一种排水隧道运营安全监测与维护系统及方法与流程

1.本发明属于城市地下排水工程监测与维护技术领域，更具体地，涉及一种城市地下排水隧道运营安全监测与维护系统及方法。


背景技术：

2.随着我国城市化进程的快速推进，城市建设规模不断扩大，人口急剧增加，城市污水排放量逐年增长，现有地下排水管网已不堪重负，不能满足排放要求，每逢雨季各大城市均出现不同程度的内涝。为解决城市排污、防涝问题，城市排水隧道工程应运而生，排水隧道，一般指处于城市地铁网络以下，埋深超过30m的污水、雨水等水体传输隧道。城市排水隧道可以进行雨污水收集、调蓄，解决城市雨天溢流、内涝与污水处理难题。
3.城市排水隧道埋深较大，穿越多种地层，隧道衬砌结构承受外部水土压力和内部水体压力，存在较大的结构变形和渗漏风险。在排水隧道运营期间，运输的雨、污水往往含有诸多杂质，对隧道结构存在较强的腐蚀性，隧道长期运行时容易发生衬砌结构的失稳破坏。在长距离输水时，杂质容易发生沉降并产生淤积，甚至堵塞隧道，减小过流断面尺寸，影响隧道运营能力，因此，进行排水隧道运营安全的监测与维护十分必要，研发相应的监测与维护系统具有重要意义。
4.申请号为200910157116.5的中国专利申请，公开了一种分布式传感光纤隧道健康监测系统，包括预埋在隧道二衬内的传感光纤及用于采集、处理数据的处理子系统。监测系统可获取隧道结构应力分布，实现隧道结构在线、动态、实时健康监测。但是该系统监测项目有限，监测范围仅限于隧道衬砌结构内部，并且不具备对隧道进行维护的功能。
5.申请号为201510971485.3的中国专利申请，公开了一种盾构隧道结构健康监测及安全预警系统，包括数据采集子系统、远程传输网络、中心数据库子系统、安全评估子系统和用户界面子系统，该系统可实现盾构隧道的结构健康性能数据长时间自动采集，判定隧道安全使用状态并进行安全自动报警。但是该发明只针对常规盾构隧道结构监测，而排水隧道结构与常规隧道工况差别较大，监测重点存在较大差异，并且该系统缺少相应的隧道维护手段。
6.申请号为201310141424.5的中国专利申请，公开了一种排水管网水量水质信息多指标在线监测装置，包括前端探头、供电单元、远程无线传输单元、远程数据采集单元，实现了排水管网流量、液位以及输送的水质信息监测，但是该系统不具备对如应力、应变等管网结构参数的监测以及风险进行合理处置的功能，难以适用于排水隧道的监测与维护工作。
7.申请号为202010516201.2的中国专利申请，公开了一种排水管网运行监测系统，包括监控系统和监控中心，该系统可获取排水管网的运行参数，进行预警，避免安全事故的发生，提高排水管网管理效率。该系统仅针对常规市政排水管道内部液位、流速、气体含量等信息进行监测，其管道结构与隧道差别较大，并且缺少相应的风险处置系统。
8.申请号为202011128900.6的中国专利申请，公开了一种城市深埋污水隧道健康监测系统，包括监测传感器、采集模块、传输模块以及处理模块，实现了对污水隧道运营期间
的主体结构健康状态的实时监测、预警与可视化研究。但是该系统仅关注污水隧道衬砌结构参数，缺少运营水力参数监测，难以对运营安全进行综合评价及预警，而且无法实现隧道运营风险的处理。
9.申请号为202010415674.3的中国专利申请，公开了一种城市隧道清理维护装置，主要包括车体，通过设置吸尘装置，对隧道不难以清理的砂石或残留的杂物进行清除，实现隧道清理与维护，但是该装置无法在隧道充水条件下运转。
10.申请号为201910563650.x的中国专利申请，公开了一种管道检测机器人，包括能够在管道内进行移动的移动机构、对管道内的场景进行摄像的摄像头以及清理组件，实现了管道检测功能与清理功能于一体，但该装置无法实现对管道应力、应变、等结构内部物理力学参数的监测，难以对管道运营安全进行全面准确评价。
11.针对排水隧道运营安全监测和维护需求，综合分析上述系统的功能，存在以下不足之处：
12.1.常规隧道监测系统侧重于隧道结构安全信息，常规排水管网监测系统侧重于水力或水质参数信息，排水隧道兼具常规隧道与市政排水管网的工作特点，结构特殊，运行工况复杂，尚未有针对排水隧道运营安全的监测系统及方法；
13.2.针对排水隧道的运营安全，监测项目范围广，数据获取要求精准，但现有系统的监测方式单一，往往只采用预埋式或表面式传感监测设备，监测项目不够全面，而且监测点固定，无法实现全线的流动监测；
14.3.排水隧道运营期间工况复杂，结构破坏与淤积的风险较大，而且因工程重要性强，难以断流排空，现有的隧道或排水管网维护手段难以适用；
15.4.现有隧道或排水管网维护系统与结构安全监测系统相互独立。由于不与结构安全监测数据关联，结构维护工作缺少针对性，效率较低。


技术实现要素：

16.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种排水隧道运营安全监测与维护系统及方法，可对排水隧道运营期间的结构及运行安全进行自动化实时监测，进行日常巡检维护并处置结构损伤及隧道淤积风险。
17.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种排水隧道运营安全监测与维护系统，包括：监测子系统、数据传输子系统、分析及预警子系统以及维护子系统；
18.所述监测子系统，用于实时自动获取排水隧道结构和运行工况参数；
19.所述数据传输子系统，用于将所述监测子系统获取的数据通过有线或无线方式向所述分析及预警子系统进行输送；
20.所述分析及预警子系统，用于对从所述数据传输子系统接收的数据进行分析，得到排水隧道运营安全状况评价，并对存在的安全风险进行提示；
21.所述维护子系统，用于根据所述分析及预警子系统得到的排水隧道运营安全状况进行排水隧道日常维护，处置隧道运营安全风险。
22.在一些可选的实施方案中，所述监测子系统包括压力传感器、应力传感器、应变传感器、渗压传感器、腐蚀传感器、位移传感器、流量计与线缆机器人；
23.所述压力传感器安装在排水隧道外表面，用于获取隧道外侧水土压力数据；所述
应力传感器埋设在排水隧道二次衬砌内部，用于获取衬砌结构内钢筋和混凝土的应力数据；所述应变传感器埋设在排水隧道二次衬砌内部，用于获取衬砌结构内钢筋和混凝土的应变数据；所述渗压传感器埋设在排水隧道二次衬砌内部，用于获取衬砌结构内渗透压力数据；所述腐蚀传感器埋设在排水隧道二次衬砌内部，用于获取衬砌结构腐蚀参数；所述位移传感器埋设在排水隧道二次衬砌内部或内表面，用于获取衬砌结构施工变形缝张开度数据；所述流量计安装在排水隧道内壁，用于获取传输水体的压力、流速、流量以及温度数据；所述线缆机器人在排水隧道运营期间可由布放车经竖井下放至隧道内，具备水下运动能力，沿隧道进行巡查。
24.在一些可选的实施方案中，所述线缆机器人配备摄像头和声纳探测装置，用于获取排水隧道内壁结构影像与声纳探测图像，形成视频影像图和声纳探测影像图，直观展示隧道内部结构现状。
25.在一些可选的实施方案中，所述数据传输子系统包括传感器线缆、集成式数据采集仪以及信号传输设备；
26.所述传感器线缆用于将各传感器采集的数据向集成式数据采集仪进行传输；所述集成式数据采集仪安装在竖井井口周边区域，连接所述传感器线缆，用于转换各传感器的监测数据信号格式，向所述信号传输设备进行传输；所述信号传输设备具有无线和有线传输功能，用于远距离传递从所述集成式数据采集仪获取的传感器的监测数据。
27.在一些可选的实施方案中，所述传感器线缆根据连接的传感器的安装位置有不同的布设方式，其中，安装在隧道外表面的压力传感器，传感器线缆沿隧道外表面布设，最终沿竖井外表面引出至地面；安装在隧道内壁的应力传感器、应变传感器、渗压传感器及腐蚀传感器，传感器线缆经隧道衬砌和竖井壁内预埋的管线通道引出至地面；埋设在隧道衬砌结构内部的位移传感器，传感器线缆经过隧道衬砌和竖井结构预埋管线通道引出地面；埋设在隧道衬砌结构内表面的流量计，传感器线缆沿隧道与竖井内部敷设，最终引出至地面。
28.在一些可选的实施方案中，所述分析及预警子系统包括核心交换机、数据服务器与控制终端；
29.所述核心交换机用于接收所述数字传输设备传递的监测数据信号，并转换为所述数据服务器可识别的信号类型；
30.所述数据服务器用于各传感器的数据分析处理，分析各传感器别的监测数据，识别可能存在或已经存在的安全风险，对排水隧道运营安全进行分级评价；
31.所述控制终端用于管理系统运行，直观展示由所述数据服务器得到的监测数据信息及安全评价结果，当安全评价超过风险预警阈值时，将提示安全风险问题并提供解决措施。
32.在一些可选的实施方案中，所述线缆机器人还用于承担所述维护子系统功能，所述线缆机器人配备高压水枪、清洗刷盘和机械臂，用于排水隧道淤积风险处置。
33.在一些可选的实施方案中，所述线缆机器人根据所述分析及预警子系统提示信息前往安全风险所在位置进行隧道结构维护，对于结构损伤风险，通过所述机械臂向隧道破碎区域注入充填材料或表面修复材料；对于淤积风险，通过所述高压水枪和所述清洗刷盘对隧道内壁进行冲洗，从而去除隧道内堆积的杂质。
34.按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述任意一项所述的排水隧道运营安全
监测与维护系统的方法，包括：
35.根据排水隧道周围地质条件、与井口的距离条件确定隧道固定监测断面；
36.分别在隧道外表面、二次衬砌内部以及隧道内壁安装传感器，并完成传感器线缆敷设以及竖井井口处集成式数据采集仪与信号传输设备的安装；
37.在隧道运营阶段，通过压力传感器、应力传感器、应变传感器、渗压传感器、腐蚀传感器以及位移传感器监测排水隧道衬砌结构参数变化情况，流量计监测排水隧道输水参数变化情况，线缆机器人经竖井下放至排水隧道内部，沿隧道对内壁进行视频拍摄和声纳探测；
38.传感器获取的监测数据经传感器线缆传递至集成式数据采集仪，并通过信号传输设备发送至分析及预警子系统，线缆机器人视频拍摄与声纳探测信号通过连接在机器人上的线缆传递至布放车内的操作台进行实时显示；
39.核心交换机接收监测数据并转换格式，数据服务器存储监测数据，并对数据进行处理分析，数据分析结果与视频监测及声纳探测结果进行对比验证，得出隧道安全评价结论，当数据分析结果超过预设阈值或由视频、声纳观察到异常情况时，数据服务器将自动生成报告并进行预警提示；
40.通过控制终端了解监测数据以及隧道安全评价结果，当收到预警提示时，根据实际情况采用线缆机器人进行风险化解，对于结构损伤风险，管理人员通过竖井下放线缆机器人，机器人通过机械臂向隧道结构受损区域表面注入充填材料或表面修复材料，改善结构受力特征，提高衬砌完整性，降低安全风险；对于淤积风险，下放线缆机器人，通过高压水枪冲洗隧道淤积区域，并利用刷盘对隧道内表面进行刷洗，从而去除淤积，保障隧道过水断面尺寸。
41.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
42.1)本发明针对排水隧道内外受压、结构复杂的特点建立运营安全监测和维护系统，提出监测和维护方法，填补了排水隧道运营安全监测与维护领域的空白，实现了排水隧道运营安全的全面精准监测与风险远程处置。
43.2)本发明的监测方式采用固定监测断面与巡回检查相结合的方式，监测项目全面，数据获取精准。对于固定断面，采用预埋式和表面式传感器监测排水隧道结构及水力参数，同时利用线缆机器人实现了隧道全线实时图像、声纳探测影像的流动检查。
44.3)本发明具备排水隧道运营期“不断流”的风险处置功能，通过监测、分析等子系统准确定位结构风险位置，利用线缆机器人对排水隧道进行结构修复、清理淤积等保养和维护。
附图说明
45.图1是本发明实施例提供的一种系统结构示意图；
46.图2是本发明实施例提供的一种的监测断面图；
47.图3是本发明实施例提供的一种数据传输及处理示意图；
48.图4是本发明实施例提供的一种监测及维护方法流程图；
49.其中：1
‑
1为压力传感器；1
‑
2为应力传感器；1
‑
3为应变传感器；1
‑
4为渗压传感器；
1
‑
5为腐蚀传感器；1
‑
6为位移传感器；1
‑
7为流量计；1
‑
8为线缆机器人；1
‑
9为布放车；2
‑
1为传感器线缆；2
‑
2为集成式数据采集仪；2
‑
3为信号传输设备；3
‑
1为核心交换机；3
‑
2为数据服务器；3
‑
3为控制终端。
具体实施方式
50.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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
51.如图1所示是本发明实施例提供的一种排水隧道运营安全监测与维护系统，包括监测子系统、数据传输子系统、分析及预警子系统和维护子系统；
52.其中，监测子系统用于实时自动获取排水隧道结构、运行工况等参数；数据传输子系统用于通过有线或无线方式对数据进行传递；分析及预警子系统用于对数据进行分析，得到排水隧道运营安全状况评价，并对存在的安全风险进行提示；维护子系统用于处置排水隧道运营安全风险，并进行维护。
53.如图2及图3所示，监测子系统包括压力传感器1
‑
1；应力传感器1
‑
2；应变传感器1
‑
3；渗压传感器1
‑
4；腐蚀传感器1
‑
5；位移传感器1
‑
6；流量计1
‑
7；线缆机器人1
‑
8；布放车1
‑
9；数据传输子系统包括传感器线缆2
‑
1，集成式数据采集仪2
‑
2以及信号传输设备2
‑
3；
54.压力传感器1
‑
1安装在隧道管片外侧，用于监测隧道外部水土压力，传感器线缆2
‑
1沿管片外侧布设，最终沿竖井外侧引出至地面；
55.应力传感器1
‑
2、应变传感器1
‑
3、渗压传感器1
‑
4、腐蚀传感器1
‑
5均安装在隧道二次衬砌结构内部，用于监测衬砌内钢筋或混凝土应力、应变、渗透压、腐蚀参数，传感器线缆2
‑
1经隧道衬砌和竖井壁内预埋的管线通道引出至地面；
56.位移传感器1
‑
6安装在隧道衬砌变形缝或施工缝位置，用于监测衬砌结构接缝张开度，传感器线缆2
‑
1经过隧道衬砌和竖井结构预埋管线通道引出地面；
57.流量计1
‑
7安装在隧道内表面，用于监测排水隧道运输水体的流速、流量以及温度数据，传感器线缆2
‑
1沿隧道与竖井内部敷设，最终引出至地面；
58.线缆机器人1
‑
8通过布放车1
‑
9经由竖井放入排水隧道内部，隧道运营期间，线缆机器人沿隧道进行巡查，对隧道内壁进行视频拍摄以及声纳探测，形成视频影像图和声纳探测影像图，直观展示隧道内部结构现状，线缆机器人1
‑
8与布放车1
‑
9有用于控制和传输影像的连接线缆；
59.传感器线缆2
‑
1在地面统一接入集成式数据采集仪2
‑
2，数据经采集仪转换格式后传递至信号传输设备2
‑
3，通过无线或有线的方式进行远距离传输；
60.如图3所示，分析及预警子系统包括核心交换机3
‑
1；数据服务器3
‑
2；控制终端3
‑
3；
61.核心交换机3
‑
1接收信号传输设备传递的数据，并对数据进行分类整理，通过线缆将不同传感器得到的数据分配至数据服务器3
‑
2。服务器根据预设的模型和方法(如模糊综合评价法、层次分析法、人工神经网络等)对数据进行分析和处理。数据分析结果将与视频监测及声纳探测云图进行对比验证，当监测数据超过预设阈值或由视频、声纳观察到异常
情况时，数据服务器将自动向控制终端3
‑
3发送报告并进行预警提示。
62.管理人员根据预警信息确定风险发生位置，下放线缆机器人1
‑
8对风险隐患进行排除，用于排水隧道运营期间结构破损与淤积风险处置。通过布放车1
‑
9控制机器人1
‑
8前往隧道结构风险区域，对于结构损伤风险，管理人员操控机器人1
‑
8通过机械臂向隧道破碎区域注入充填或表面修复材料；对于淤积风险，管理人员操控机器人1
‑
8通过高压水枪和刷盘对隧道内壁进行冲洗，从而去除隧道内堆积的杂质。
63.如图4所示是本发明实施例提供的一种监测及维护方法流程图，包括：
64.根据排水隧道周围地质条件、与井口的距离等条件确定隧道固定监测断面；
65.分别在隧道外表面、二次衬砌内部以及隧道内壁安装传感器，并完成传感器线缆敷设以及竖井井口处集成式数据采集仪与信号传输设备的安装；
66.在隧道运营阶段，通过压力传感器、应力传感器、应变传感器、渗压传感器、腐蚀传感器以及位移传感器监测排水隧道衬砌结构参数变化情况，流量计监测排水隧道输水参数变化情况，线缆机器人经竖井下放至排水隧道内部，沿隧道对内壁进行视频拍摄和声纳探测；
67.传感器获取的监测数据经传感器线缆传递至集成式数据采集仪，并通过信号传输设备发送至分析及预警子系统，线缆机器人视频拍摄与声纳探测信号通过连接在机器人上的线缆传递至布放车内的操作台进行实时显示；
68.核心交换机接收监测数据并转换格式，数据服务器存储监测数据，并根据预设的方法和模型对数据进行处理分析。数据分析结果与视频监测及声纳探测结果进行对比验证，得出隧道安全评价结论。当数据分析结果超过预设阈值或由视频、声纳观察到异常情况时，数据服务器将自动生成报告并进行预警提示；
69.深隧管理人员通过控制终端了解监测数据以及隧道安全评价结果。当收到预警提示时，管理人员可根据实际情况采用线缆机器人进行风险化解。对于结构损伤风险，管理人员通过竖井下放线缆机器人，机器人通过机械臂向隧道结构受损区域表面注入充填材料或表面修复材料，改善结构受力特征，提高衬砌完整性，降低安全风险；对于淤积风险，下放线缆机器人，通过高压水枪冲洗隧道淤积区域，并利用刷盘对隧道内表面进行刷洗，从而去除淤积，保障隧道过水断面尺寸。
70.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
71.本领域的技术人员容易理解，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。