沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統及方法
【專利摘要】本發明提供了一種沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統及方法，包括若干個壓力盒、多通道數據采集儀、數據處理與分析模塊，所述壓力盒將采集的實時數據通過多通道數據采集儀傳輸至數據處理與分析模塊；所述壓力盒埋設在管底位置，用于根據數據處理與分析模塊設定的采集頻率采集管底的壓力值；所述多通道數據采集儀與壓力盒相匹配，用于將壓力盒采集的實時壓力數據以線纜或無線傳輸裝置傳輸至數據處理與分析模塊；所述數據處理與分析模塊，用于控制壓力盒的采集頻率，并對接收到的管底實時壓力值進行分析處理，展現各采集點的灌砂狀態。本發明能夠實時監測砂積盤的形成及其變化狀態，且結構簡單，使用便捷，監測結果更加可靠。
【專利說明】
沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及沉管隧道技術領域，具體地，涉及一種沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統及方法。
【背景技術】
[0002]灌砂法現已成為沉管隧道基礎處理的主要施工方法之一。由于基礎灌砂在水下實施，砂基礎的質量直接關系到沉管隧道的工程質量與建成后隧道的安全運營，因此，對沉管隧道基礎灌砂施工進行實時監測顯得十分必要。
[0003]目前，沉管隧道基礎灌砂施工的監測，常用以下幾種方法:
[0004](I)砂量控制
[0005]根據基槽深度及沉放后管段底部高程估算管段的灌砂量。由于水流的影響，一部分砂會被水流帶走，而這部分砂量是難于估算的;此外，基槽形狀的差異性對砂量的控制也會產生較大影響。故以灌砂量作為標準控制灌砂效果并不可靠。
[0006](2)出口壓力監測
[0007]在灌砂過程中監測砂栗出口壓力，當壓力值超過某一限值(如0.1MPa)時，認為管段處于臨界頂高狀態。由于砂栗出口壓力限制在灌砂孔附近，而對于砂積盤是否接觸到管段底部，該指標并不能給出合理的判斷。
[0008](3)位移測量
[0009]在管內測量管段標高的變化，當管段達到一定的頂高量時認為灌砂充實度達到要求。由于砂在空隙中并非均勻分布，管段標高的變化無法全面地反映基槽與管段底面間砂盤的充滿程度。
[0010](4)潛水探摸
[0011 ]由潛水員下水探摸砂盤的形成及周圍砂孔的充砂情況。顯然，潛水員探摸范圍僅局限于管段四周，對于管段中間的部位無能為力。
[0012]由于上述方法的局限性，在灌砂施工中面臨著無法實時監測砂積盤的形成及其變化狀態，從而易導致灌砂孔堵孔以及基礎未充分填充，無法為停止灌砂提供相應的判斷標準(依據)等問題。
【發明內容】
[0013]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統及方法。
[0014]根據本發明提供的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，包括若干個壓力盒、多通道數據采集儀、數據處理與分析模塊，所述壓力盒將采集的實時數據通過多通道數據采集儀傳輸至數據處理與分析模塊；
[0015]所述壓力盒埋設在管底位置，用于根據數據處理與分析模塊設定的采集頻率采集管底的壓力值；
[0016]所述多通道數據采集儀與壓力盒相匹配，用于將壓力盒采集的實時壓力數據以線纜或無線傳輸裝置傳輸至數據處理與分析模塊；
[0017]所述數據處理與分析模塊，用于控制壓力盒的采集頻率，并對接收到的管底實時壓力值進行分析處理，展現各采集點的灌砂狀態。
[0018]優選地，所述壓力盒采用土壓力盒，具體地，采用振弦式土壓力盒。
[0019]優選地，所述多通道數據采集儀為振弦式數據采集儀，所述振弦式數據采集儀能夠按照設定的采集頻率進行數據采集，并設有數據存儲區域。
[0020]優選地，所述數據處理與分析模塊能夠控制壓力盒的采集方式、采集時間間隔，并實時監測各采集點的灌砂狀態。
[0021]優選地，所述數據處理與分析模塊包括:計算機、單片機以及智能設備上的控制裝置中的任一種裝置。
[0022]根據本發明提供的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測方法，包括如下步驟:
[0023]管底壓力采集步驟:通過壓力盒按照設定的采集頻率采集管底的壓力值；
[0024]數據傳輸步驟:將壓力盒采集的官底壓力值通過多通道數據采集儀以線纜或無線傳輸裝置傳輸至數據處理與分析模塊；
[0025]數據處理步驟:控制壓力盒的采集頻率，并對接收到的管底實時壓力值進行分析處理，展現各采集點的灌砂狀態。
[0026]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0027]1、本發明根據灌砂孔位置在管節底板呈同心放射狀等間距埋設壓力盒，預設數據采集頻率，由多通道數據采集儀采集數據并傳送至計算機，通過相關數據處理與分析軟件實時監測與展現灌砂施工過程中管底壓力變化情況，進而確定砂積盤擴散狀態，為基礎灌砂施工的實施提供科學依據。
[0028]2、相比傳統的監測方法，本發明能夠實時監測砂積盤的形成及其變化狀態，且結構簡單，使用便捷，監測結果更加可靠。
【附圖說明】
[0029]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0030]圖1為本發明的系統結構框圖；
[0031 ]圖2為本發明灌砂孔與壓力盒平面布置示意圖；
[0032]圖3為本發明中壓力盒預埋結構橫斷面示意圖；
[0033]圖4為本發明實施例的灌砂壓力監測過程圖；
[0034]圖5為本發明實施例通過觀察窗觀測與壓力盒監測結果對照圖。
[0035]圖中:
[0036]21-灌砂孔；
[0037]22-壓力盒；
[0038]33-底板；
[0039]34-套管；
[0040]35-線纜。
【具體實施方式】
[0041]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0042]根據本發明提供的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，埋設在管底的壓力盒、多通道數據采集儀、計算機及相應的數據處理與分析軟件。
[0043]所述壓力盒為預埋在管段底部的高精度土壓力盒；
[0044]所述多通道數據采集儀為與土壓力盒配套的裝置，通過線纜與壓力盒連接，并通過線纜或無線傳輸裝置將采集的數據傳送至計算機；
[0045]所述計算機通過數據采集軟件為各個土壓力盒設定數據采集頻率，并對所采集數據進行實時監測；
[0046]所述數據處理與分析軟件對各個壓力盒所采集數據進行實時分析，展示各采點的灌砂狀態。
[0047]所述壓力盒采用高精度土壓力盒，通常為振弦式土壓力盒，是一種埋入式壓力傳感器，其量程通常小于0.2MPa，分辨率高于0.1% (F.S)。
[0048]所述多通道數據采集儀為振弦式數據采集儀，采集儀可按預定的采集頻率自動采集，并具有存儲功能。
[0049]所述計算機通過土壓力盒配套軟件控制數據采集方式、采集時間間隔及監控數據狀況。
[0050]所述的數據處理與分析軟件具有數據的監測與甄別功能，并通過各采點的壓力對灌砂狀況做出評判。
[0051]所述壓力盒根據灌砂孔位置在管節底板呈同心放射狀等間距埋設，其間距可根據量測精度并結合實際情況確定(通常可設定I?2m的間距)；各壓力盒通過線纜與多通道數據采集儀連接，應用與壓力盒配套的采集軟件預設數據采集頻率;多通道數據采集儀將采集數據通過線纜或無線傳輸方式傳送至計算機，利用計算機中的相關數據處理與分析軟件實時反映灌砂施工過程中管底壓力變化情況;通過灌砂模擬實驗確定砂積盤擴展的壓力門檻值，進而實時展現管底灌砂的進程，確定砂積盤擴散狀態，為灌砂施工的實施提供理論依據。
[0052]具體地，如圖1所示，沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統由若干個壓力盒、多通道數據采集儀和計算機及數據分析軟件組成。
[0053]如圖2所示，以灌砂孔21為中心，壓力盒22按等間距同心放射狀對稱地埋設于管段底部。
[0054]如圖3所示，壓力盒22固定在模型底板33上，其線纜35通過套管34保護并作防水處理。
[0055]本發明技術方案的具體實施例:
[0056]通過大型沉管隧道等比例基礎灌砂模型試驗的觀察結果作為本發明的實施例。某大型沉管隧道等比例基礎灌砂模型試驗平臺包括:尺寸為52mX30mX 2m大型水池，以及底部與四周封閉且上部開口、尺寸為25mX 23.5mX 0.3m具有4個灌砂孔的鋼筋混凝土結構模型。在此模型底板沿各灌砂孔徑向45°呈同心放射狀等間距埋設壓力盒(壓力盒為振弦式土壓力盒，其量程為0.2MPa，分辨率0.I % (F.S))，壓力盒與灌砂孔中心距離分別為2m、4m、6m和8m，以監測灌砂過程中底板壓力的變化。在模型底板沿各灌砂孔徑向90°等間隔設置高強有機玻璃觀察窗(0.6m X 0.25m)，以觀察灌砂過程中砂盤充滿程度及擴展半徑等。按設計砂盤擴散半徑7.5m實施灌砂作業。在灌砂過程中，壓力盒按間隔15分鐘的采樣頻率對底板壓力進行了監測。
[0057]圖4為灌砂過程中距灌砂孔孔心分別為2m、4m、6m和Sm處底板壓力隨灌砂時間的變化關系圖。圖4表明灌砂過程中距灌砂孔孔心不同距離的底板壓力呈現類似的變化規律，隨灌砂時間的持續底板壓力呈波浪型起伏而逐漸增大，底板壓力的起伏狀況與砂積盤形成與消散狀況相對應。距灌砂孔近的壓力變化更頻繁且壓力更大，距離灌砂孔較遠處的壓力在灌砂前期不敏感，而后逐步發生影響。
[0058]圖5為由觀察窗觀測的砂盤擴散半徑與距灌砂孔孔心不同距離處壓力盒監測結果對照圖。通過對觀測數據分析結合圖5可得出砂積盤擴展的壓力門檻值為9.56kPa。基于該壓力門檻值可跟蹤管底灌砂的進程，掌握砂積盤擴散狀態。
[0059]本發明采用預埋壓力盒監測沉管隧道基礎灌砂施工的方法，不僅能夠監測所處區域的壓力，而且能反映砂積盤的形成與消散狀況，具有便捷性和實用可行性。
[0060]本領域技術人員知道，除了以純計算機可讀程序代碼方式實現本發明提供的系統及其各個裝置以外，完全可以通過將方法步驟進行邏輯編程來使得本發明提供的系統及其各個裝置以邏輯門、開關、專用集成電路、可編程邏輯控制器以及嵌入式微控制器等的形式來實現相同功能。所以，本發明提供的系統及其各項裝置可以被認為是一種硬件部件，而對其內包括的用于實現各種功能的裝置也可以視為硬件部件內的結構;也可以將用于實現各種功能的裝置視為既可以是實現方法的軟件模塊又可以是硬件部件內的結構。
[0061]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發明的實質內容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。
【主權項】
1.一種沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，其特征在于，包括若干個壓力盒、多通道數據采集儀、數據處理與分析模塊，所述壓力盒將采集的實時數據通過多通道數據采集儀傳輸至數據處理與分析模塊； 所述壓力盒埋設在管底位置，用于根據數據處理與分析模塊設定的采集頻率采集管底的壓力值； 所述多通道數據采集儀與壓力盒相匹配，用于將壓力盒采集的實時壓力數據以線纜或無線傳輸裝置傳輸至數據處理與分析模塊； 所述數據處理與分析模塊，用于控制壓力盒的采集頻率，并對接收到的管底實時壓力值進行分析處理，展現各采集點的灌砂狀態。2.根據權利要求1所述的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，其特征在于，所述壓力盒采用土壓力盒，具體地，采用振弦式土壓力盒。3.根據權利要求1所述的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，其特征在于，所述多通道數據采集儀為振弦式數據采集儀，所述振弦式數據采集儀能夠按照設定的采集頻率進行數據采集，并設有數據存儲區域。4.根據權利要求1所述的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，其特征在于，所述數據處理與分析模塊能夠控制壓力盒的采集方式、采集時間間隔，并實時監測各采集點的灌砂狀態。5.根據權利要求1所述的沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測系統，其特征在于，所述數據處理與分析模塊包括:計算機、單片機以及智能設備上的控制裝置中的任一種裝置。6.一種沉管隧道基礎灌砂管底壓力監測方法，其特征在于，包括如下步驟: 管底壓力采集步驟:通過壓力盒按照設定的采集頻率采集管底的壓力值； 數據傳輸步驟:將壓力盒采集的官底壓力值通過多通道數據采集儀以線纜或無線傳輸裝置傳輸至數據處理與分析模塊； 數據處理步驟:控制壓力盒的采集頻率，并對接收到的管底實時壓力值進行分析處理，展現各采集點的灌砂狀態。
【文檔編號】E02D33/00GK105862940SQ201610307255
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月10日
【發明人】吳剛, 萬義輝, 章勇, 王海龍, 郭俊, 沈永芳, 周恩先, 奚笑舟
【申請人】上海交通大學, 南昌市政公用投資控股有限責任公司, 上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司