隧道结构健康监测

隧道结构健康监测2015.06.24一，研究的目的二，结构特点三，隧道监测的项目及所选仪器介绍四，结构健康检测系统构成一研究目的隧道在运营过程中，由于受到材料退化、地震、人为因素等影响会发生隧道主体结构的损坏和劣化。若不及时检测和维修，将会导致很大的破坏和坍塌，带来的损失也是非常巨大的。所以对运营期隧道进行实时监测，及时高效地保证隧道主体结构的安全是必要的。二结构特点结构构造主体构造物附属构造物衬砌洞门三，隧道监测的项目及所选仪器介绍监测项目介绍监测所用仪器介绍监测项目围岩监测隧道结构监测地层监测隧道环境检测1、围岩内部位移监测围岩内部位移监测，是通过位移计量测围岩不同深度的轴向位移，据此分析判断隧道围岩位移的变化范围和松弛范围，预测围岩稳定性，为修改锚杆支护参数提供依据。该检测项目所用传感器为位移传感器。根据地质条件，量测断而应选在典型构造地段及埋深较大或较浅地段，一般每隔100m设置一个断而，断层带每隔50m设置一个断而，其余地段断而间距可适当加大，但须保证沿每类围岩至少有一个断而，测点布设情况见图1。图1围岩内部位移测点分布示意图1、裂纹监测裂纹监测，是对裂纹监测，是对隧道裂纹的发展变化进行观测。根据隧道裂纹调查资料，结合隧道实际情况，在隧道布置合适数量的裂纹计对有发展迹象的裂纹进行监测。2、初衬钢拱架应变监测初衬钢拱架作为隧道主要的承重结构，测量其应变，可以掌握隧道围岩的稳定性。一般每10榀钢拱架设一断面，每根钢拱架沿水平中性轴位置左右对称安装2个钢弦式表面应变计，如图2所示。图2初衬钢拱架应变测点布设示意图3、二衬结构内应力监测二衬钢筋铺设完毕未浇注混凝土前截断待测位置的钢筋，将传感器串联在钢筋上，作相关防护并将线路引出即可。或者也可以选用压力盒。将压力盒埋设在一次衬砌和二次衬砌之间，对其结构内应力进行检测。结合地质条件，在代表性地段设断面，测点布设如图3所示。图3二衬结构内应力测点布设示意图4、锚杆轴力监测根据隧道设计和地质情况，一般每10m布置1个断面，每个断面至少布设3根锚杆，如图4所示。在安设锚杆前将锚杆截断，将轴力计串联焊接在距离锚杆孔口0.5~1.0m处，用砂浆锚固装有轴力计的锚杆。图4锚杆轴力测点布设示意图在地质情况复杂地区埋设压力计监测土压力和水压力的变化情况空气质量监测瓦斯浓度监测温度监测通风监测空气质量监测•空气质量检测仪设置位置与台数应根据通风方式及烟雾浓度分布特征确定瓦斯浓度监测•瓦斯传感器安装位置与台数应根据通风方式及煤层分布确定温度监测•温度传感器布设可以根据隧道等级、长度及是否穿过高温地层等确定。通风监测•测点应根据隧道实际情况但至少应满足在隧道两端、中间、人行横道、车行横道、应急停车带和风井等位置安装风速风向传感器。监测所用所用仪器位移计裂缝计振弦式表面应变计钢弦式压力盒锚杆轴力计目前隧道运营监测中采用的传感器系统有：差动电阻式传感器系统、振弦式传感器系统及光纤光栅传感器系统。其中振弦式传感器属于非电量测量，基本不受接引线长度影响，信号传输距离可达一公里，经特殊处理，信号可传输数公里。并且其结构简单，长期稳定性好，易于实现自动化。拟采用振弦式传感器系统作为隧道运营期结构健康监测的主要使用传感器。监测所用所用仪器3.1位移计在围岩内部位移监测中使用的传感器是位移计。位移计适用于长期埋设在水工结构物或土坝、土堤、边坡、隧道等结构物内，测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等，并可同步测量埋设点的温度。振弦式位移计工作原理：当被测结构物发生位移变形时将会通过多点位移计的锚头带动测杆，测杆再拉动位移计的拉杆产生位移变形。位移计拉杆的位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量。振弦式多点位移计可同步测量埋设点的温度值。序号公司功能仪器型号单位单价1南京葛南实业有限公司位移计（智能）VWD-20支15002南京葛南实业有限公司位移计（智能）VWD-50支18003南京葛南实业有限公司位移计（智能）VWD-100支21004南京葛南实业有限公司2向位移计VWD-50组36005南京葛南实业有限公司3向位移计VWD-50组54006金坛市华城凯盛土木工程材料厂位移计DCE0530支800表1振弦式位移计型号及价格3.2裂缝计裂缝监测中使用到裂缝计。裂缝计适用于长期布设在混凝土结构物或者其他材料内及表面上，测量结构伸缩或周边缝的开合度（或变形）。裂缝计可以选用振弦式裂缝计。以某型号振弦式裂缝计为例介绍其组成及工作原理。裂缝计工作原理：当结构物伸缩缝或裂缝的开合度（变形）发生变化时，会使位移计左、右安装座产生相对位移，该位移传递给振弦，使振弦受到应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激拨振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到被测结构物伸缩缝或裂缝相对位移的变化量。序号公司功能型号单位单价1南京葛南实业有限公司裂缝计VWD-20J支15002南京葛南实业有限公司测缝针VWD-20J支15003南京葛南实业有限公司2向测缝针VWD-50J组36004南京葛南实业有限公司3向测缝针VWD-50J组54005北京卓川电子科技有限公司表面裂缝计GK-4420台1000表2振弦式位移计型号及价格3.3振弦式表面应变计初衬钢拱架应变监测中用到钢弦式表面应变计。表面应变计适用于长期安装在水工建筑物或其他混凝土结构物（如梁、柱、衬砌）表面，测量埋设点的线性变形（应变）与应力，同时可兼测埋设点的温度。钢弦式表面应变计工作原理：当结构物受力或因温度变化发生线性伸缩变形时，与结构物刚性固连的应变计产生同步变形，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的固有振动频率。激励与信号拾取装置激励振弦使其发生谐振，同时拾取其振动频率信号，此信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的线性改变量，此改变量与仪器标称长度的比值即为应变量。序号公司功能型号单位单价1南京葛南实业有限公司应变计（智能）VWS-10支5502南京葛南实业有限公司钢板应变计VWS-10B套6303南京葛南实业有限公司表面应变计VWS-10F套6304北京卓川电子科技有限公司表面应变计SS.49-4000/GK-4000支1000表3钢弦式表面应变计型号及价格3.4钢弦式压力盒二衬结构内应力监测中使用的传感器是钢弦式压力盒。压力盒应用于岩土工程中进行介质内应力测量，如围岩与支护结构之间、喷射混凝土于现浇混凝土之间的接触应力监测。压力盒种类有钢弦式压力盒、油腔压力盒等类型，常用钢弦式压力盒。钢弦式压力盒工作原理当被测结构物土应力发生变化时，土压力计感应板同步感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的压应力值。序号公司功能型号单位单价1南京葛南实业有限公司土压力计VWE系列支7002北京卓川电子科技有限公司土压力计SS.55-BF-E支1000表4钢弦式土压力计型号及价格3.5锚杆轴力计振弦式轴力计，又称反力计，是一种振弦式载重传感器，具有分辨力高、抗干扰性能强，对集中载荷反应灵敏、测值可靠性好等优点，能长期测量基础对上部结构的反力，对钢支撑轴力及静压桩实验时的载荷。若加装温度传感器可同步测量安装点的温度。锚杆轴力计工作原理当被测结构物内部的钢筋发生应力变化时，钢筋计将受到拉伸或压缩，钢套同步产生变形，变形使钢筋计感受拉伸或压缩的变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内钢筋所受的应力。锚杆轴力计型号及价格如表5所示。序号公司功能型号单位单价1南京葛南实业有限公司锚杆应力计VWR系列支6502南京葛南实业有限公司锚索测力计VWA系列台32003北京卓川电子科技有限公司钢筋计SS.49-BGK.4911支850表5锚杆轴力计型号及价格4.结构健康监测系统构成数据采集与处理控制子系统传感元件模块数据采集与传输模块数据处理与控制模块结构安全预警与综合评估子系统结构力学行为分析结构安全评价指标体系结构安全预警体系•传感元件模块该模块是整个监测系统最底层的硬件模块其主要功能是：在起控制作用、具有代表性的截面和部位上安装各种类型的传感测试元件数据采集与处理控制子系统•数据采集与传输模块主要功能是通过该模块的采集板卡或调理器将传感器传过来的模拟信号转换成计算机可识别的数字信号并通过有线、无线网络输送到监控中心的数据处理和控制模块数据采集与处理控制子系统•数据采集与传输模块主要功能是通过该模块的采集板卡或调理器将传感器传过来的模拟信号转换成计算机可识别的数字信号并通过有线、无线网络输送到监控中心的数据处理和控制模块数据采集与处理控制子系统•数据处理与控制模块该模块包含监控中心计算机设备和相应的数据处理和分析软件．主要功能是由计算机系统完成数据的预处理、后处理、归档、显示和存储等数据管理，并通过网络设置和控制现场的各个传感测试元件、数据采集站和调理器设备。数据采集与处理控制子系统结构安全预警与综合评估子系统•监测结果将分别传输到设在现场和设在研究中心内的计算机上。根据监测结果，采用有限元程序ANSYS、FLAC等对结果进行分析，对衬砌结构是否会开裂给出预警，给出结构破坏趋势的预测，分析结构变形可能对结果造成的影响和影响范围。依据上述分析结果和安全度分析结果，给出分级预警报告。结构安全预警系统