一种地铁地表沉陷预警系统的制作方法

本发明涉及地铁施工地表沉降监测与预报及沉陷灾害防治领域，尤其是一种地铁地表沉陷预警系统。

背景技术：

地铁隧道盾构施工过程中，由于地层损失和地下水流失造成的土层固结，将会引起地表沉降或突然的塌陷，造成财产损失和人员伤亡。据统计，截至2020年1月，包括港、澳、台在内的我国拥有地铁的46个城市中，发生地表沉陷事故78起，死亡92人，受伤34人，造成的经济财产损失不可计量。此类塌陷灾害在地铁施工领域普遍存在，其预报和防治是个巨大的难题，至今未解。

同位素是指原子核中的质子数目相同而中子数目不同的一类原子，同位素含量用同位素丰度表示:即指一种元素中的某一同位素在原子中所占的百分含量。同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。根据其在研究对象内部的扩散分布，形成可视化视觉图像，得到研究对象的变化状态。

技术实现要素：

为解决现在地铁施工中遇到的地表沉陷预测难题，本发明提供一种地表沉陷预警系统，能够对地表沉陷及时、准确地做出预报，减少财产损失和人员伤亡。

本发明提供一种地铁地表沉陷预警系统，包括预埋设的同位素示踪剂灌注管、信号监测装置、信号传输装置、信号处理系统和地表沉陷预警系统。

优选地，所述同位素灌注管预埋于隧道顶端管片衬砌壁后，每隔10m预留设一个释放孔。在隧道施工期间，定期通过灌注管灌注混合有亲水试剂二羟甲基丙酸（dmpa）的¹⁸o同位素示踪剂，探测地层中是否有可能引起地表沉陷的裂隙渗水现象。

优选地，所述信号监测装置能自动识别同位素示踪剂的传播路径，收集脉冲信号，并将其转化为电流信号。

优选地，所述信号传输装置将地下的监测信号传输到地上的信号处理系统中，用于后续处理。

优选地，所述信号处理系统，将接收到的电流信号转化为位移场三维视觉图像，显示出位移矢量的移动方向及大小。

优选地，所述地表沉陷预警系统将根据信号处理系统的计算结果，自动给出预报警示。

有益效果：本发明的地铁地表沉陷预警系统巧妙地利用同位素示踪原理，反演出隧道以上、地表以下的地层运动状况，对可能发生的地表沉陷做出预报。该套系统结构简单，布置方便，只需在前期隧道施工时随隧道布设。布设完成后，系统的使用都是在地面用电脑控制，操作简单。由于目前地铁隧道施工中，地表沉陷灾害每年都在发生，造成人员伤亡和巨大的财产损失。通过本发明的应用，能在灾害发生前提前预警，并及时采取阻断措施，增加地铁施工的安全性。

附图说明

图1是本发明所述的监测系统布设示意图；图2是本发明所述的信号处理与预警系统示意图。

①信号监测及传输装置；②同位素示踪剂灌注管；③渗水裂隙；④沉降槽。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，但不构成对本发明的限定。

具体实施方式

为了使本发明的实施例目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

需要理解的是，本发明中的描述性术语，如“包含/包括”和“由……组成”或者它们的任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，且在需要时还可以包括没有明确列出的其它要素，甚至还包括这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包含/包括”和“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素的情况。

如图1和图2所示，在本发明的一个具体实施方式，提出了一种地铁地表沉陷预警系统，其原理为：在隧道顶端衬砌壁后预埋同位素示踪剂灌注管，每隔10m预留一个释放口，沿灌注管预埋信号监测装置和信号传输装置。在隧道施工期间，定期通过灌注管灌注同位素示踪剂。若隧道上覆土层中发生渗水，示踪剂将沿渗水裂隙进行传播，找到源头。信号监测装置监测到同位素示踪剂传播路径，并将该信号沿信号传输装置传到信号处理系统中。经信号处理系统分析处理，反演出地表下土层的位移场三维视觉图像，当位移达到一定阈值，发出警报。根据系统警报可及时对该部位进行处治，防止地表塌陷灾害的发生。

本发明中，同位素示踪剂选用的是可示踪水源及其迁移的同位素¹⁸o+亲水试剂二羟甲基丙酸（dmpa），dmpa所起的作用为引导示踪剂沿渗水方向逆向传播。

本发明中，信号监测装置采用北京中能华海科技有限公司的cs-det系列一体化探测器，探测器将记录到的脉冲转化为电流信号，再传入信号处理系统中。每个区间隧道安装三台探测器，首尾和中部各一台，提高信号监测准确度。

本发明中，信号传输装置采用北京中能华海科技有限公司的cs-det系列一体化探测器所配套的信号传输线，沿同位素示踪剂注浆管同步埋设，与地面的信号处理系统相连。

本发明中，信号处理系统将接收到的电流信号转化为表征土体位移场的三维视觉图像，根据位移矢量的分布状态可判断出土体的移动情况。

本发明中，地表沉陷预警系统根据土体的移动情况发出相应指示信号：当土体位移<10mm时，指示信号为绿色；当10mm≤土体位移<30mm时，指示信号为黄色；当土体位移≥30mm时，指示信号为红色，发出沉陷预警。较大的土体位移极易诱发地表沉降或地表塌陷，因此根据预警信号及时采取注浆等加固措施，避免地表沉陷灾害的发生。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

技术特征：

1.一种地铁地表沉陷预警系统，其特征在于，包括预埋设的同位素示踪剂灌注管、信号监测装置、信号传输装置、信号处理系统和地表沉陷预警系统。

2.所述同位素示踪剂灌注管将被预埋入地铁隧道衬砌壁后，在隧道施工期间定期灌注示踪剂，示踪剂具有沿渗水方向逆向传播进行示踪的特征；所述信号监测装置能监测到同位素的传播路径，并将该路径转化为电信号；所述信号传输装置将监测到的同位素示踪剂扩散信号收集，并传入信号处理系统；所述信号处理系统将接收到的信号转化为三维视觉图像，得到沉降的位移场；所述地表沉陷预警系统将根据信号处理结果判断出地表以下发生空洞的状态，及时发出沉陷预警。

3.根据权利要求1所述的同位素示踪剂灌注管，其特征在于，预埋于隧道顶端衬砌壁后，每隔10m预留一个释放口，定期进行同位素示踪剂灌注检漏；释放后的示踪剂将沿渗水方向逆向传播，寻找到渗水源头；若渗水量较大，则在该处集中的同位素示踪剂密度将会较大，信号强烈；地表以下若出现此种情况，极易形成地下空洞，达到一定程度后引起地表的突然塌陷。

4.根据权利要求1所述的信号监测装置，其特征在于，将其与同位素示踪剂灌注管同步埋设，在同位素沿渗水方向传播之后，监测到该信号，并将信号传到信号传输装置。

5.根据权利要求1所述的信号传输装置，其特征在于，与沿线的信号监测装置相连，收集监测到的同位素扩散信号，传入信号处理系统。

6.根据权利要求1所述的信号处理系统，其特征在于，将接收到的电信号转化为视觉图像，构建出三维位移场状态，直观地显示出发生沉降的区域和严重程度。

7.根据权利要求1所述的地表沉陷预警系统，其特征在于，分析出地表以下由于渗水或冲刷作用造成的空洞后，及时地发出预警预报，工作人员根据预警在相应位置采取处治措施，预防塌陷灾害的发生。

技术总结
本发明提供一种地铁地表沉陷预警系统，包括预埋设的同位素示踪剂灌注管、信号监测装置、信号传输装置、信号处理系统和地表沉陷预警系统。同位素示踪剂灌注管将被预埋入地铁隧道管片衬砌壁后，在隧道施工期间定期灌注混合有亲水试剂二羟甲基丙酸（DMPA）的18O同位素示踪剂，示踪剂具有沿渗水方向逆向传播进行示踪的特征；信号监测装置能监测到同位素的传播路径，并将该路径转化为电流信号；信号传输装置将监测到的同位素示踪剂扩散信号收集，并传入信号处理系统；信号处理系统将接收到的信号转化为三维视觉图像，得到沉降的位移场；地表沉陷预警系统将根据信号处理结果判断出地表以下发生空洞的状态，及时发出沉陷预警。

技术研发人员：袁勋;刘长武;康舜
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2020.07.03
技术公布日：2020.10.16