Устройство и способ мониторинга технического состояния туннелей

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля пространственных перемещений блоков туннелей. Сущность: устройство содержит три упругих стержня, снабженных тензорезисторами. Упругие стержни одним концом закреплены на пластине, расположенной на внутренней стороне у торца блока туннеля. Другие концы упругих стержней соединены вместе на упорном стержне. Упорный стержень закреплен на пластине, аналогичной первой, расположенной на внутренней стороне у торца соседнего блока туннеля. Не менее трех устройств располагают в каждом деформационном шве на исследуемом участке туннеля, фиксируют на ЭВМ регистратора входных сигналов от тензорезистров вектора положения каждого блока. Принимают образованный всеми точками пространственный каркас в качестве базы отсчета. Периодически проводят измерения, сопоставляют текущие изменения положения блоков с базой отсчета. Формируют матрицу отклонений точек пространственного каркаса. Фиксируют изменения и определяют, находятся ли изменения в пределах допустимых. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля пространственных перемещений блоков туннелей.

При исследовании надежности строительных конструкций, особенно туннельных конструкций, имеется большая необходимость учитывать сейсмическое воздействие. Например, Северо-Муйский железнодорожный туннель протяженностью 15.33 км находится в крайне неблагоприятных геологических, гидрологических, сейсмических и горнотехнических условиях.

Надежная и безопасная эксплуатация Северо-Муйского туннеля (СМТ) в большой степени зависит от эффективности мероприятий, направленных на контроль и оценку его технического состояния. Поэтому чрезвычайно важной проблемой для безопасной эксплуатации туннеля является мониторинг за состоянием и расположением блоков туннеля.

Известен многоэлементный транзистор [1], состоящий из двух, трех или четырех однонаправленных тензорезисторов. Каждый из тензорезисторов имеет проволочную чувствительную решетку, диэлектрическую основу и выводные проводки диэлектрической подложки электрического разъема и приемника, многожильного соединительного кабеля.

Каждый однонаправленный тензорезистор состоит из двух участков и промежутка между ними. Участки имеют проволочную чувствительную решетку, решетки последовательно соединены изолированным проводником с малым удельным сопротивлением.

Выведенные провода каждой чувствительной решетки присоединены к электрическому разъему. Многоэлементный тензорезистор при помощи многожильного кабеля подключен к многоканальной измерительной аппаратуре и работает следующим образом.

Перед нагружением конструкции при помощи многоканальной измерительной аппаратуры измеряют номинальное значение электрического сопротивления каждого однонаправленного тензорезистора в устройстве.

При нагружении конструкции по заданной программе поверхность ее деформируется, при этом изменяется номинальное сопротивление каждого однонаправленного тензорезистора, величина которого измеряется и обрабатывается при помощи измерительной аппаратуры и ЭВМ по известной методике.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что оно не обеспечивает мониторинга всего туннеля, а только в локальной точке.

Известно также устройство для регистрации линейных деформаций [2]. Для повышения эффективности использования устройство содержит подвижную и неподвижную опору, установленные на измеряемый объект, гибкую тягу, расположенную между опорами, датчик с чувствительным элементом в виде направленных навстречу друг другу оптических волокон, и передающий элемент, установленный между датчиком и гибкой тягой.

Устройство снабжено консольно закрепленной пластинчатой пружиной с регулятором ее положения, выполненным в виде регулировочного винта, отжимной пластиной, которая жестко связана со свободным концом пластинчатой пружины и установленной перпендикулярно к ней. Чувствительный элемент выполнен в виде двух волоконно-оптических кабелей.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:

На основании технического задания определяется максимально допустимое регистрируемое смещение опоры относительно опоры на здание и расстояние между ними. Затем расчетным путем размещают на пластинчатой пружине шток и отжимную пластину, после чего осуществляют монтаж устройства на здании с последующей настройкой датчика. Суть настройки заключается в том, что с помощью вилки и регулируемого винта устанавливают отжимную пластину в такое положение, при котором потери мощности света в чувствительном элементе датчика превышают минимальные в среднем на 3 дБ.

Установленные таким образом значения потерь принимают соответствующим нулевому положению подвижной опоры.

Смещение опоры на некоторую величину вниз вызовет поворот тяги на некоторый угол, при этом вилка, закрепленная на тяге, через шток, воздействует на консольную часть пластинчатой пружины, прогибая ее вверх. Жестко укрепленная на пластинчатой пружине отжимная пластина взаимодействует с волоконно-оптическим кабелем. При этом уменьшаются потери мощности света, что и регистрируется аппаратурой.

Недостатки: данное устройство также предназначено для регистрации напряжений в локальной точке туннеля и не претендует на проведение мониторинга всего туннеля.

Известен программный комплекс В-34 [3] для определения координат пунктов сети и метрологической оценки точности.

Сущность способа заключается в том, что при вычислении координат определяемых пунктов, удаленных от исходных пунктов, предварительно определенные пункты принимают за исходные, служащие для последующего определения координат удаленных пунктов.

Программный комплекс включает следующее меню:

- уравнивание геодезических сетей нивелирования, трилатерации, триангуляции, полигонометрии пространственных линейных сетей;

- вычисление координат пунктов, включая полярную засечку, прямую угловую засечку по дирекционным направлениям, по углам, на плоскости, вычисление хода полигонометрии, пространственную линейную засечку;

- преобразование координат включает геодезические в плоские прямоугольники, плоские прямоугольники в геодезические, плоские прямоугольники из зоны в зону, геодезические координаты в пространственные прямоугольные, пространственные прямоугольные в геодезические, пространственные прямоугольные от эллипсоида к эллипсоиду;

- метрологические расчеты включают преобразования дифференциальных поправок из системы в систему, оценку точности определяемых пунктов, расчет вероятности определяемых пунктов на плоскости и в пространстве.

Программный комплекс В-34 внедрен в подразделениях ФГУП «Аэрогеодезия» и в других организациях России и Белоруссии.

Предложенный программный комплекс В-34 применим при выполнении крупногабаритных топографических съемок, инженерно-изыскательных и других работ.

Использование данный способ для контроля за техническим состоянием туннеля будет очень дорого, да и невозможно, поскольку туннель находится под землей.

Вместе с тем математический аппарат для определения координат нахождения блоков туннеля можно использовать.

Наиболее близким аналогом является устройство для измерения деформаций и сил [4], содержащее чувствительный элемент в виде упругого кольца с тензорезисторами, опорные стержни и регистр выходных сигналов. Регулировка предварительного натяжения чувствительного элемента осуществляется с помощью рамы с двумя отверстиями - с микрометрической резьбой и гладким, расположенными каждое в противоположных перемычках рамы. Посредством этих отверстий рама взаимодействует с двумя съемными опорными стержнями с шариковыми наконечниками, жестко связанными с упругим кольцом в противоположных местах, при этом соединительные элементы выполнены у одного стержня в виде микрометрического винта, а у другого - головки винта.

Устройство работает следующим образом:

Тензорезисторы подключают к регистрирующему устройству и отмечают показания их в ненагруженном состоянии кольца. Поворотом рамы по часовой стрелке производят предварительное натяжение кольца, величина которого контролируется по показателям регистрирующего устройства. Натяжение осуществляется за счет того, что рама при повороте свободно перемещается в угловом направлении относительно цилиндрической головки соединительного элемента, связанного с опорным стержнем.

После создания необходимого предварительного натяжения устройство устанавливают на испытуемый объект.

При воздействии нагрузки сжатия на измеряемый объект тензорезисторы получают линейную деформацию, при этом изменяется выходной сигнал. По этому изменению сигнала можно определить изменение базы. Недостатки: предложенное устройство также фиксирует только напряжения в локальном месте и не может обеспечить мониторинг всего туннеля, кроме того достаточно дорогое.

Техническим эффектом заявляемого устройства является обеспечение точности с высокой степенью надежности определения пространственного положения блоков туннелей в различных условиях эксплуатации на заданной дистанции.

Такой эффект достигается тем, что устройство для мониторинга технического состояния туннелей содержит тензорезисторы, регистратор выходных сигналов, три упругих стержня, каждый из которых снабжен тензорезистором и закреплен на пластине, расположенной на внутренней стороне у торца блока туннеля, другие концы упругих стержней соединены вместе на упорном стержне, который закреплен на второй пластине, аналогичной первой, расположенной рядом на внутренней стороне у торца соседнего блока туннеля.

Данное устройство используется при осуществлении способа определения технического состояния туннеля, при котором располагают в каждом деформационном шве каждой пары блоков на исследуемом участке туннеля не менее трех устройств для мониторинга технического состояния туннеля, с помощью которых фиксируют вектора перемещения точек блока, определяют картину пространственных смещений каждого блока относительно системы координат, связанной с начальным блоком, строят в этой системе координат пространственный каркас из точек, соответствующих числу устройств, принимают его в качестве базы отсчета, через заданные промежутки времени проводят аналогичные замеры, формируют матрицу отклонений точек пространственного каркаса, фиксируют изменения и определяют, находятся ли изменения в пределах допустимых.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для мониторинга технического состояния туннеля.

На фиг.2 дана схема расположения устройств для мониторинга технического состояния туннеля.

Весь туннель состоит из блоков, на фиг.1 показаны только два блока туннеля 1 и 2, деформационный шов 3. С торца блока 1 установлена пластина 4, а с торца блока 2 установлена пластина 5. Упругие стержни 6 одним концом закреплены на пластине 4, другим концом соединены вместе в узле 8 упорного стержня 9, упорный стержень другим концом упирается в пластину 5. Каждый упругий стержень 6 снабжен тензорезистором 7. Тензорезисторы 7 посредством проводов соединены с регистратором выходных сигналов 10.

Указанные устройства располагаются равномерно у торца блоков туннеля, на фиг.2 показано размещение пластин 5 и вдоль всей длины исследуемой части туннеля.

Устройство работает следующим образом. Под воздействием горных пород блоки 1 и 2 туннеля изменяют свое положение в пространстве, при этом упругие стержни 6 подвергаются деформациям, растяжению или сжатию.

Деформация каждого упругого стержня 6 фиксируется тензорезистором 7, подающим электрический сигнал на регистратор выходных сигналов 10, с последнего сигнал передаются в измерительную систему.

Поскольку каждый тензорезистор 7 закреплен в известной точке упругого стержня 6, известна длина его, то можно определить координату мочки, где расположено устройство.

Если мы будем иметь информацию о размещении устройств в трех точках блока туннеля, то мы получим координаты расположения блока туннеля.

В предложенном способе определения технического состояния туннеля предлагается расположить на каждом деформационном шве каждой пары блоков на исследуемом участке туннеля на менее трех устройств для мониторинга технического состояния туннеля. С помощью этих устройств фиксируют вектор перемещения точек блока, определяют картину пространственных смещений каждого блока относительно системы координат, связанной с начальным блоком. Далее строят в этой системе координат пространственный каркас из точек, соответствующий числу устройств, принимают его в качестве базы отсчета.

Через заданные промежутки времени проводят аналогичные замеры, формируют матрицу отклонений точек пространственного каркаса. Фиксируют изменения и определяют, находятся ли изменения в допустимых пределах.

Были проведены испытания на макетах туннеля, они показали, что точность измерений находится в пределах ±0,01 мм.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР №1786932, МПК G01B 7/16, дата публикации 10.12.1995 г.

2. Патент РФ №2019790, МПК G01D 11/16, дата публикации 15.09.1994 г.

3. В.Н.Баландин и др. «Спутниковые и традиционные геодезические измерения», из-во г.Санкт-Петербург, ФГУП «Аэрогеодезия», 2003 г., стр.95-97.

4. Патент РФ №2010155, МПК G01B 7/18, дата публикации 30.03.1994 г.

1. Устройство для мониторинга технического состояния туннеля, содержащее тензорезисторы, регистратор выходных сигналов, упругие стержни, отличающееся тем, что имеются три упругих стержня, каждый из которых снабжен тензорезистором и закреплен на пластине, расположенной на внутренней стороне у торца блока туннеля, другие концы упругих стержней соединены вместе на упорном стержне, который закреплен на второй пластине, аналогичной первой, расположенной рядом на внутренней стороне у торца соседнего блока туннеля, тензорезисторы соединены с регистратором выходных сигналов.

2. Способ определения технического состояния туннеля, отличающийся тем, что располагают в каждом деформационном шве каждой пары блоков на исследуемом участке туннеля не менее трех устройств для мониторинга технического состояния туннеля, с помощью которых фиксируют вектора перемещений точек блока, определяют картину пространственных смещений каждого блока относительно системы координат, связанной с начальным блоком, строят в этой системе координат пространственный каркас из точек, соответствующих числу устройств, принимают его в качестве базы отсчета, через заданные промежутки времени проводят аналогичные замеры, формируют матрицу отклонений точек пространственного каркаса, фиксируют изменения и определяют, находятся ли изменения в пределах допустимых.