【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地下隧道工程，涉及垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统及方法。
技术介绍
1、排水隧洞是沿海地区大型核电厂的重要配套建筑物，排水隧洞排水头部结构通常由一个水平走向的盾构隧道和多个竖直走向的顶管管道组成，垂直顶升法因其工期短、对环境影响小和经济效益高等优点而在排水隧洞排水头部结构的顶管管道施工中得到广泛应用。
2、海底顶管管道的垂直顶升施工过程中，顶升设备为管节提供竖直向上的重复加载和卸载的顶升力，等价于竖直向下的重复加载和卸载的顶升反力作用在顶升设备上，并传递至水平隧道下卧地层中。由于垂直顶升施工期间顶升反力的量值较大，水平隧道下卧地层很可能在承载过程中发生过大沉降或不均匀沉降，这不仅可能影响水平隧道结构安全，还可能导致顶升设备和顶管管道的倾斜度过大和存在倾覆风险，进而出现管节卡死、间隙渗漏等问题，甚至导致海底高压水及泥沙涌入顶管管道内从而造成人身伤害和引水工程报废。这些容易出现且后果严重的施工质量问题，要求对于海底顶管垂直顶升施工全过程中的水平隧道下卧地层的基床系数、沉降量和不均匀沉降量等地层-结构力学特性参数开展较高标准的实时监测和控制。
3、目前，海底顶管垂直顶升施工过程中对于水平隧道下卧地层稳定性的主要保障方式是施工前地基加固和工后检测，包括施工前注浆加固下卧地层、施工后检查施工记录、顶管管道倾斜度检测、水平隧道位移检测等，这些做法都属于事前或事后检测，未能在施工期间实时监测并即时调整施工方式进而控制施工质量。
4、当前亟需针对海底顶管垂直顶升施工提出相应的地层-结
技术实现思路
1、针对现有技术不足，本专利技术提出了垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统及方法，适用于海底排水隧洞排水头部结构的顶管管道垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监测和控制，有利于实现对海底顶管垂直顶升施工技术参数的实时监测和控制，提高海底顶管垂直顶升施工的信息化施工水平和安全可靠性。
2、本申请第一方面公开了垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，该系统包括数据采集子系统、数据库子系统、数据处理子系统和决策子系统；
3、所述数据采集子系统包括地层压力传感器和地层位移传感器；其中，所述地层压力传感器布设于水平隧道的衬砌外表面，用于获取作用于水平隧道衬砌外表面的地层压力数据；所述地层位移传感器布设于水平隧道的衬砌外表面，用于获取水平隧道周边地层的地层位移数据；
4、所述数据库子系统包括数据传输模块、数字孪生数据库和控制标准数据库；其中，所述数据传输模块用于在所述数据采集子系统与所述数字孪生数据库之间建立数据连接和传输；所述数字孪生数据库用于存储所述数据采集子系统获取的地层-结构力学特性数据，以及用于存储与当前隧道衬砌结构相似的其他隧道衬砌结构在不同顶升反力、不同地质条件下的地层-结构力学特性数据；所述控制标准数据库用于储存海底顶管垂直顶升施工中的地层-结构力学特性数据控制标准；
5、所述数据处理子系统包括数据预处理模块和数据分析模块；其中，所述数据预处理模块用于对所述数字孪生数据库存储的原始数据进行预处理以减少数据噪声和冗余；所述数据分析模块用于对数据进行运算和分析，实时判断海底顶管垂直顶升施工的地层-结构力学特性技术参数是否处于预期范围内；
6、所述决策子系统包括预警模块和反馈控制模块；其中，所述预警模块用于根据所述数据分析模块的判断结果来控制报警器发出预警；所述反馈控制模块用于根据所述数据分析模块的判断结果来控制设于水平隧道内的顶升装置，进而调控施工方式。
7、优选地，所述顶升装置包括顶升装置支架、千斤顶和顶升装置底座，所述千斤顶位于所述顶升装置底座的上方及所述顶升装置支架的下方；所述顶升装置支架位于顶管管道的底部；所述顶升装置底座支承于水平隧道底部衬砌上，且所述顶升装置底座的中轴线与所述顶管管道的中轴线重合。
8、优选地，所述千斤顶共4个，且沿所述顶升装置底座的中轴线呈中心对称分布。
9、本申请第二方面公开了垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统的方法，所述方法包括：
10、s100、下卧地层的平均地层竖向位移监测：海底顶管垂直顶升施工期间通过布设于水平隧道的衬砌外表面上的所述地层位移传感器，获取水平隧道衬砌结构与下卧地层相互作用下的地层位移；下卧地层的平均地层竖向位移ss0满足以下表达式：
11、
12、其中，ssn为第n个所述地层位移传感器测得的垂直顶升施工期间的水平隧道衬砌外表面上相应位置的下卧地层竖向位移；[ss0]为平均地层竖向位移限值；
13、当所述数据处理子系统经过分析后判断下卧地层的平均地层竖向位移ss0未满足要求时，通过所述预警模块控制报警器发出预警；
14、s200、下卧地层竖向压力监测及竖向基床系数计算：海底顶管垂直顶升施工期间通过布设于水平隧道的衬砌外表面上的所述地层压力传感器，获取水平隧道衬砌结构与下卧地层相互作用下的地层压力的竖向分量，进而计算得到相应位置的竖向基床系数khn；所述竖向基床系数khn满足以下表达式：
15、
16、其中，psn为第n个所述地层压力传感器测得的垂直顶升施工期间的水平隧道衬砌外表面上相应位置的下卧地层竖向压力；
17、s300、下卧地层不均匀沉降监测：海底顶管垂直顶升施工期间通过布设于水平隧道的衬砌外表面上的所述地层压力传感器和所述地层位移传感器，获取水平隧道衬砌结构与下卧地层相互作用下的地层压力和地层位移；
18、下卧地层的地层不均匀沉降δss满足以下表达式：
19、δss＝|ssnmax-ssnmin|≤[δss]
20、其中，ssnmax为所述地层位移传感器测得的下卧地层竖向位移的最大值，ssnmin为所述地层位移传感器测得的下卧地层竖向位移的最小值，[δss]为下卧地层不均匀沉降限值；
21、s400、下卧地层不均匀沉降控制：当所述数据处理子系统经过分析后判断步骤s300所述的不均匀沉降δss未满足要求时，通过所述预警模块控制报警器发出预警，并根据反馈控制模块根据不均匀沉降δss的量值大小及其方位角调整所述千斤顶的压力值，为此需要计算由下卧地层不均匀沉降引起的对于顶升设备中轴线的地层反力合力矩ms，地层反力合力矩ms满足以下表达式：
22、
23、其中，da为顶升装置底座范围内的单位面积，dkn为该单位面积与顶升设备中轴线的水平位移；
24、将地层反力合力矩ms沿水平方向x轴和y轴分解为msx和msy，即msx为地层反力合力矩ms沿x轴方向的分量，且msx的旋转轴为x轴；msy为地层反力合力矩ms沿y轴方向的分量，且msy的旋转轴为y轴；则对于第n个千斤顶沿着x轴方向旋转时的附加顶力δtxn和沿着y本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，其特征在于，包括数据采集子系统、数据库子系统、数据处理子系统和决策子系统；
2.根据权利要求1所述的垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，其特征在于：所述顶升装置包括顶升装置支架、千斤顶和顶升装置底座，所述千斤顶位于所述顶升装置底座的上方及所述顶升装置支架的下方；所述顶升装置支架位于顶管管道的底部；所述顶升装置底座支承于水平隧道底部衬砌上，且所述顶升装置底座的中轴线与所述顶管管道的中轴线重合。
3.根据权利要求2所述的垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，其特征在于：所述千斤顶共4个，且沿所述顶升装置底座的中轴线呈中心对称分布。
4.一种监控方法，其特征在于，用于如权利要求1-3所述的任一垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，所述监控方法包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，其特征在于，包括数据采集子系统、数据库子系统、数据处理子系统和决策子系统；
2.根据权利要求1所述的垂直顶升施工中的地层-结构力学特性监控系统，其特征在于：所述顶升装置包括顶升装置支架、千斤顶和顶升装置底座，所述千斤顶位于所述顶升装置底座的上方及所述顶升装置支架的下方；所述顶升装置支架位于顶管管道的底部；所述顶升装置底座...
【专利技术属性】
技术研发人员：石龙，钟天建，单雪强，吴会君，李振东，刘霖，黄国忠，冯光华，黄泉文，曹玉红，
申请(专利权)人：中交四航局第一工程有限公司，
类型：发明
国别省市：
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