盾构隧道道床-管片结构剥离量变化动态监测系统及方法与流程

盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统及方法
技术领域
1.本发明属于盾构隧道道床
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管片剥离量实时态监测技术领域，尤其涉及一种盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统及方法。


背景技术：

2.随着城市化进程加快，地铁隧道建设正在快速地发展，在地铁隧道建成通车后，运营期间出现了大量的道床剥离病害，剥离病害会导致排水沟流水渗入道床底部，在列车动荷载作用下进一步造成裂缝翻浆冒泥和道床脱空，从而直接影响列车行驶稳定性和地铁运营安全，是重大的安全隐患。列车振动被认为是造成剥离病害的主要影响因素，在列车振动作用下管片与道床的整体性受到影响，当振动荷载超过粘接力大小时，管片与道床的振动变形不协调，从而产生剥离病害，缩短使用寿命，影响安全。因此，确定剥离裂缝在列车动荷载作用下的变化规律对于病害研究有着重要意义。
3.剥离病害的现场自动监测有一种采用静力水准仪的方法，在所选监测断面盾构隧道管片拱腰处和整体道床上分别安装静力水准仪，长期监测静力水准仪在监测周期内发生的竖向位移，以盾构管片和道床的位移之差反映道床
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管片在监测周期中产生的剥离量。这种方法已经在现场监测中验证了其可行性，但是静力水准仪的监测数据采集频率低，只能表示剥离量的长期变化，无法反映列车通过断面时剥离量的变化规律。
4.现有的现场监测道床
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管片剥离量的方法主要是是以静力水准仪为基础，将静力水准仪分别固定在管片和道床上，按照指定的频率读取铅垂位移数据，以在监测周期内读取到的道床和管片的位移数据之差间接反映剥离量的变化。这种监测方法主要存在以下缺点：1)监测频率很低，无法直观反映列车通过监测断面时剥离量的变化规律；2)数据采集频率只能提前预设并固定，无法根据洞内情况智能控制数据采集的启动和停止，会记录到大量无效数据，增加后期数据处理工作量。3)采集得到的数据需要进行差值计算才能反映剥离量的变化，数据不够直观，可能会造成误差的叠加。
5.术语解释：
6.列车动荷载：列车在行驶过程中，对轨道结构产生的荷载作用。
7.道床
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管片结构剥离量：地铁盾构隧道建成通车后，在列车振动作用下管片与道床的整体性受到影响，当振动荷载超过粘接力大小时，管片与道床的振动变形不协调，产生相对位移，该相对位移量即为道床
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管片结构剥离量。
8.剥离量变化动态监测方法：对列车驶过已产生剥离病害的监测断面时，该剥离量变化规律的监测方法。


技术实现要素：

9.为克服上述问题，本发明提供一种盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统及方法。
10.本发明的一种盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统，包括传感系统、
信号传输系统和数据采集系统。
11.传感系统包括弹簧自复位直线位移计和电阻式表面应变计。
12.弹簧自复位直线位移计固定在保护外壳内部，保护外壳通过支架固定在道床排水沟上；弹簧自复位直线位移计尾部连接柔性拉弦，柔性拉弦绕过定滑轮，沿铅垂方向深入剥离裂缝内部，并紧绷通过螺栓固定在盾构管片上。
13.电阻式表面应变计粘贴在钢轨跨中位置紧贴轨底上表面边缘两边。
14.信号传输系统包括mo信号变送模块、毫伏信号变送器和联测信号隔离转换器；弹簧自复位直线位移计和电阻式表面应变计分别连接mo信号变送模块和毫伏信号变送器，将其输出电压分别转换电流信号；再通过100m长的电缆屏蔽线连接地铁联络通道内的联测信号隔离转换器，将电流信号转换为电压信号。
15.数据采集系统包括数据采集卡和数据采集软件，数据采集卡将电压信号转化为数字信号，再由数据采集软件采集储存。
16.进一步的，弹簧自复位直线位移计为米朗ktr12弹簧自复位直线位移计；电阻式表面应变计为xhz
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212电阻式表面应变计；联测信号隔离转换器为sin
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502联测信号隔离转换器；数据采集卡为usb6005数据采集卡。
17.进一步的，弹簧自复位直线位移计在发现剥离病害的位置处连续布置5组。
18.一种盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测方法，使用上述盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统，具体为：
19.在监测现场：弹簧自复位直线位移计监测列车通过监测断面时，道床和盾构管片的剥离量，输出电压信号；电阻式表面应变计监测列车动荷载，输出电压信号；mo信号变送模块和毫伏信号变送器将电压信号分别转换为范围为4～20ma的电流信号，电缆屏蔽线将电流信号从监测现场传输至地铁联络通道内。
20.在地铁联络通道内：联测信号隔离转换器将4～20ma的电流信号转换为0～5v的电压信号；数据采集软件设定采集阈值和采集延时，当电压变化与初始值相比超过采集阈值时，代表列车通过监测断面，此时数据采集软件启动数据的采集储存；采集延时过后数据采集停止，下一辆列车通过时，系统将再次自动启动。
21.进一步的，采集阈值为0.5v；采集延时为10s。
22.本发明的有益技术效果为：
23.本发明能够满足高频率监测且能智能控制数据采集的启动与停止，且数据可直接反映剥离量的变化，保证了监测数据的准确性和可靠性，直观反映了列车动荷载作用对剥离病害的影响，为今后的病害机理和整治方法的研究提供依据。
附图说明
24.图1为本发明盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统示意图。
25.图2为弹簧自复位直线位移计安装和结构示意图。
26.图3为电阻式表面应变计布置位置示意图。
27.图4为数据采集软件系统界面。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
29.本发明的一种盾构隧道道床
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管片结构剥离量变化动态监测系统如图1所示，包括传感系统、信号传输系统和数据采集系统。
30.传感系统：包括弹簧自复位直线位移计1和电阻式表面应变计8。传感系统即现场传感器的布置，现场监测分为两部分，一部分为剥离量的变化监测，由于需要系统能自动感知到列车通过断面，则需要增加另一部分列车动荷载的监测，这里用到的原理是，列车通过监测断面时，该断面钢轨的表面应变发生变化，通过测量该应变来确定列车动荷载，以此反映钢轨通过监测断面。
31.弹簧自复位直线位移计1安装如图2所示，弹簧自复位直线位移计1固定在保护外壳2内部，保护外壳2通过支架5固定在道床6排水沟上，保护外壳2和固定支架5可以保护弹簧自复位直线位移计1不受排水沟流水及其他外界环境的影响，并使其与道床保持相对静止。弹簧自复位直线位移计1尾部连接柔性拉弦3，柔性拉弦3绕过定滑轮4，沿铅垂方向深入剥离裂缝内部，并紧绷通过螺栓固定在盾构管片7上。列车通过监测断面时，道床6和盾构管片7发生相对位移，剥离量变化，柔性拉弦3和与其连接的弹簧自复位直线位移计1发生位移变化，输出电压信号变化。弹簧自复位直线位移计1在发现剥离病害的位置处连续布置5组，以便监测完成后的数据分析减小误差。
32.电阻式表面应变计布置位置如图3所示，电阻式表面应变计8粘贴在钢轨9跨中位置紧贴轨底上表面边缘两边。图3中10为轨枕，11为钢轨扣件。结合数值模拟计算和实验室标定实验，该测点的应变随作用在钢轨跨中表面的垂向力线性增加，因此应变计输出电压可直接反映列车通过断面时，列车动荷载的大小。
33.信号传输系统：包括mo信号变送模块、毫伏信号变送器和联测信号隔离转换器。由于弹簧自复位直线位移计1和电阻式表面应变计8自身输出的电压为十分微小的毫伏级电压，在信号远距离传输至控制室进行数据采集时，容易受电缆线电阻和外部电磁干扰的影响造成电压信号衰减甚至丢失，考虑到电流信号在传输过程中的稳定性且不会受到电缆线电阻的影响，所以采用电流信号进行远距离信号传输。
34.分别将弹簧自复位直线位移计1和电阻式表面应变计8连接至mo信号变送模块和毫伏信号变送器将其输出电压分别转换为范围为4～20ma的电流，连接100m长的电缆屏蔽线，将信号从监测现场传输至地铁联络通道内，再使用sin
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502联测信号隔离转换器将4～20ma的电流信号转换为0～5v的电压信号以方便采集卡识别，至此完成信号传输的过程。
35.数据采集系统：信号再次转换成电压信号后，连接至usb6005数据采集卡，电压信号通过数据采集卡被电脑软件识别。软件识别到采集卡的数字信号，启动数据的采集储存。此处，需要软件能够根据信号的变化识别到列车通过监测断面以自动启动数据采集。地铁列车a型车空车时作用在钢轨上的轮轨垂向力为90kn，考虑乘客总荷载不会超过200kn，在进行室内标定实验并对信号传输系统的信号放大倍数进行调整后，确定列车动荷载监测部分在轮轨垂向力在0～200kn时，输出信号在0～1.5v范围内线性变化。因此，可对软件设定采集阈值，当列车动荷载监测部分输出电压变化与初始值相比超过0.5v时，代表列车通过监测断面，此时软件启动数据采集储存，经计算，列车通过断面的时间为8.5s，因此采集延时设置为10s，10s之后软件停止数据采集，待下一辆列车通过时再次自动启动采集，如此往
复，可测得在监测周期内所有列车通过该断面时，剥离量的变化情况。剥离量监测部分，传感器信号经传输系统达到采集系统，信号输出范围为0～5v，在量程范围0～15mm内呈线性变化，监测精度为0.015mm,对应电压为0.005v，因此，数据采集保留3位小数。
36.图4所示为数据采集软件，通道0、1为列车动荷载数据监测，通道2～6为剥离量监测。首先设置按单通道数据采集频率500hz，以通道0为准设置采集阈值为0.5v，采集延时设置为10s，设定采集数据保留3位小数，监测量程为0～5v。参数设定完成后点击“选择参数值”确定采集参数，再依次点击“恢复初值键”和“采集初始值”完成初始数据的储存，点击“开始采集”，系统开始工作。当列车通过监测断面时，通道0的所识别到的数据变化超过0.5v，系统将以500hz频率连续采集通道0～6的数据10s并保存，10s过后数据采集停止，下一辆列车通过时，系统将再次自动启动通道0～6的数据采集。
37.1.本发明相比以往的现场监测方法，首次将弹簧自复位直线位移计应用到剥离量的监测中，该方法比起传统方法具有更高的精度，且能设置更高的监测频率，采集的数据能够准确地反映列车动载下剥离量动态变化的过程。
38.2.本发明的关键点在于利用电信号转换的办法，在监测现场到数据采集的过程中，将微弱电压信号转换成受外界干扰小的电流信号进行传输，最后在转换成电压信号方便采集卡识别，这种电压
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电流
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电压的传输方式不仅保护了信号不衰减，而且有效地放大了信号，在现场监测远距离信号传输中具有实用价值。
39.3.本发明的核心在于智能识别列车通过监测断面并自动采集数据的实现。通过开发数据采集系统识别采集卡收到的数据，根据列车即将通过断面时，列车动荷载监测模块发生的电压变化设定采集阈值，当电压相比初始电压值变化超过所设定阈值时，系统自动开始数据采集，并设置了采集延时控制每次采集持续时间，这样就尽可能保证了所采集到的都是在列车通过断面时的数据。这种数据采集模式有效地节约了计算机储存空间并减少了后期数据处理工作量。
40.4.本发明不仅适用于列车动荷载作用下道床
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管片结构剥离量变化测量，同样也适用于各种铁路隧道中列车通过监测断面时其他结构间相对位移的动态监测。