[发明专利]一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法

说明书

技术领域

本发明属于盾构隧道管片结构安全性监测技术领域，具体涉及一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法。 

背景技术

地铁作为城市公共交通系统的一个重要组成部分，目前正处于一个蓬勃发展的阶段，其需求量还在与日俱增。盾构法施工以其自动化程度高、施工速度快、不受气候影响、对地面建筑物和路面交通的影响较小等特点在地铁建设领域得到了广泛的应用。 

由于地质水文条件的复杂性，盾构施工存在一定风险。盾构始发、接收、穿越风井、联络通道等重要区段的施工会造成管片受力的变化，引起管片变形，严重的会导致隧道涌水涌砂甚至隧道破坏，发生灾难性的后果。在施工期对管片结构应力的进行长期监测和预警，可以有效地监控隧道结构的安全性，具有重要的工程应用价值。另外，在运营期内对管片结构应力的监测，可以为隧道结构安全性和稳定性的评估提供依据。 

    目前国内外对于管片结构应力的监测，采用的方法主要是人工测量和自动化监测两种方法。人工测量手段是由工人用便携式采集仪按期对管片应力数据进行采集，再将采集到的数据人工填入记录表中，最后将记录的数据与初始设置的安全值进行比对以实现对管片结构安全的监控。这种方法虽然较为经济，但不能实现连续的动态监测，从而导致在重要区段监测不及时，带来对安全判断的严重滞后，无法做到事前和事中控制。另外，人工测量手段是由工人担任数据测量的主体，工人的操作不当可能造成部分监测数据无效，从而影响对安全判断的准确性。自动化监测方法是利用传输光缆，将管片内布设的传感器连入地面上的调节器，调节器将数据处理后送入地面控制中心的服务端主机，由主机对收集到的数据进行存储和分析判断。这种方法虽然弥补了人工测量法的一些缺陷，如实现管片结构的连续动态监测、海量数据的采集、安全判断手段的智能化等，但在实际应用中依然存在一些不足：对于海量监测数据的分析和可视化难以做到实时同步，更不能将这些信息第一时间在施工现场发布给所有参与施工的人员。 

因此，发明一套科学、有效的管片结构应力可视化监测预警装置自动识别、预警和控制盾构隧道施工引起管片结构应力变化所造成的安全风险，具有重要的工程意义和现实价值。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置及其工作方法，该装置能够实时连续地采集地铁盾构隧道管片钢筋应力值和混凝土应变值，一方面将采集到的结果在待测管片内环面上进行实时显示，以便于隧道内作业人员的实时观测，另一方面采用光色预警的方式实现管片应力的实时预警，满足了隧道内工作人员实时掌握管片结构应力数据信息的要求，并实现了自主安全预报警。 

本发明所述的一种地铁盾构隧道管片结构应力可视化预警装置，包括结构应力传感器、微型数据采集装置、可视化显示终端、多通道数据传输设备、安全预警装置。 

所述结构应力传感器，包括布设在待测管片中的振弦式钢筋应力计和混凝土应变计，用于对管片内部钢筋应力和混凝土应变的监测；该传感器由振弦和电路部分组成，以电信号与应力间的函数关系为基础，通过振弦的振动产生不同频率的感应电势来反映结构应力；所述结构应力传感器与微型数据采集装置间实现有线通讯； 

所述微型数据采集装置，用于实时采集结构应力传感器的频率、温度数据；该装置由接入口、信号采集模块，包括频率和温度信号的采集、数据存储模块、数据传输模块组成，以低压扫频激振方式实现对传感器频率数据的采集，通过热电偶温度模块实现温度数据的采集；所述小型数据采集装置与可视化显示终端实现无线通讯，与结构应力传感器实现有线通讯；

所述可视化显示终端，由数据处理模块、存储模块、液晶显示屏和数据传输模块组成；用于实时读取多个微型数据采集装置发送的频率、温度数据，并将数据进行二次处理得到钢筋应力和混凝土应变两个物理量，对处理后的物理量进行现场实时显示；所述可视化显示终端与微型数据采集装置、多通道数据传输设备、安全预警装置实现无线通讯；

所述多通道数据传输设备，用于实时接收可视化显示终端传送的应力、应变等物理量数据，并将基于Zigbee无线网络通信协议的信号通过光纤线路最终汇总到地面指挥中心；该装置由无线数据接收模块、数据转换模块和光纤数据传输模块三部分组成；所述多通道数据传输设备与可视化显示终端实现无线通讯；