一种盾构隧道管片、监控系统及监控方法

摘要

本公开提供了一种盾构隧道管片、监控系统及监控方法。其中，一种盾构隧道管片包括管片主体，其呈八分之一圆弧状；管片主体两侧相对位置处均设置有立方块，所述立方块埋设有渗压管，所述渗压管内设置有渗压传感器，渗压传感器用于实时监测渗水压力；所述立方块内还埋设有集成气体传感器，集成气体传感器用于实时监测隧道内有害气体类型及浓度；管片主体内埋设有位移传感器，位移传感器用于实时监测隧道位移变形；距离管片主体内壁1/3处和外壁1/3处均设置有隔水层；管片主体的边缘均设置有密封层。

权利要求

1.一种隧道监控系统，其特征在于，包括：

在隧道内间隔设置的中继器以及若干个盾构隧道管片，这些盾构隧道管片包裹整个隧道断面；

所述盾构隧道管片内的渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器与中继器相连；所述中继器用于接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报警；

所述中继器还与控制中心相连；所述控制中心还用于对隧道压力变化进行预测，进而判断出隧道的稳定性，其过程为：调取EDEM软件程序对盾构隧道管片建模；

构建地层模型，进而结合盾构隧道管片模型，得到隧道模型；

初始化盾构隧道管片及地层土体参数；

耦合EDEM软件与FLUENT软件，接收盾构隧道管片预设气压数据以及实时获取的隧道渗水压力，对隧道模型进行数值计算得到盾构隧道管片的变形值，再与预设安全临界值比较，预测隧道是否稳定。

2.如权利要求1所述的隧道监控系统，其特征在于，所述中继器还与报警装置相连。

3.如权利要求1所述的隧道监控系统，其特征在于，所述盾构隧道管片包括：管片主体，其呈八分之一圆弧状；

管片主体两侧相对位置处均设置有立方块，所述立方块埋设有渗压管，所述渗压管内设置有渗压传感器，渗压传感器用于实时监测隧道渗水压力；所述立方块内还埋设有集成气体传感器，集成气体传感器用于实时监测隧道内有害气体类型及浓度；

管片主体内埋设有位移传感器，位移传感器用于实时监测隧道位移变形；距离管片主体内壁1/3处和外壁1/3处均设置有隔水层；管片主体的边缘均设置有密封层。

4.如权利要求3所述的隧道监控系统，其特征在于，管片主体由塑性混凝土浇筑钢筋骨架构成，实现强度的同时满足协同变形。

5.如权利要求3所述的隧道监控系统，其特征在于，隔水层由聚丙烯纤维材料制成。

6.如权利要求3所述的隧道监控系统，其特征在于，密封层为高聚合度聚氯乙烯联结带。

7.如权利要求3所述的隧道监控系统，其特征在于，集成气体传感器由电化学一氧化碳传感器、电化学硫化氢传感器、电化学二氧化硫传感器和光干涉甲烷传感器组成，分别用于监测一氧化碳、硫化氢、二氧化硫和甲烷及其相应浓度。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述隧道监控系统的隧道监控方法，其特征在于，包括：将隧道分成若干段，每段均设置有一个中继器以及若干个盾构隧道管片，这些盾构隧道管片包裹整个隧道断面；

接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报警。

9.如权利要求8所述的隧道监控方法，其特征在于，所述隧道监控系统的监控方法，还包括：对隧道压力变化进行预测，进而判断出隧道的稳定性，其过程为：调取EDEM软件程序对盾构隧道管片建模；

构建地层模型，进而结合盾构隧道管片模型，得到隧道模型；

初始化盾构隧道管片及地层土体参数；

耦合EDEM软件与FLUENT软件，接收盾构隧道管片预设气压数据以及实时获取的隧道渗水压力，对隧道模型进行数值计算得到盾构隧道管片的变形值，再与预设安全临界值比较，预测隧道是否稳定。

说明书

一种盾构隧道管片、监控系统及监控方法

技术领域

[0001] 本公开属于隧道施工监控技术领域，尤其涉及一种盾构隧道管片、监控系统及监控方法。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 管片是盾构法施工的“灵魂”。作为隧道的永久衬砌结构,管片设计的成功与否直接关系到盾构隧道的质量和寿命。管片的自防渗性能和管片间的密封性是隧道防渗漏、控
制进入隧道内有害气体浓度的最关键因素。同时，隧道围岩的稳定性直接关系到隧道的安
全运营。

[0004] 目前，我国城市地下盾构隧道断面多为圆形，单层钢筋混凝土管片是目前使用最多的盾构隧道的衬砌结构形式之一。随着地铁在各地区进一步的建设，面对日益复杂的地
下工程施工环境，发明人发现，尤其是在富水富气地层发育区仍没有针对性的应用管片。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本公开提供一种盾构隧道管片、监控系统及监控方法，其可适用于多种复杂地质情况，对隧道进行实时监控及预警，能够达到灾害前兆预警及风险管控的目的。

[0006] 为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

[0007] 本公开的第一方面提供一种盾构隧道管片，其包括：

[0008] 管片主体，其呈八分之一圆弧状；

[0009] 管片主体两侧相对位置处均设置有立方块，所述立方块埋设有渗压管，所述渗压管内设置有渗压传感器，渗压传感器用于实时监测隧道渗水压力；所述立方块内还埋设有
集成气体传感器，集成气体传感器用于实时监测隧道内有害气体类型及浓度；

[0010] 管片主体内埋设有位移传感器，位移传感器用于实时监测隧道位移变形；距离管片主体内壁1/3处和外壁1/3处均设置有隔水层；管片主体的边缘均设置有密封层。

[0011] 本公开的第二方面提供一种隧道监控系统，其包括：

[0012] 在隧道内间隔设置的中继器以及若干个如上述所述的盾构隧道管片，这些盾构隧道管片包裹整个隧道断面；

[0013] 所述盾构隧道管片内的渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器与中继器相连；所述中继器用于接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水
压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报
警。

[0014] 本公开的第三方面提供一种隧道监控方法，其包括：

[0015] 将隧道分成若干段，每段均设置有一个中继器以及若干个盾构隧道管片，这些盾构隧道管片包裹整个隧道断面；

[0016] 接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报警。

[0017] 本公开的有益效果是：

[0018] (1)本公开的盾构隧道管片可适用于多种复杂地质情况，能够对隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度以及隧道位移变形机进行实时监控，盾构隧道管内设置有隔水
层，管片主体的边缘均设置密封层，具备优良防渗性，提高了盾构隧道管的工作稳定性。

[0019] (2)本公开的隧道监控系统及监控能够方法，通过接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，
并与相应安全阈值比较，判断是否报警，实现了灾害前兆预警及风险管控，保障了隧道的稳定性。

附图说明

[0020] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0021] 图1是本公开实施例的盾构隧道管片示意图；

[0022] 图2是本公开实施例的盾构隧道管片侧视图；

[0023] 图3是本公开实施例的盾构隧道管片俯视图；

[0024] 图4是本公开实施例中两个相邻盾构隧道管片的拼接方式示意图。

[0025] 其中，1.管片主体，2.立方块，3.隔水层，4.密封层，5.螺栓。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

[0027] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0028] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0029] 在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

[0030] 本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

[0031] 实施例1

[0032] 本实施例的盾构隧道管片，其包括：

[0033] 管片主体1，其呈八分之一圆弧状，如图1所示，；

[0034] 管片主体1两侧相对位置处均设置有立方块2，所述立方块埋设有渗压管，所述渗压管内设置有渗压传感器，渗压传感器用于实时监测隧道渗水压力；所述立方块内还埋设
有集成气体传感器，集成气体传感器用于实时监测隧道内有害气体类型及浓度；

[0035] 管片主体内埋设有位移传感器，位移传感器用于实时监测隧道位移变形；距离管片主体内壁1/3处和外壁1/3处均设置有隔水层3，如图2所示，；管片主体1的边缘均设置有密封层4，如图3所示。

[0036] 在具体实施中，管片主体由塑性混凝土浇筑钢筋骨架构成，实现强度的同时满足协同变形。

[0037] 上述技术方案的优点在于，塑性混凝土弹模低、极限应变大，与软性围岩亲和，强度随围压直线增大，同时具备优良防渗性，使用塑性混凝土浇筑钢筋骨架大大提高了隧道的安全性。

[0038] 在具体实施中，隔水层由聚丙烯纤维材料制成。

[0039] 其中，聚乙烯纤维是一种柔性防水隔气材料，化学性质稳定，抗老化能力强，具有良好的耐热性和耐寒性，本实施例的隔水层由聚丙烯纤维材料制成，满足了管片协同小变形，极大增强了隧道管片的致密性，提高了隧道空间防渗水、防渗气性能，大大提高了隧道安全防范等级。

[0040] 在具体实施中，密封层为高聚合度聚氯乙烯联结带。

[0041] 其中，高聚合度聚氯具有高强度、高韧性、抗压性、阻燃性好、耐腐性等优点。在管片连接处均采用高聚合度聚氯乙烯能够进一步提高隧道的安全密闭性，管控大型灾害发生蔓延风险。

[0042] 在具体实施中，集成气体传感器由电化学一氧化碳传感器、电化学硫化氢传感器、电化学二氧化硫传感器和光干涉甲烷传感器组成，分别用于监测一氧化碳、硫化氢、二氧化硫和甲烷及其相应浓度。

[0043] 如图4所示，任意两个相邻的盾构隧道管片之间通过螺栓5固定连接。

[0044] 需要说明的是，本领域根据实际情况也可采用其他固定方式将任意两个相邻的盾构隧道管片固定连接。

[0045] 本实施例的盾构隧道管片可适用于多种复杂地质情况，能够对隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度以及隧道位移变形机进行实时监控，盾构隧道管内设置有隔水
层，管片主体的边缘均设置密封层，具备优良防渗性，提高了盾构隧道管的工作稳定性。

[0046] 实施例2

[0047] 本实施例的隧道监控系统，其包括：

[0048] 在隧道内间隔设置的中继器以及若干个如实施例1所述的盾构隧道管片，这些盾构隧道管片包裹整个隧道断面；

[0049] 所述盾构隧道管片内的渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器与中继器相连；所述中继器用于接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水
压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报
警。

[0050] 在具体实施中，任意两个相邻的盾构隧道管片之间通过螺栓固定连接。

[0051] 需要说明的是，本领域根据实际情况也可采用其他固定方式将任意两个相邻的盾构隧道管片固定连接。

[0052] 例如：当隧道渗水压力大于或等于隧道渗水压力安全阈值时，输出隧道渗水报警信息；

[0053] 当隧道内任一有害气体的浓度大于或等于安全浓度阈值时，输出隧道有害气体报警信息；其中，有害气体包括但不限于一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷等气体；

[0054] 当隧道位移变形大于或等于隧道位移安全阈值时，输出隧道位移变形报警信息。

[0055] 其中，隧道渗水压力安全阈值、安全浓度阈值和隧道位移安全阈值均为已知数值。

[0056] 作为一种具体实施方式，所述中继器还与报警装置相连。

[0057] 其中，报警装置包括但不限于预警铃和警示灯。

[0058] 本实施例通过接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报警，实现了灾害前兆预警及风险管控，保障了隧道的稳定性。

[0059] 作为另一种实施方式，所述中继器还与控制中心相连；所述控制中心还用于对隧道压力变化进行预测，进而判断出隧道的稳定性，其过程为：

[0060] 调取EDEM软件程序对盾构隧道管片建模；

[0061] 构建地层模型，进而结合盾构隧道管片模型，得到隧道模型；

[0062] 初始化盾构隧道管片及地层土体参数；

[0063] 耦合EDEM软件与FLUENT软件，接收盾构隧道管片预设气压数据以及实时获取的隧道渗水压力，对隧道模型进行数值计算得到盾构隧道管片的变形值，再与预设安全临界值
比较，预测隧道是否稳定。

[0064] 其中，EDEM是世界上第一个用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。

[0065] FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60％，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。

[0066] 本实施例还通过数值分析耦合接口，实现压力变化预测，进而对隧道的稳定性进行分析与评判，提高隧道稳定性预测的准确性，保障隧道的结构的稳定性。

[0067] 实施例3

[0068] 本实施例的一种隧道监控方法，其包括：

[0069] 将隧道分成若干段，每段均设置有一个中继器以及若干个如实施例1所述的盾构隧道管片，这些盾构隧道管片包裹整个隧道断面；

[0070] 接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报警。

[0071] 本实施例通过接收渗压传感器、集成气体传感器和位移传感器分别上传的隧道渗水压力、隧道内有害气体类型及浓度和隧道位移变形，并与相应安全阈值比较，判断是否报警，实现了灾害前兆预警及风险管控，保障了隧道的稳定性。

[0072] 在另一实施例中，所述隧道监控系统的监控方法，还包括：

[0073] 对隧道压力变化进行预测，进而判断出隧道的稳定性，其过程为：

[0074] 调取EDEM软件程序对盾构隧道管片建模；

[0075] 构建地层模型，进而结合盾构隧道管片模型，得到隧道模型；

[0076] 初始化盾构隧道管片及地层土体参数；

[0077] 耦合EDEM软件与FLUENT软件，接收盾构隧道管片预设气压数据以及实时获取的隧道渗水压力，对隧道模型进行数值计算得到盾构隧道管片的变形值，再与预设安全临界值
比较，预测隧道是否稳定。

[0078] 其中，EDEM是世界上第一个用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。

[0079] FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60％，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。

[0080] 本实施例还通过数值分析耦合接口，实现压力变化预测，进而对隧道的稳定性进行分析与评判，提高隧道稳定性预测的准确性，保障隧道的结构的稳定性。

[0081] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。