一种盾构地铁管片温度变形监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种盾构地铁管片温度变形监测系统及其监测方法，系统包括温度监测模块、管片变形监测模块、传感器供电装置、信息输出端口信息传导模块、信息处理及决策模块。方法包括先期监测和长期监测，先期监测用于在确定热源温度的条件下，通过监测管片位置的温度和变形，基于有限元分析标定地热参数和管片热膨胀参数，并给出可能的管片温度变形薄弱位置；长期监测通过在可能的薄弱位置布置温度监测模块和变形监测模块，实现以下效果：直接监测可能的薄弱位置的长期温度变形；间接监测其他位置的温度变形；观察管片长期温度变形性能演化趋势。本发明专利技术能在管片温度变形超过容许值时及时定位报警，亦有助于分析管片温度变形性能的演化规律。能的演化规律。能的演化规律。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构地铁管片温度变形监测系统及其监测方法


[0001]本专利技术属于盾构地铁隧道安全监测
，具体涉及一种盾构地铁管片温度变形监 测系统及其监测方法。

技术介绍

[0002]盾构法作为一种隧道施工工法，具有施工效率高、环境影响低的特点，现已成为我国 地铁隧道修建的主要施工工法。盾构地铁隧道主要由管片衬砌支撑。近年来的工程实践表 明，盾构地铁隧道在长期运营过程中，管片可能因周边受荷条件的改变而产生变形甚至破 坏。另一方面，随城市化的发展，城市地下空间密布各式地热设施，例如地热泵、供暖系 统等。地铁难以避免要在地热设施附近修建。不同与其他力学荷载(如开挖、堆载等)， 温度作用下盾构地铁管片的变形特性较为复杂。随热源温度的提升，盾构隧道附近会产生 不均匀的温度场，管片温度会有所上升。管片温度的上升会引起管片的热膨胀，在周围土 体的约束下，管片应力会重新调整，同时产生温度变形，可能导致错台、接缝张开等一系 列病害，从而影响地铁隧道的安全性。因此，有必要针对盾构地铁隧道，提出相应的温度 变形监测方法。
[0003][0004]传统的盾构地铁隧道变形监测主要由技术人员携带相应的检测设备进行巡检实现，这 种方法非常依赖技术人员的工程经验，监测效率低，且难以在病害孕育早期发现，待发现 时往往隧道已产生较为明显的破坏。近年来发展的一系列基于监测传感器(如激光位移传 感器、倾角传感器、接触式位移传感器等)和实时信息采集系统的地铁隧道变形监测方法， 大幅提升了隧道变形的监测精度，使得隧道变形破坏的早期预警成为可能。例如，专利CN216482984 U公开了一种基于激光的地铁隧道变形监测系统，能够实时监测隧道变形，且 具有报警功能。专利CN 216012189 U公开了一种用于基坑及地铁隧道变形的自动监测系 统，亦能实现实时变形监测和报警的功能。但这类监测方法仍存在不足，即仅能监测传感 器布置断面的变形情况。若要监测其他断面的变形，则需要重复布置大量传感器，或将传 感器在不同时段布置在不同断面，存在成本与监测全面性上的矛盾。另一方面，当前较少 有涉及地铁隧道温度变形的监测方法。专利CN 107526318 A公开了一种地铁深基坑变形 及温度监控系统。该专利通过对基坑的温度和应力分别进行监测，通过有限元反演监测位 置附近的应力场和温度场，从而根据温度场和应力场的数值完成预警决策。该专利将温度 和基坑应力分别处理，未能考虑温度本身对结构的作用。因此，针对当前地铁隧道的温度 变形监测问题，需要提出一种监测范围全面且能考虑温度对盾构管片作用的温度变形监测 方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种盾构地铁管片温度变形监测系统及其监测方法，以实现地 铁隧道温度变形监测的实时性、全面性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种盾构地铁管片温度变形监测系统， 包括温度监测模块、管片变形监测模块、传感器供电装置、信息输出端口信息传导模块、 信息处理及决策模块；
[0007]所述温度监测模块包括多个设置在管片上的温度传感器，所述温度传感器监测管片实 时温度；
[0008]所述管片变形监测模块包括多个设置在管片上的变形传感器，用于监测管片沿环向的 张开变形和沿径向的错动变形；
[0009]所述传感器供电装置一端与隧道内电源连接，另一端分别与温度监测模块、管片变形 监测模块电性连接，为温度传感器和变形传感器供电；
[0010]所述信息输出端口一端分别与温度监测模块、管片变形监测模块连接，另一端与信息 传导模块连接，可以将传感器采集的信息通过信息传导模块实时发送至信息处理及决策模 块；
[0011]所述信息传导模块主要由信息传导线路组成，与信息处理及决策模块连接，用于将温 度监测模块、管片变形监测模块实时采集的温度和变形数据传导至信息处理及决策模块；
[0012]所述信息处理及决策模块包括信息预处理系统、有限元数值分析系统、信息存储系统 和报警系统，所述信息预处理系统主要由滤波器组成，用于消除传导至系统的温度和变形 数据中的噪声，所述有限元数值分析系统将监测到的温度和变形信息作为边界条件输入， 进行管片的温度
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应力耦合分析，求解管片的温度场和应力场，所述信息存储系统用于存储 长期监测过程中监测到的温度和变形数据，所述报警系统根据实时监测变形数据和有限元 分析结果，判断管片变形是否达到报警阈值，若达到则报警并定位管片变形位置。
[0013]方案进一步的，所述温度监测模块还包括固定支座Ⅰ，所述固定支座Ⅰ的两端通过螺 栓Ⅰ固定在管片上，所述温度传感器可拆卸固定在固定支座Ⅰ上。
[0014]方案进一步的，所述管片变形监测模块还包括固定支座Ⅱ和固定支座Ⅲ，所述固定支 座Ⅱ和固定支座Ⅲ分别通过螺栓Ⅱ、螺栓Ⅲ固定在管片裂缝的两侧，所述变形传感器固定 在固定支座Ⅱ上，所述固定支座Ⅲ上设有接触面板，所述变形传感器的传感接头端部与接 触面板接触。
[0015]方案进一步的，所述固定支座Ⅱ上设有可拆卸子支座一，所述变形传感器设置在子支 座一上，用于调整变形传感器的监测方向，实现对管片环向张开和切向错动的监测，所述 固定支座Ⅲ上设有可拆卸子支座二，所述接触面板设置在子支座二上，用于配合变形传感 器的监测方向，调整接触面板的方向，实现对管片环向张开和切向错动的监测。
[0016]方案进一步的，所述固定支座Ⅰ、固定支座Ⅱ和固定支座Ⅲ的一侧均为与管片结构贴 合的弧形结构，另一侧为T型结构。
[0017]本专利技术另一方面的提供一种盾构地铁管片温度变形监测方法，包括先期监测和长期监 测；
[0018]所述先期监测是在热源温度已知的条件下，监测管片的温度变形，标定相关有限元分 析所需的参数，根据工程设计图和施工图，将温度传感器模块和变形传感器模块布置在距 离热源较近的管片处，并在热源并未使用、即常温条件下归零各变形传感器的读数，
待热 源投入使用后，监测管片的温度与变形情况，记录管片温度稳定后的温度和变形，在信息 处理及决策模块中建立地层有限元温度场分析模型，对热源和地层进行建模，设定热源温 度T0，假定多个k进行计算，通过多次计算，选定使得监测位置处温度为T
tube1
的k作为 地层的热扩散系数，热传导方程为：
[0019][0020]式中，T为温度(K)，x、y、z为坐标，t为时间，k为地层的热扩散系数(m2/s)， 稳定后热源温度为T0和管片位置温度T
tube1
；
[0021]在确定地层热扩散系数k后，进行管片的温度
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应力耦合有限元分析，在信息处理及决 策模块中建立管片
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地层
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热源的温度
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应力耦合有限元模型，根据现场勘测数据和管片材料 数据确定地层和管片的力学参数，地层采用摩尔
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库伦模型模拟，管片采用双段直线的随动 硬化弹塑性模型模拟，管片的温度变形则通过给管片赋膨胀系数β实现：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构地铁管片温度变形监测系统，其特征在于，包括温度监测模块、管片变形监测模块、传感器供电装置、信息输出端口信息传导模块、信息处理及决策模块；所述温度监测模块包括多个设置在管片上的温度传感器，所述温度传感器监测管片实时温度；所述管片变形监测模块包括多个设置在管片上的变形传感器，用于监测管片沿环向的张开变形和沿径向的错动变形；所述传感器供电装置一端与隧道内电源连接，另一端分别与温度监测模块、管片变形监测模块电性连接；所述信息输出端口一端分别与温度监测模块、管片变形监测模块连接，另一端与信息传导模块连接；所述信息传导模块与信息处理及决策模块连接，用于将温度监测模块、管片变形监测模块实时采集的温度和变形数据传导至信息处理及决策模块；所述信息处理及决策模块包括信息预处理系统、有限元数值分析系统、信息存储系统和报警系统，所述信息预处理系统主要由滤波器组成，用于消除传导至系统的温度和变形数据中的噪声，所述有限元数值分析系统将监测到的温度和变形信息作为边界条件输入，进行管片的温度
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应力耦合分析，求解管片的温度场和应力场，所述信息存储系统用于存储长期监测过程中监测到的温度和变形数据，所述报警系统根据实时监测变形数据和有限元分析结果，判断管片变形是否达到报警阈值，若达到则报警并定位管片变形位置。2.根据权利要求1所述的一种盾构地铁管片温度变形监测系统，其特征在于，所述温度监测模块还包括固定支座Ⅰ，所述固定支座Ⅰ的两端通过螺栓Ⅰ固定在管片上，所述温度传感器可拆卸固定在固定支座Ⅰ上。3.根据权利要求2所述的一种盾构地铁管片温度变形监测系统，其特征在于，所述管片变形监测模块还包括固定支座Ⅱ和固定支座Ⅲ，所述固定支座Ⅱ和固定支座Ⅲ分别通过螺栓Ⅱ、螺栓Ⅲ固定在管片裂缝的两侧，所述变形传感器固定在固定支座Ⅱ上，所述固定支座Ⅲ上设有接触面板，所述变形传感器的传感接头端部与接触面板接触。4.根据权利要求3所述的一种盾构地铁管片温度变形监测系统，其特征在于，所述固定支座Ⅱ上设有可拆卸子支座一，所述变形传感器设置在子支座一上，用于调整变形传感器的监测方向，实现对管片环向张开和切向错动的监测，所述固定支座Ⅲ上设有可拆卸子支座二，所述接触面板设置在子支座二上，用于配合变形传感器的监测方向，调整接触面板的方向，实现对管片环向张开和切向错动的监测。5.根据权利要求4所述的一种盾构地铁管片温度变形监测系统，其特征在于，所述固定支座Ⅰ、固定支座Ⅱ和固定支座Ⅲ的一侧均为与管片结构贴合的弧形结构，另一侧为T型结构。6.利用权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：张玄，梁寿，冉寄蓉，王睿，王禹玺，
申请(专利权)人：中交二公局第三工程有限公司，
类型：发明
国别省市：