定螺栓，其中所述倾角测斜仪设置在所述导管的内部，所述固定架设置在所述导管的外围并通过所述固定螺栓将所述导管固定在所述异型隧道的底板边角位置。
8.沿异型隧道纵向布置的若干测斜装置的所述导管之间通过滚轮连接。
9.所述异型隧道内的受扰动监测区域与基准点之间临接位置分别设置有所述测斜装置的导管，两个导管之间连接。
10.所述导管的长度为所述异型隧道的衬砌环的单环宽度或两倍衬砌环的单环宽度。
11.在所述异型隧道的断面两侧底板边角位置均设置有所述测斜装置。
12.本实用新型的优点是：实现隧道变形的自动化实时监测，减少了人力和资金的成本，且操作简单，能为盾构穿越异型隧道等施工起到保证作用。
附图说明
13.图1为本实用新型的隧道横断面监测设备布置图；
14.图2为本实用新型的纵向监测设备布置图；
15.图3为本实用新型的隧道断面变形分解图；
16.图4为本实用新型的隧道断面扭转变形和畸变变形分解图。
具体实施方式
17.以下通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
18.如图1-4所示，图中标记分别表示为：测斜装置1、导管1-1、倾角测斜仪1-2、固定架1-3、固定螺栓1-4、连接滚轮1-5、数据采集终端2、网络传输模块3、远程端4、异型隧道5。
19.实施例：如图1和图2所示，本实施例中异型隧道扭转及畸变变形实时监测系统包括测斜装置1、数据采集终端2、网络传输模块3和远程端4。
20.其中，测斜装置1设置有异型隧道5的底板边角位置；具体地，在异型隧道5的断面内底板两侧边角位置分别设置有测斜装置1，且沿异型隧道5的纵向布置有若干测斜装置1，以对异型隧道5在受扰动期间的隧道变形情况进行监测，即共计在异型隧道5内设置有沿异型隧道5纵向的两列测斜装置1，这两列测斜装置1分别布置在异型隧道5断面内底板两侧边角位置，每列测斜装置均包括若干测斜装置1。数据采集终端2与测斜装置1之间通过数据线或无线数据传输的方式进行连接以接收各测斜装置1的采集数据。网络传输模块3用于将数据采集终端2所采集的各测斜装置1的数据经由无线传输的方式传递至远程端4。远程端4接收到数据后对数据进行处理，可换算得到异型隧道5的竖向和扭转变形，并进一步将其可视化于手机、电脑等远程端，以保障施工安全进行。
21.如图1和图2所示，本实施例中的测斜装置1由导管1-1、倾角测斜仪1-2、固定架1-3、固定螺栓1-4、连接滚轮1-5构成。其中，导管1-1的外围设置有固定架1-3，该固定架1-3通过固定螺栓1-4固定在异型隧道5的底板边角位置并进一步支撑导管1-1，从而使导管1-1的变形等价于异型隧道5的变形。在导管1-1内设置有倾角测斜仪1-2，该倾角测斜仪1-2用于测量导管1-1的倾角，而由于导管1-1的变形等价于异型隧道5的变形，因此倾角测斜仪1-2相当于测量异型隧道5的倾斜情况，进而反映出异型隧道5的变形情况。
22.如图2所示，在本实施例中，每个导管1-1上分别间隔布置有两个固定架1-3，每个固定架1-3均通过固定螺栓1-4与异型隧道5的底板固定，从而保证导管1-1与异型隧道5之间的连接强度，进而保证异型隧道5的变形可准确反映到相应的导管1-1上，提高监测精度。相邻的导管1-1之间通过连接滚轮1-5进行连接，以适应异型隧道5的变形情况，避免导管之间因硬性连接而导致损坏。
23.本实施例中的实时监测系统在监测时，包括如下监测方法：
24.1）以图1所示的盾构穿越既有矩形隧道为例展开：首先对异型隧道5的受扰动区域进行划分，设定开挖隧道两侧6倍既有隧道直径d的范围为主要受扰动监测区域，总长度为12d。其中，两侧3d范围内可设置为加密布置点区域，该区域内导管1-1长度设定为既有隧道的单环宽度，通过加密设置以及缩短导管1-1长度的方式精确监测该受扰动影响较大区域内的变形情况；而两侧3d-6d区域内导管1-1长度可设定为2倍的衬砌环宽度，适当增长导管
1-1的长度在满足受扰动监测前提下降低系统设备的用量及造价。同时将开挖隧道两侧7d范围的边界点设定为不受扰动的基准点，基准点与主要受扰动监测区域用两根导管1-1进行连接，即在主要受扰动监测区域临近于基准点处设置有一根导管1-1，在基准点处设置有一根导管1-1，两根导管之间通过连接滚轮1-5连接。
25.2）将每根导管1-1用两个金属材质的固定架1-3将其固定在异型隧道5的腰部，其中固定架1-3将通过固定螺栓1-4固定在异型隧道5的底板边角位置，并进一步支撑导管1-1。同时，在每根导管1-1中部内放置一个倾角测斜仪1-2。
26.3）在盾构穿越前，沿着隧道底板边角位置分别布置测斜装置1，对导管1-1的倾角进行测量。数据采集终端2采集各倾角测斜仪1-2的测量数据并通过网络传输模块3传输至远程端4，该远程端4在收到数据后进行计算分析，得出异型隧道扭转及畸变变形情况。
27.在本实施例中，异型隧道扭转及畸变变形情况可通过下述方式计算，也可利用现有技术的公式进行推导计算。
28.根据倾角信息计算出隧道底边角的竖向位移δv和水平变形δh，如下所示：
29.；
30.其中，以图1所示，δ
1v,n
是右侧底角第n导管对应截面的竖向变形；θ
1v,n
是右侧第n导管内置的倾角测斜仪测量的竖向倾角大小；δ
1h,n
是右侧第n导管对应截面底角的水平变形；θ
1h,n
是右侧第n导管对应倾角测斜仪测量的水平倾角大小；l
1,n
是右侧第n导管的长度；δ
2v,n
是左侧底角第n导管对应截面的竖向变形；θ
2v,n
是左侧第n导管对应倾角测斜仪测量的竖向倾角大小；δ
2h,n
是左侧第n导管对应截面的水平变形；θ
2h,n
是左侧第n导管对应倾角测斜仪测量的水平倾角大小；l
2,n
是左侧第n导管的长度。其中竖向变形以向下为正，水平变形以向右为正。
31.矩形隧道的变形可视为由截面平均沉降、扭转角以及畸变角三部分组成，如图3、4所示。则截面相应底边角的竖向变形和水平变形可通过该三类进行表达为：
32.；
33.其中，δn是第n导管对应截面的平均沉降；θn是第n导管对应截面的扭转角；γ
1,n
是第n导管对应截面的竖向畸变角；γ
2,n
是第n导管对应截面的水平畸变角；b是异型隧道5的
长；b是异型隧道5的宽。
34.在得到隧道底边角的的竖向位移δv和水平变形δh的基础上，可进一步求得异型隧道的截面平均沉降δ、扭转角φ和畸变角γ：
35.；
36.其中γn=γ
1,n
+γ
2,n
，对于矩形隧道而言，存在γ
1,n
=γ
2,n
。
37.在本实施例中，倾角测斜仪1-2的测量数据通过有线传导至数据采集终端2，数据采集终端2的原始数据通过网络传输模块3至一云服务平台。该云服务器接收现场监测数据，并通过采用以上换算方式，换算得到异型隧道5的竖向和扭转变形。进一步将其可视化于手机、电脑等客户端，以保障施工安全进行。
38.虽然以上实施例已经参照对本实用新型目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本实用新型作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。