一种地铁隧道渗漏监测与预警系统及其方法与流程

本发明属于地球物理监测领域，特别是隧道水害监测领域的一种渗漏监测系统及渗漏监测方法，尤其涉及一种地铁隧道渗漏监测与预警系统及地铁隧道渗漏监测与预警方法。

背景技术：

我国城市地铁建设正处于快速发展时期，但由于城市水文地质环境复杂，地铁隧道施工阶段水害事故时有发生，运营阶段隧道渗漏水害亦层出不穷。当地铁隧道下穿河流、湖泊等地表水体或地下人工建筑物复杂地段时，如果预防和处理措施不当，容易引起水体下渗造成隧道渗漏水，继而诱发涌水突泥，不仅危及施工安全，也会造成运营阶段出现问题，主要表现在：1)掩埋隧道，毁坏机具，造成人员伤亡和财产损失；2)引起地面沉降或塌陷；3)引起隧道不均匀沉降、变形等其他病害，影响隧道结构及内部电气设备的耐久性。可见在隧道施工阶段和后期运营阶段，采取必要技术手段加强针对隧道渗漏水害监控非常重要。

地球物理探测技术由于其经济、快速、无损等特点在地铁隧道水害探查及监测领域也不断得以研究和运用，如地质雷达、热红外成像法、激光扫描无损检测技术。地质雷达可应用于隧道施工及运营阶段的水害相关探查，但影响因素较多，可靠性不高；红外热成像法和激光扫描法主要适于运营阶段隧道渗漏出水点的检测，虽然精度相对较高，但其成本较高，需要人工辅助，且难以实现隧道渗漏水的实时动态监测。为改善不足，亦有文献提出采用温度梯度法和电导率法实现对隧道渗漏水的长期自动检测：温度梯度法利用温度传感器测量管片表面温度来判断该区域是否渗漏；电导率法则是给隧道管片表面施加微电压(人工电场)，而后通过检测电路中电流的高低变化来判断渗漏情况(程姝菲等.盾构隧道长期渗漏水检测新方法[J].地下空间与工程学报：2014，10(3):733-737)。虽然温度梯度法和电导率法能够做到长期的自动检测，但只能检测出渗漏出水点位置而难以查找出渗流通道，且多适用于盾构施工、管片支护的地铁隧道。

技术实现要素：

为解决实现长时间观测，有效避免人工场源对自然电场的干扰，准确查找隧道渗漏出水点，如何提前预知隧道渗漏出水点的技术问题，本发明提供一种地铁隧道渗漏监测与预警系统以及地铁隧道渗漏监测与预警方法。

本发明具体技术方案如下：一种地铁隧道渗漏监测与预警系统，其包括并行电法采集子系统、数据监控子系统；其中，

所述并行电法采集子系统用于实现隧道现场的自然电场和人工电场的测量以获得电法数据，其包括并行电法仪主机、电源转换设备、电法大线、多个电极；所述电法大线布设在隧道侧壁与所述并行电法仪主机电性连接，大线上的电极极距为1～5m，测线长度以能够连续追索到异常点、测出完整异常为准，所有电极的安装避开隧道内的电力设施并要与岩土介质充分耦合，以与隧道支护内部金属无接触；这些电极中的无穷远B极和公共比较极N极分别和所述并行电法仪主机电性连接，所述并行电法仪主机固定安装在隧道内壁一侧，所述电源转换设备对所述并行电法仪主机供电；所述数据监控子系统用于实现对并行电法采集子系统的远程操控，对电法数据的存储、管理及专家系统的自动化化处理、分析与基于前兆因子的预报预警，并将结果实时显示与发布。

作为上述方案的进一步改进，所述地铁隧道渗漏监测与预警系统还包括wifi网关，所述wifi网关用于实现所述数据监控子系统与所述并行电法采集子系统的网络链接和即时通讯。

作为上述方案的进一步改进，所述数据监控子系统包括远程服务器和监控终端，将以太网接入所述远程服务器，并与所述监控终端的网络连接；在所述远程服务器与所述监控终端上安装地铁隧道渗漏监测软件。

作为上述方案的进一步改进，所述并行电法采集子系统中，无穷远B极埋置在3～5倍于测线长度的远端，公共N极应埋置在远离渗漏区域的正常场区内任意位置。

本发明还提供一种地铁隧道渗漏监测与预警方法，其应用于上述任意地铁隧道渗漏监测与预警系统中，通过不间断的监测地电场的变化数据，获得自然电位随时域、空域的变化情况，自然电位的变化情况则是表征该区域内渗流电场的变化情况；如果某一电极位置的自然电位在时域上呈规律性上升趋势，在空间域上呈规律性升降趋势，则表示该电极所在位置“很有可能发生渗流问题”，根据渗流地电场自然电位等时线的规律特征，相对高值点指向渗流“入渗点或补给点”，极值点指向渗流“逸出点”，极值点随电极序号的移动趋势指示出渗流通道及渗流方向，并作为渗漏点查找与超前感应的依据。

作为上述方案的进一步改进，所述监控终端根据获取的渗流地电场自然电位的时空变化规律和以电阻率为表征的地电断面的电性分布特征，并辅以先验信息进行隧道渗漏预报，对渗漏出水点位置、渗漏水量、渗流通道的发育情况、渗流速度、附近渗漏补给含水构造的赋水情况及隧道壁后注浆的检测情况进行即时的预测，并根据所设定阈值，按风险预防等级进行主动预警，即时提醒采取必要措施防范隧道水害事故的发生，做到远程在线实时动态监测。

进一步地，所述远程服务器对自然电位、供电电流，电阻率计算及反演结果分别进行时空域的变化趋势分析、相关度分析、比值分析和差值分析，得到监测区域自然电位、供电电流时空域波动规律及极值特征点的变化趋势，及以电阻率为表征的地电断面电性空间分布特征和时域变化情况，提取渗漏前兆因子并基于先验信息设定的阈值按风险预防等级进行主动预警，通过监控终端实时进行结果预报与预警发布，提示启动预案进行处置。

作为上述方案的进一步改进，所述并行电法采集子系统在布置时，遵循：a.电极布置，按照布置方案中的观测方式、电极极距、测线长度需求确定电极分布位置；b.并行电法主机的安装，将并行电法仪主机固定安装在隧道内壁一侧；c.电源转换设备一端接入并行电法仪主机对应端口，另一端接入电力电缆相应接口；d.电法大线布设在隧道侧壁；e.将电法大线上的多芯航插头接入并行电法仪主机对应端口；将B极和N极分别通过B极连接线(无穷远线)、N极连接线与并行电法检测仪主机对应端口连接。

作为上述方案的进一步改进，将所述地铁隧道渗漏监测与预警系统的wifi网关安装固定在所述并行电法仪主机附近，并连接到隧道内部的以太网。

作为上述方案的进一步改进，所述数据监控子系统的渗漏监测与预警方法包括以下步骤：

a.开启所述地铁隧道渗漏监测与预警系统的所有设备，使其处于正常工作状态；

b.通过所述数据监控子系统的监控终端，启动地铁隧道渗漏监测软件并登陆远程服务器，进入“监测预报模式”，设置、录入相关监测参数，主要包括预警阈值、检测周期、并行电法采集参数、以及极距、电极道数和电极坐标，在配置完成后，通过以太网、wifi网关及通讯协议，将监测参数传给所述并行电法采集子系统；

c.所述并行电法采集子系统根据当前时间，按照设定的参数执行自然电场、人工电场测量或待机模式；

d.获取的电法数据通过以太网传送给所述数据监控子系统，所述数据监控子系统中的远程服务器通过专家系统进行自动化处理与分析，通过监控终端对当次监测结果进行实时预报，包括自然电位时空域波动曲线、供电电流时空域波动曲线、视电阻率及反演剖面、电阻率比值、差值剖面，并对灾害隐患按风险等级进行预警信息发布，提示启动预案进行处置，以保证施工阶段或运营阶段的安全；

e.重复c和d直到完成既定监测任务或用户主动停止。

本发明于隧道侧壁布置并行电法测量系统以采集自然电场、人工电场等电法数据；并通过以太网将电法数据传送到远程服务器上；通过电源转换设备给并行电法仪主机供电以实现长时间监测；通过高频采集自然电场数据与定时采集人工电场数据相结合的方式实现被动场源与人工场源的综合测量，并能够有效避免人工场源对自然电场的干扰；远程服务器通过专家系统完成数据的处理与分析，最终实现隧道渗漏出水点、渗流通道的远程在线实时动态监测与主动预警。

附图说明

图1：本发明实施例1中地铁隧道渗漏监测与预警系统的结构示意图；

图2：本发明实施例2中地铁隧道渗漏监测与预警系统的应用示意图；

图3：本发明实施例2中地铁隧道渗漏监测与预警系统的监测流程图；

图4a：本发明实施例3中地铁隧道渗漏监测与预警系统采用渗流检测模型进行试验测量的布置示意图。

图4b：本发明实施例3中渗流过程的自然电位等时线随电极变化的波动曲线图。

图中：1-并行电法采集子系统；1-1-并行电法仪主机；1-2-电源转换设备；1-3-电法大线；1-4-电极；2-wifi网关；3-数据监控子系统；3-1-远程服务器；3-2-监控终端；4-以太网；5-电力电缆；6-N极连接线；7-B极连接线(无穷远线)；8-隧道；9-河流；10-暗塘；11-渗流通道；12-渗漏出水点；20-水槽；21-阀门；23-导管；24-出水孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例的地铁隧道渗漏监测与预警系统包括并行电法采集子系统1、wifi网关2和数据监控子系统3。所述并行电法采集子系统1包括并行电法仪主机1-1、电源转换设备1-2、电法大线1-3、电极1-4，用于实现隧道现场电法测量以获得电法数据。

所述wifi网关2连接隧道内部的以太网4，并安装于并行电法仪主机1-1附近，用于数据监控子系统与并行电法采集子系统的网络链接和即时通讯。当然wifi网关2也可以采用有线传输，或者卫星通讯系统实现网络链接和即时通讯。

所述数据监控子系统3包括远程服务器3-1和监控终端3-2，用于实现对并行电法采集子系统的远程操控，电法数据的存储、管理及专家系统的自动化化处理、分析与基于前兆因子的预报预警，并将结果通过监控终端实时显示与发布。

所述电源转换设备1-2分别连接并行电法仪主机和隧道内的电力电缆，将交流电转换为直流，以匹配并行电法仪主机的电压、电流输入要求，用于为并行电法仪主机持续供电。所述电法大线1-3采用专用线缆，适用于恶劣的工况环境，用于连接并行电法仪主机和电极，构建供电或测量电路。所述电极1-4用于实现并行电法采集子系统与隧道周围岩土介质的耦合，可分为供电电极、测量电极、公共电极(或称参考电极)。在安装时需要遵循以后原则：电法大线1-3布设在隧道侧壁与并行电法仪主机1-1电性连接，这些电极1-4中的供电A极通过电法大线1-3布置成测线，且相邻供电A极之间的极距为1～5m，测线长度以能够连续追索到异常点、测出完整异常为准。所有电极1-4的安装避开隧道内的电力设施并要与岩土介质充分耦合，以与隧道支护内部金属无接触。这些电极1-4中的无穷远B极和公共N极分别和并行电法仪主机1-1电性连接，并行电法仪主机1-1固定安装在隧道内壁一侧，电源转换设备1-2对并行电法仪主机1-1供电。

自然电位的变化情况则是表征区域内渗流电场的变化情况。一般情况下，流动的地下水经过多孔岩石或裂隙时，由于大多数岩矿石颗粒(含水层中的固体颗粒包括岩石、矿物颗粒和胶体颗粒)吸附负离子的结果，使流水中集中了相对多的正离子，于是在顺水流方向出现了高电位电场，逆水流方向出现低电位电场。根据这一特征，结合人工电场获取一次场分布规律，进而计算出探测区域的电阻率分布情况，一般来说，渗漏通道区域的电阻率值较低，随着渗漏通道的扩大，低阻区域范围不断扩大且方向与渗漏通道发展方向一致，通过比较不同供电周期内的电阻率分布特征，并结合自然电位的变化规律，可提前预知渗漏通道位置、出水点位置等信息。

实施例2

按照布置方案中的观测方式、电极1-4极距、电极数量、测线长度等需求确定电极1-4分布位置。应遵循如下原则：一般情况下电极1-4极距为1～5m，如果检测精度要求较高则取1～2m为宜，并在重点区域适当加密，测线长度以能够连续追索到异常点、测出完整异常为准；一般情况下无穷远B极埋置在3～5倍于测线长度的远端位置，公共N极埋置在远离渗流区且电场稳定的正常场区内的任意位置；电极1-4的安装应避开隧道8内的电力线缆等设施；应穿透隧道壁且与壁内金属无接触，并与隧道壁后，电极1-4安装后应进行防渗漏处理。

以图2为例对电极1-4的现场布置进行说明，图2中表示该段隧道8下穿河流9、附近存在暗塘10等情况不明的含水结构体，水文条件复杂，且隧道8侧壁局部发现渗漏出水点12，需要查明渗漏水是否与周边含水结构体存在水力联系，检测渗流通道11的空间分布及评价渗漏水害的风险情况，为预防和治理提供技术指导，也便于后续监测工作的开展。以渗漏出水点12和河流9对应隧道8的大体位置为中心布置电极1-4，采用1.5m极距，32道电极(B极和N极另外布置)，布置在隧道8的渗漏出水点12的同侧，沿隧道走向，测线长度46.5m，B极布置在远端至少200m的隧道侧壁，N极布置在测线内，同时应避开渗漏出水点和电力设施。布置电极1-4时，应保证穿透隧道壁和注浆层，直接与周围岩土体耦合，同时应避开隧道8内的电力线缆等设施，避免与隧道支护内的金属接触，做好电极孔的注浆加固和防渗处理。

b.并行电法主机及相关部件的安装

将并行电法仪主机1-1安装在隧道8的侧壁，与电极1-4(B极和N极除外)同侧，避开隧道8内相关设施不至影响地铁正常运营与日常维护，并做好防护措施。

电源转换设备1-2一端接入并行电法仪主机1-1对应端口，另一端接入电力电缆5相应接口。

电法大线1-3悬挂在隧道8的侧壁、与电极1-4(B极和N极除外)同侧位置。将电法大线1-3上的预留接口与对应电极1-4(B极和N极除外)通过连接线相连接，确保连接牢固并做好保护；将电法大线1-3上的多芯航插头接入并行电法仪主机1-1对应端口。

将B极和N极分别通过B极连接线(无穷远线)、N极连接线与并行电法检测仪主机1-1对应端口连接。

2)wifi网关安装

将wifi网关2安装在并行电法仪主机1-1附近，并与隧道8内部的以太网4连接。

3)数据监控子系统安装

将以太网4接入远程服务器3-1，并与监控终端3-2进行网络连接；在远程服务器3-1与监控终端3-2上安装隧道渗漏监测相关软件。

(2)系统联调

用于检验系统的运行状态，主要检查系统内部通讯是否稳定、并行电法采集子系统数据采集是否正常，并就发现的问题进行改进以实现正常运转。

(3)渗漏监测与预警

a.开启地铁隧道渗漏监测系统所有设备，使其处于正常工作状态。

b.通过监控终端3-2，启动隧道渗漏监测软件并登陆远程服务器3-1，进入“监测预报模式”，设置、录入相关监测参数，主要包括预警阈值、检测周期、并行电法采集参数(发射方式、发射电压、发射周期、采用频率等)，以及极距、电极道数及其所处的位置坐标，配置完成后，通过以太网、wifi网关及通讯协议，将监测参数传给并行电法采集子系统。

c.并行电法采集子系统根据当前时间，按照设定参数执行自然电场、人工电场测量或待机模式。

并行电法采集子系统一次采集可以获取自然电位、一次场、二次场等信息，同时包含多种装置的数据，可以实现自然电场法和高密度电阻率法探测。由于自然电场变化较快，对渗漏等引起的自电异常反应灵敏，且自然电场的采集不需要供给外加电场，探测速度快，故自然电场应进行高频率不间断采集；人工电场由于探测效率相对较低，不需要较高的采集频率。因此，在监测过程中，优先采集自然电场数据，以缩短检测周期以增加数据量，进而提高监测的准确性，例如每分钟采集一次自电数据，每6h进行自电、供电采集。供电采集常采用二极装置AM法，具有采集效率高，适用于实时动态监测。

d.每次采集过程中，不间断采集的自然电位实时上传至服务器3-1，并在远程监控终端3-2进行显示；进行人工供电时，数据暂存储于并行电法仪主机1-1内，当次数据全部采集完成后，通过wifi网关2和以太网4上传至远程服务器3-1，进行存储、管理，并通过专家系统进行相关自动化处理，数据处理过程主要包括数据解编、自电提取、一次场电压提取、供电电流提取、二次场电压提取，以及无效极点数据的剔除、视电阻率计算及电阻率反演等，并进行时空域的变化趋势分析、相关度分析、比值分析和差值分析，得到监测区域自然电位、供电电流时空域波动规律及极值特征点的变化趋势，及以电阻率为表征的地电断面电性空间分布特征和时域变化情况，提取渗漏前兆因子并基于先验信息设定的阈值按风险预防等级进行主动预警，通过监控终端对当次监测结果进行实时预报与预警发布，提示启动预案进行处置。预报结果图会在监控终端3-2上实时自动显示，主要包括自然电位时空域波动曲线、供电电流时空域波动曲线、视电阻率及反演剖面、电阻率比值、差值剖面。

一般地，自然电位在时间域呈规律性上升趋势，而在空间域上呈规律性升降趋势，表示“很可能出现受渗流问题”，根据渗流地电场自然电位等时线的规律特征，渗流方向与自然电位在空间域(随电极序号或电极坐标)的下降走势一致，极值点指向渗流逸出点，相对高值点指向入渗点(或补给点)；电阻率高低与岩土介质的含水性密切相关，一般地，对于岩层介质若电阻率相对较低则说明介质导电性好，表示含水性较高，反之表示含水性较差，对于土层介质若电阻率相对较低则说明介质导电性较好，电阻率的降低或升高反应介质内含水量的多少，但同时应结合地质资料和介质的具体属性来综合判定。电阻率空间分布上呈现出低阻或高阻的特征，能够检测壁后注浆体的分布，同时可以据此查找出周边可能存在含水构造或导水通道的位置，在时域上呈现出规律性高或低变化趋势，表示很可能受渗流影响，用于查找监测区域含水构造或导水通道的发育及分布，评价渗流发生、发展情况。由此根据获取的渗流地电场自然电位的时空变化规律和以电阻率为表征的地电断面的电性分布特征及时域变化，进行隧道渗漏预报，对渗漏出水点位置、渗漏水量、渗流通道的发育情况、渗流速度、附近渗漏补给含水构造的赋水情况及隧道壁后注浆的检测等相关情况进行即时的预测，并根据提取的渗漏前兆因子与所设定阈值进行综合对比评判，按风险预防等级进行主动预警，并提示启动预案处置，以保证施工阶段和后期运营阶段的安全。

e.重复c和d直到完成既定监测任务或用户主动停止。

实施例3

如图4a及图4b所示，本实施例主要利用并行电法采集子系统1，在搭建的物理模型系统上进行渗流检测实验。其中图4a为渗流检测模型系统及测量布置示意图，提取1#-20#电极22同步测量与N极的电位差，得到多个时刻自然电场随电极的变化曲线，即渗流过程的自然电位等时线随电极变化的波动曲线，图4b。

以开启水槽20的阀门21放水记为0时刻，导管23接通阀门21实现放水，1#电极靠近进水端。以此确定随着渗流的进行，不同时刻内各电极所监测到的自然电位分布变化情况，通过对比发现，渗流水头到达的位置处电极所监测到的自然电位值出现极值点(其中，人工渗流通道内充填细砂，渗流检测模型内充填砂性素填土)：如32s时3#电极出现极值，160s时7#电极出现极值，384s时11#电极出现极值，对应时间内极值点的电极位置与渗流水头位置对应。由此可以看出极值点随时间的增加不断往后推移变化，指示出渗流方向，在未到达出水孔24前即可反应出渗流的发生，具有超前感应能力。渗流场的自然电位不同时刻等时线在各个电极处随时间呈上升趋势，由此可以判断渗流的发展趋势。通过对渗流地电场的时空域的测量，可以判断出渗流的方向、快慢及发展趋势，并作为出水的前兆因素。此外，渗流将引起介质电阻率的明显变化，因此还可以利用供电电流、一次场等数据信息来对渗流情况进行检测。

结合以上实施例可知，本发明的有益效果关键在于：

(1)本发明基于并行电法勘探中的渗流地电场法和高密度电阻率法，通过不间断的监测自然电位的变化情况，并集合电阻率的变化特征，不仅可以准确检测出隧道渗漏出水点、隐伏含水构造、评价隧道壁后注浆效果，更为重要的是可以对未知隐患进行监测，及时发现可能出现渗漏等病害的位置，为隧道水害、隧道结构病害预防和治理提供更加科学、全面、有效的技术指导。

(2)本方法将并行电法测量技术与互联网技术相融合，信息化和智能化程度高，通过远程服务器上的专家系统进行电法数据的自动化处理与分析，提取渗漏前兆因子并基于先验信息设定的阈值按风险预防等级进行主动预警，具备远程、实时、动态、长期监测的优势。

(3)系统便于拆卸和安装，既能够满足隧道施工阶段中短期的检测(或监测)需要，又可以满足隧道运营阶段的长期监测需求；既可以沿隧道走向进行长测线布置实现隧道渗漏的一般性宏观监测，也可以针对水文地质条件或埋设人工设施的复杂地段进行重点微观监测，灵活性强。

(4)本发明除适用于地铁隧道外，亦可用于综合管廊、公路隧道、铁路隧道等的渗漏检测、煤矿掘进巷道的突水预警等，适用范围广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。