一种钢拱架受力监测系统的制作方法

本实用新型涉及钢拱架支护的技术领域，尤其涉及一种钢拱架受力监测系统，实现对隧道施工过程中对开挖后的断面进行钢拱架稳定支护和不良地质预警。

背景技术：

隧道掘进机（以下简称硬岩tbm）是一种专门应用于开挖隧道与地下通道工程的大型高科技施工装备。当进入软岩大变形等不良地层后，需对开挖后的断面进行及时的钢拱架支护以防止发生坍塌及钢拱架支护不当造成的拱架变形卡机。当前主要依靠现场专业工程师人为经验定性判断钢拱架的支护间距，当间距过小，造成时间和成本浪费；当拱架间距过大时，造成钢拱架变形甚至发生塌方和卡机。同时当设备进入不良地层后，由于缺乏有效的感知预警技术，掘进、支护以及地质灾害的超前处理等施工决策不当将带来严重的施工风险。

技术实现要素：

针对隧道施工过程中，对开挖后的断面进行钢拱架支护时无法定量选择支护间距的技术问题，本实用新型提出一种钢拱架受力监测系统，能有效解决当前依靠人为经验定性判断不准导致的拱架支护间距过小造成的时间、成本浪费和拱架间距过大带来的变形、坍塌弊端。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种钢拱架受力监测系统，包括用于实时监测钢拱架受力的力学传感器、数据传输网关和数据接收终端，力学传感器安装在待监测的钢拱架上，力学传感器与数据传输网关相连接，数据传输网关与数据接收终端相连接，数据接收终端与数据库相连接。

所述数据接收终端上设有根据钢拱架受力情况对钢拱架的变形趋势与承载能力进行判断的钢拱架间距判定模型。

所述力学传感器为应变片，应变片的引线与数据传输网关的通道端相连接。

所述应变片的数量设有3个，应变片采用三点中心布置在已支护的钢拱架上。

本实用新型的有益效果：选用应变片作为力学传感器安装在钢拱架上，应变片引线与数据传输网关相连，网关通过无线方式将数据传输至数据接收终端，在终端上预设钢拱架间距判定模型，对当前拱架的变形趋势与承载能力进行综合判断，对是否需要减小或增大拱架间距给予判断；同时，建立基于钢拱架受力的不良地质感知模型，对掘进、支护以及地质灾害的超前处理提供指导。本实用新型能有效解决当前依靠人为经验定性判断不准的问题，如当拱架支护间距过小时，造成的时间、成本浪费，当拱架间距过大，由于拱架承载力不足导致拱架变形、岩体坍塌、设备卡机等工程问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种钢拱架受力监测系统，包括用于实时监测钢拱架受力的力学传感器2、数据传输网关3和数据接收终端，力学传感器2安装在待监测的钢拱架上，力学传感器2与数据传输网关3相连接，数据传输网关3与数据接收终端相连接，数据传输网关3通过无线方式将数据传输至数据接收终端，数据接收终端与数据库相连接。数据库上设有钢拱架受力与岩体信息的对应关系。数据接收终端通过力学传感器2检测的已支护的钢拱架上的受力情况，找出对应的岩体信息，从而实现对不良地质的感知预测。

所述数据接收终端上设有根据钢拱架受力情况对钢拱架的变形趋势与承载能力进行判断的钢拱架间距判定模型。钢拱架间距判定模型读取钢拱架受力值后，依据钢拱架的屈服强度对钢拱架的支护承载力是否足以抵挡围岩变形压力进行评估，对是否需要增大或减小拱架支护间距进行判断。钢拱架间距判定模型是基于承载力与屈服强度的关系判断。当单榀钢拱架的承载力远大于钢拱架的屈服强度时，可适当增大拱架间距；当单榀钢拱架的承载力小于或接近钢拱架的屈服强度时，此时应当减小拱架间距，必要时进行二次支护。

所述力学传感器2为应变片或其他测量变形的传感器，应变片的引线与数据传输网关3的通道端相连接。应变片型号为bhb120-3ca250，数据传输网关3的型号为wsmc1-4。数据传输网关完成数据的转换，将数据通过无线发送至数据接收终端。一个数据传输网关3可同时接收多个力学传感器实时检测的数据。

所述应变片的数量设有3个，应变片采用三点中心布置在已支护的钢拱架1上。即其中一个应变片设置在钢拱架1的最顶部的内侧，剩余两个应变片对称设置在最顶部应变片的两侧。通过三点测试的应力平均值可克服测量点抽样带来的误差，同时便于建立标准化的评价方法。钢拱架间距判定模型的原理是基于钢拱架受力应小于其屈服强度，这是材料力学基本原则，对三点测量值进行综合评判，三点测量值取均值。

基于钢拱架受力监测的时序数据即每个钢拱架上3个应变片与人工统计的揭露的不良地质信息，建立钢拱架受力与岩体信息的对应数据库，通过时间序列分析或以神经网络、支持向量机等为代表的机器学习方法建立基于钢拱架受力的不良地质感知模型，预估前方的不良地质信息，针对掘进、支护以及地质灾害的超前处理等施工工序提供指导。基于钢拱架受力的不良地质感知模型，建模数据库为岩体信息和钢拱架受力信息，建模方法包含但不限于时间序列分析或以神经网络、支持向量机等为代表的机器学习方法。

本实用新型的工作时长为钢拱架立拱后至喷浆前，记录此段时间的钢拱架受力变形趋势，其目的有两方面：第一，对当前钢拱架的支护间距是否合适进行判断，并及时采取补救措施，同时对即将立钢拱架的区域进行支护间距建议；第二：通过钢拱架受力监测变化，研究当前地质条件下岩体的收敛变形趋势，建立基于钢拱架受力的不良地质感知模型，对掘进、支护以及地质灾害的超前处理提供指导。

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

技术特征：

1.一种钢拱架受力监测系统，其特征在于，包括用于实时监测钢拱架受力的力学传感器（2）、数据传输网关（3）和数据接收终端，力学传感器（2）安装在待监测的钢拱架上，力学传感器（2）与数据传输网关（3）相连接，数据传输网关（3）与数据接收终端相连接，数据接收终端与数据库相连接。

2.根据权利要求1所述的钢拱架受力监测系统，其特征在于，所述数据接收终端上设有根据钢拱架受力情况对钢拱架的变形趋势与承载能力进行判断的钢拱架间距判定模型。

3.根据权利要求1或2所述的钢拱架受力监测系统，其特征在于，所述力学传感器（2）为应变片，应变片的引线与数据传输网关（3）的通道端相连接。

4.根据权利要求3所述的钢拱架受力监测系统，其特征在于，所述应变片的数量设有3个，应变片采用三点中心布置在已支护的钢拱架（1）上。

技术总结
本实用新型提出了一种钢拱架受力监测系统，用以解决隧道施工过程中，对开挖后的断面进行钢拱架支护时无法定量选择支护间距。本实用新型包括用于实时监测钢拱架受力的力学传感器、数据传输网关和数据接收终端，力学传感器安装在待监测的钢拱架上，力学传感器与数据传输网关相连接，数据传输网关与数据接收终端相连接，数据接收终端与数据库相连接。本实用新型能有效解决当前依靠人为经验定性判断不准导致的拱架支护间距过小造成的时间、成本浪费和拱架间距过大带来的变形、坍塌弊端。

技术研发人员：李鹏宇;李建斌;荆留杰;杨晨;陈帅;武颖莹;郑赢豪;简鹏;王祥祥;张娜
受保护的技术使用者：中铁工程装备集团有限公司
技术研发日：2020.01.10
技术公布日：2020.10.09