下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统的制作方法

本发明涉及岩土工程领域地质力学模型加载试验机与测试方法，尤其涉及一种下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统。

背景技术：

城市地下“综合管廊”是指在城市道路的地下空间建造一个集约化隧道，将电力、通信、供水排水、热力、燃气等多种市政管线集中在一起，实行“统一规划、统一建设、统一管理”。综合管廊是合理利用地下空间资源，解决地下各类管网设施能力不足、各自为政和开膛破肚、重复建设、促进地下空间综合利用和资源共享的有效途径。

欧、美洲国家“综合管廊”已有170余年发展历史，日本后来居上。国内部分城市近年来开展试点建设，已有北京、上海、广州、武汉、济南、沈阳等城市应用实例，技术日渐成熟，规模逐渐增大。而许多管廊隧道的建设常常会遇到穿越河道、水库等水利设施，在施工过程中有可能会出现影响隧道的质量，严重时导致塌方、水流倒灌等工程事故。渗漏是最常见也是最典型的一种隧道结构病害。渗漏不仅是盾构隧道中最普遍的结构病害，还会诱发一系列的其他病害，因此，对隧道渗漏病害的检测在当前形势下显得尤为重要。渗漏是一个随机的过程，如果采取人工或仪器定期检测，则检测间歇期发生的严重渗漏，无法在第一时间发现和处置，有可能会酿成灾害。因此，针对当前的渗漏问题，需要一种能够长期、自动检测并预警隧道渗漏的方法。

与此同时，隧道模型试验，是一种发展较早、形象直观的岩土介质、工程结构、物理力学特性的研究方法。能够全面、直观、准确地反应岩土体支护体系的力学特性，使人们更容易全面把握隧道工程的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。目前，关于下穿浅覆土水域的模型试验设备还处于比较低的技术水平，了解已公开介绍的模型试验加载试验设备，涉及水域模拟的模型试验设备与渗漏自动预警系统的试验设备鲜见报道。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的，在于根据现有技术存在局限的问题，提供一种下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏自动预警系统，。

技术方案：

下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统，包括主框架装置，以及与主框架直接或间接相连的水域模拟装置、数据自动化采集装置和渗漏自动预警系统；

所述主框架装置中包括底部承压台，所述底部承压台与两侧承压架相连；所述两侧承压架之间顶部焊接有工字钢上横梁；所述底部承压台与两侧承压架的前、后设置有可升降自动挡板；所述工字钢上横梁通过同步液压千斤顶连接至下方的传压工字钢；

所述水域模拟装置包括蓄水箱、循环泵、流量控制阀、水箱、滤网；所述主框架装置焊接有水箱，所述水箱与蓄水箱通过循环管相连，所述蓄水箱的出液口通过循环管与循环泵相连，所述循环管上设置有流量控制阀，所述水箱靠近土体的一端为滤网；

所述数据自动化采集装置包括监测元件及与之连接的服务器和终端；

所述渗漏自动预警系统，包括与自动化采集装置连接的控制器；控制器通过通信模块与警报模块相连。

所述下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统，优选地：所述水箱为两个，分别位于“凹”字形土体外部的左右；所述同步液压千斤顶通过传压工字钢作用于“凹”字形土体顶部的两个突出部分。

所述下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统，优选地：所述同步液压千斤顶为12个，在“凹”字形土体顶部的两个突出部分各作用有6个。

所述的下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统，优选地：所述数据自动化采集装置包括监测元件与数据采集箱相连，所述数据采集箱连接rs485无线传输模块，所述rs485无线传输模块通过rs485总线将监测数据传输到gprs通讯模块；gprs通讯模块将接收到的监测数据经由gprs网络无线传输至服务器，所述服务器连接有移动pc和移动终端。

所述的下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏预警系统，其特征还在于：所述数据自动化采集装置还与非接触视频测量系统相连。

所述预警系统的工作方法，优选地：

包括以下步骤：

步骤1：记载隧道围岩及上部覆土的力学参数；

步骤2：制做尺寸为50mm×50mm×100mm的方形试件、面积为30cm²小环刀试件与体积为100cm³的大环刀试件；

步骤3：将上述步骤2中的试件进行力学性能的测试，得力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角、渗透系数进行材料的重新配比，直至符合要求；

步骤4：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，并在土体上部留出一条水道，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；

步骤5：打开蓄水箱的进、出水口开关将水注入到水箱，水通过水箱流入土体上部的水道中，启动循环泵来模拟水的流动，并通过流量控制阀来控制模型上部水流的水位；

步骤6：对隧道模型施加竖向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过rs485无线传输模块与gprs网络无线传输将其发送到服务器中；

步骤7：通过外加的摄像机，远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，同时采集数据和图像；

步骤8：通过数据自动化采集装置将数据传输给控制器；

步骤9：通过控制器发送的警报指令进行预警，并传输警报信息到维修人员的手机终端。

优点及效果：

（1）在结构方面，将加载部分，模拟水域部分，自动化数据收集部分和渗漏的自动预警部分有机的组合起来，能更加方便的实现各个部分的功能；

（2）目前盾构模型试验的设备鲜见有考虑水域模拟装置的模型试验系统，本发明考虑了水域的模拟，能更好的实际工程结合在一起；

（3）本发明采用传感器自动采集技术、gprs无线分组传输技术、无线网络传输技术、计算机技术实现了数据的自动化采集；

（4）本发明实现了渗漏的自动预警，可以很好的应用于实际工程中。

附图说明：

图1为本发明中下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验的主视图；

图2为本发明中下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验的侧视图；

图3为本发明中下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验的俯视图；

图4为本发明数据自动化采集系统示意图；

图5为本发明渗漏自动预警系统示意图。

图中标注：1-1挡板插关；1-2同步顶升千斤顶；1-3加载架上横梁；1-4两侧承压架；1-5传压工字钢；1-6可升降前、后挡板；1-7可移动侧挡板；1-8侧挡板移动螺栓；1-9插关锁；1-10三角稳定架；2-1蓄水箱；2-2循环管；2-3流量控制阀；2-4循环泵；2-5水箱；2-6滤网；3-1检测元件；3-2数据采集箱；3-3rs485无线传输模块；3-4rs485总线；3-5gprs通讯模块；3-6服务器；3-7移动pc;3-8移动终端；3-9非接触视频测量系统；4-1控制器；4-2通信模块；4-3预警模块。

具体实施方式：

本发明的技术思想是，根据现有技术存在局限的问题，提供一种下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏自动预警系统，主要包括四大部分：主框架装置、水域模拟装置、数据自动化采集装置及渗漏预警系统部分。上述各部分均与整体主框架部分直接或间接相连，它们构成为统一整体。

下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏自动预警系统，具体组成：钢结构主框架；同步液压伺服控制加载系统；蓄水箱；循环泵；流量控制阀；自动化监测采集箱；微型土压力盒、微型渗压计等；其他观测及配套测量装置，如：高像素相机、非接触视频测量仪等；自动预警系统。

钢结构主加载架（总机集成部分）由承压底座、整体式框架、前后挡板和顶盖构成。承压底座与整体式框架通过焊接整体，前后挡板、两侧挡板（预留螺栓孔）、顶盖通过高强度螺栓与整体式框架连接，反力框架均采用高强度工字钢和钢板材料。框架顶部安装12个液压千斤顶（可通过预制螺栓孔调节间距），采用同步液压伺服控制加载，模拟竖向荷载的千斤顶分别等距置于模型上部，通过传压工字钢施加荷载。以上传压工字钢具有足够的强度，保证在加载、卸载过程中，传压工字钢变形在0.1mm范围内。液压千斤顶单个最大载荷200kn，油缸最大行程150mm，采集系统实现对实验过程的控制以及实时信息的采集，确保实验按照预定方式进行。

加载同步液压伺服控制加载系统，主要由5个部分构成：液压泵站、计算机控制系统、液压系统、位移压力检测与人机界面操作系统。可满足多台系统串联使用，特点是全部控制信号，通过profibus/dp高速工业总线传输，可用于多台千斤顶同时工作的液压调整。

蓄水箱一侧开有进水口，另一侧开有出水口，蓄水箱与水箱之间通过循环管相连，水箱与钢结构主加载架通过焊接连接，水溶液通过左侧水箱流入水道，在经水道流入右侧水箱，通过循环泵循环，模拟水域的流动。

自动化采集箱，涉及传感器自动采集技术、gprs无线分组传输技术、无线网络传输技术、计算机技术。

振弦仪器自动化系统，实现振弦式传感器数据远程自动化采集，并将数据服务器平台发布，实现移动客户端查询。

无线传输。利用rs485无线传输模块，将传感器数据由掌子面传至洞口，传输距离可达1000米，能够节约大量线缆，极大方便了自动化传感器系统的安全及现场施工。

用于将所述信息监测模块输出的监测信息转换为符合rs485通信协议的监测数据,并将所述监测数据通过rs485接口发送出去的信息采集模块；通过rs485总线与所述信息采集模块相连接的gprs通讯模块；所述gprs通讯模块将接收到的监测数据经由gprs网络无线传输至服务器。

所述微型土压力盒、微型渗压计等，与自动化采集箱相连，共同完成监测数据的自动采集。

所述渗漏自动化预警系统包括控制器、通信模块、警报模块；所述通信模块、警报模块均与控制器连接；所述通信模块发送警报信息到维修人员的手机终端。

所述其他设备包括：高素摄像机、非接触视频测量仪等。

根据附图进一步说明：

图1-图3所示，所述主框架装置1，所述1相关的有底部承压台1-7，所述1-7与两侧承压架1-4相连，所述1-4与工字钢上横梁1-3焊接，所述1-7和1-4与前、后可升降自动挡板1-6相连接，所述工字钢横梁1-3与同步液压千斤顶1-2相连接，所述千斤顶1-2与传压工字钢1-5相连。

图1-图3所示，所述水域模拟装置还包括蓄水箱2-1、循环泵2-4、流量控制阀2-3、水箱2-5、滤网2-6，所述钢结构主框架部分1连接有水箱2-5，水箱与主框架焊接，所述水箱2-5与蓄水箱2-1通过循环管2-2相连，所述2-1的出液口通过循环管2-2与循环泵2-4通过循环管2-2相连，所述循环管2-2上设置有循环泵2-4和流量控制阀2-3，所述水箱2-5靠近土体的一端为滤网2-6。

图4所示，所述数据自动化采集装置3包括监测元件3-1、数据采集箱3-2、rs485无线传输模块3-3、rs485总线3-4、gprs通讯模块3-5、服务器3-6、移动pc3-7、移动终端3-8。在所述隧道围岩中埋设有监测元件3-1，所述3-1与数据采集箱3-2相连，所述数据采集箱3-2连接rs485无线传输模块3-3，所述rs485无线传输模块3-3通过rs485总线3-4将所述监测数据通过rs485接口将数据传输到gprs通讯模块3-5，gprs通讯模块3-5将接收到的监测数据经由gprs网络无线传输至服务器3-6，所述服务器3-6连接有移动pc3-7和移动终端3-8。

图4所示，所述数据自动化采集装置3还与非接触视频测量系统3-9相连，能够同时采集数据和图像。

图5所示，所述渗漏自动预警系统4，包括控制器4-1、通信模块4-2、警报模块4-3。所述控制器4-1接收数据自动化采集装置3采集的数据与中心子系统库的数据进行比较，所述控制器4-1与通信模块4-2和警报模块4-3相连，所述警报模块4-3接收到控制器4-1发送的警报指令，发出警报，所述通信模块4-2接收到控制器4-1发送的警报信息，并将信息传输给维修人员的手机终端。

本发明还包括一种下穿浅覆土水域管廊盾构隧道模型试验与渗漏自动预警系统，包括以下步骤：

步骤1：进行现场的勘测，得到隧道围岩及上部覆土的力学参数；

步骤2：根据相似原理，经过反复比选调配，确定围岩及上部覆土的相似材料，研制一种新材料相似材料，制成尺寸为50mm×50mm×100mm的方形试件、面积为30cm²小环刀试件与体积为100cm³的大环刀试件；

步骤3：将上述步骤2中的试件进行基本力学性能的测试，得到力学参数弹性模量、黏聚力、摩擦角、渗透系数进行材料的重新配比，直至符合要求；

步骤4：按照要求的力学指标完成配比后，将材料分层摊铺在加载架中，并在土体上部留出一条水道，进行隧道模型的制作，同时埋设监测元件；

步骤5：打开蓄水箱的进、出水口开关将水注入到水箱，水通过水箱流入土体上部的水道中，启动循环泵来模拟水的流动，并通过流量控制阀来控制模型上部水流的水位；

步骤6：对隧道模型施加竖向压力，通过位移计、压力计、渗压计采集位移数据，然后由自动化采集箱采集，通过rs485无线传输模块与gprs网络无线传输将其发送到服务器中；

步骤7：通过外加的摄像机，可以远程实时显示模型加载过程模型的破坏过程，同时采集数据和图像；

步骤8：通过数据自动化采集装置将数据传输给控制器；

步骤9：通过控制器发送的警报指令进行预警，并传输警报信息到维修人员的手机终端。