一種盾構隧道變形無線監測系統及方法技術方案

一種盾構隧道變形無線監測系統和方法，基于管片傾角的測量對盾構隧道變形實現監測和預警，包括Zigbee無線傳感網絡、GPRS數傳終端和數據處理應用中心；Zigbee無線傳感網絡包括相互以無線方式進行數據通訊的多個傾角傳感節點、若干路由節點和一中心節點；Zigbee無線傳感網絡采集的鄰接塊傾角變化量的監測數據通過GPRS數傳終端傳送到數據處理應用中心，數據處理應用中心完成對監測數據的處理、存儲和分析，根據分析結果和預定的閾值實現監測和預警，并向管理人員反饋信息。本發明專利技術科學地確定了合理的預警閾值，優化了傾角傳感節點的安裝位置，具有施工方便、成本低、能耗低、監測精度高和運行穩定可靠等優點，特別適用于對長距離的盾構隧道變形進行大范圍的長期實時監測和預警。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】一種盾構隧道變形無線監測系統和方法，基于管片傾角的測量對盾構隧道變形實現監測和預警，包括Zigbee無線傳感網絡、GPRS數傳終端和數據處理應用中心；Zigbee無線傳感網絡包括相互以無線方式進行數據通訊的多個傾角傳感節點、若干路由節點和一中心節點；Zigbee無線傳感網絡采集的鄰接塊傾角變化量的監測數據通過GPRS數傳終端傳送到數據處理應用中心，數據處理應用中心完成對監測數據的處理、存儲和分析，根據分析結果和預定的閾值實現監測和預警，并向管理人員反饋信息。本專利技術科學地確定了合理的預警閾值，優化了傾角傳感節點的安裝位置，具有施工方便、成本低、能耗低、監測精度高和運行穩定可靠等優點，特別適用于對長距離的盾構隧道變形進行大范圍的長期實時監測和預警。【專利說明】
本專利技術涉及盾構隧道變形的監測，具體涉及一種基于管片傾角測量的盾構隧道變形無線監測系統及方法，屬于建筑結構性態監測
。
技術介紹
在盾構隧道運營期內，由于材料不斷老化導致隧道結構性能不斷退化，同時隧道周圍各類地面和地下空間開發工程的活動不斷進行，這些都會直接造成盾構隧道的變形。隧道變形會引起滲漏水、結構裂損等病害，而滲漏水又會反過來加劇隧道的變形，形成惡性循環。如果任由變形發展，不僅會影響隧道的正常運營，而且將嚴重威脅到盾構隧道的結構安全，危及人民的生命財產安全。因此，盾構隧道的變形監測有很大的必要性。目前用于運營盾構隧道變形的監測方法主要有收斂計法、對邊直徑測量法、自動全站儀法、巴賽特收斂系統、三維激光掃描法等。在上述方法中，收斂計法和對邊直徑測量法受到隧道周邊上各監測點之間相對距離的限制，并且只能求得兩點之間的相對位移，因而無法測得隧道的不對稱變形和縱向位移；自動全站儀和巴賽特收斂系統雖然能夠全面監測隧道變形情況，但是其監測精度和監測效率較低；三維激光掃描法是一種新型無接觸式測量技術，它利用快速激光測距儀發射激光掃描測量，監測精度和監測效率較高，但成本較高，目前難以大規模推廣應用。此外，傳統的變形監測方法的另一個不足在于，由于對運營盾構隧道變形的長期演化規律缺乏深入的研究，同時缺乏可供借鑒的同類工程經驗，因此監測指標預警閾值的設定帶有很大的主觀性，從而使安全預警很難反映隧道結構安全的真實情況。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足和缺陷，提供一種低能耗、高可靠性的盾構隧道變形無線監測系統，基于襯砌管片傾角的測量，利用無線傳感技術組建網絡，對盾構隧道的變形狀況實行大范圍的實時監測并作出相應的預警，以保障運營中隧道的結構安全。本專利技術還提供了一種高精度的基于管片傾角測量的盾構隧道變形無線監測方法。本專利技術解決其技術問題的技術方案是:一種盾構隧道變形無線監測系統，該盾構隧道的襯砌環包括對稱布置于該襯砌環的上半環的兩鄰接塊，其特征在于:所述監測系統基于管片傾角的測量對盾構隧道變形實現監測和預警，包括Zigbee無線傳感網絡、GPRS數傳終端和數據處理應用中心；所述Zigbee無線傳感網絡安裝于所述盾構隧道的現場，包括相互以無線方式進行數據通訊的多個傾角傳感節點、若干路由節點和一中心節點；所述傾角傳感節點布置于所述鄰接塊內壁上的與豎向成45°夾角處，用以采集鄰接塊傾角變化量的監測數據；所述路由節點布置于所述鄰接塊內壁上的與豎向成45°夾角處，用以對來自所述傾角傳感節點的監測數據進行轉發；所述中心節點連接所述GPRS數傳終端，匯聚來自所述傾角傳感節點和路由節點的監測數據，并將整理好的監測數據通過該GPRS數傳終端向所述數據處理應用中心上傳；所述數據處理應用中心包括有云服務器，完成對來自所述Zigbee無線傳感網絡的監測數據的處理、管理、存儲、分析和顯示，根據數據分析結果實現對所述盾構隧道變形的監測和預警，并向管理人員反饋隧道信息；所述數據處理應用中心依據所監測到的鄰接塊傾角變化量并按照下列預警閾值作出相應的預警:當d α < 0.00363rad時，盾構隧道襯砌環的變形處于允許范圍內，無需報警；當0.00363rad ^ da < 0.00560rad時，盾構隧道襯砌環的水平直徑變形超過允許值，發出四級預警；當0.00560rad ^ da < 0.00703rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的環向螺栓發生屈服，發出三級預警；當0.00703rad ^ da ^ 0.00979rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的張開量超過極限值，接頭防水失效，發出二級預警；當d α > 0.00979rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的混凝土受壓破壞，發出一級預警； 式中，da為鄰接塊傾角變化量。作為進一步改進，所述的監測系統還包括本地服務器，該本地服務器連接所述中心節點，接收并保存由該中心節點傳輸來的監測數據。作為進一步改進，所述的傾角傳感節點是包含數據采集單元、數據處理傳輸單元和電池單元的集成電路板，用鐵盒進行整體封裝；所述數據采集單元的核心部件是MEMS傾角傳感器芯片，用以檢測鄰接塊傾角變化量，所述數據處理傳輸單元的核心部件是Zigbee超低能耗微控制器，用以控制監測數據的無線收發，所述電池單元為所述數據采集單元和數據處理傳輸單元提供電源。作為進一步改進，所述的傾角傳感節點沿盾構隧道的縱向間隔I~3m布置，所述路由節點沿盾構隧道的縱向間隔IOOm布置。本專利技術另一技術方案為:一種采用上述系統實施的盾構隧道變形無線監測方法，其包括如下具體步驟:I)安裝所述盾構隧道變形無線監測系統:將多個傾角傳感節點和若干路由節點沿盾構隧道的縱向布置，所有傾角傳感節點和路由節點均固定在襯砌環的鄰接塊的內壁上且位置與豎向成45°夾角，將中心節點布置在地鐵車站的機電系統配電箱內，將GPRS數傳終端和本地服務器布置在盾構隧道的現場并且分別與中心節點連接；2)組建Zigbee無線傳感網絡:接通電源，中心節點啟動協議棧并創建網絡ID，發射允許接入指令，傾角傳感節點和路由節點向中心節點發送加入請求，由中心節點向其分配網絡地址進行綁定；3)進行鄰接塊傾角變化量的監測數據的采集和傳輸:中心節點喚醒傾角傳感節點和路由節點，傾角傳感節點進行鄰接塊傾角變化量的監測數據的采集，并傳輸給中心節點或路由節點，中心節點將來自傾角傳感節點和路由節點的監測數據整理好，通過GPRS數傳終端向數據處理應用中心的云服務器上傳，同時將監測數據傳輸至本地服務器進行保存，監測數據采集和傳輸完成后，傾角傳感節點和路由節點再次進入休眠模式；4)進行盾構隧道變形的監測和預警:數據處理應用中心完成對來自中心節點的監測數據的處理、管理、存儲、分析和顯示，根據數據分析結果實現對盾構隧道變形的監測和預警，并主動向管理人員反饋隧道信息，該數據處理應用中心依據所監測到的鄰接塊傾角變化量并按照下列預警閾值作出相應的預警:當da < 0.00363rad時，盾構隧道襯砌環的變形處于允許范圍內，無需報警；當0.00363rad ^ da < 0.00560rad時，盾構隧道襯砌環的水平直徑變形超過允許值，發出四級預警；當0.00560rad ^ da < 0.00703rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的環向螺栓發生屈服，發出三級預警；當0.00703rad ^ da ^ 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種盾構隧道變形無線監測系統，該盾構隧道的襯砌環包括對稱布置于該襯砌環的上半環的兩鄰接塊，其特征在于：所述監測系統基于管片傾角的測量對盾構隧道變形實現監測和預警，包括Zigbee無線傳感網絡、GPRS數傳終端和數據處理應用中心；所述Zigbee無線傳感網絡安裝于所述盾構隧道的現場，包括相互以無線方式進行數據通訊的多個傾角傳感節點、若干路由節點和一中心節點；所述傾角傳感節點布置于所述鄰接塊內壁上的與豎向成45°夾角處，用以采集鄰接塊傾角變化量的監測數據；所述路由節點布置于所述鄰接塊內壁上的與豎向成45°夾角處，用以對來自所述傾角傳感節點的監測數據進行轉發；所述中心節點連接所述GPRS數傳終端，匯聚來自所述傾角傳感節點和路由節點的監測數據，并將整理好的監測數據通過該GPRS數傳終端向所述數據處理應用中心上傳；所述數據處理應用中心包括有云服務器，完成對來自所述Zigbee無線傳感網絡的監測數據的處理、管理、存儲、分析和顯示，根據數據分析結果實現對所述盾構隧道變形的監測和預警，并向管理人員反饋隧道信息；所述數據處理應用中心依據所監測到的鄰接塊傾角變化量并按照下列預警閾值作出相應的預警：當dα＜0.00363rad時，盾構隧道襯砌環的變形處于允許范圍內，無需報警；當0.00363rad≤dα＜0.00560rad時，盾構隧道襯砌環的水平直徑變形超過允許值，發出四級預警；當0.00560rad≤dα＜0.00703rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的環向螺栓發生屈服，發出三級預警；當0.00703rad≤dα≤0.00979rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的張開量超過極限值，接頭防水失效，發出二級預警；當dα＞0.00979rad時，盾構隧道襯砌環縱縫接頭的混凝土受壓破壞，發出一級預警；式中，dα為鄰接塊傾角變化量。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙鳴，劉旺盛，
申請(專利權)人：趙鳴，劉旺盛，
類型：發明
國別省市：上海;31