CN111335955A - 寒区隧道温度场远程自动监测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种寒区隧道温度场远程自动监测方法与系统，属于隧道监测技术领域。该方法包括以下步骤：1)搜集隧址区气象资料与工程地质资料；2)数值仿真分析；3)提取关键指标参数；4)制定监测方案；5)搭建部署系统平台；6)现场测试与安装；7)实施监测、预警并可视化展示。本发明实现了围岩数据的自动化监测，同时，增强了围岩监测数据的准确性和持续性。

Description

寒区隧道温度场远程自动监测方法与系统

技术领域

本发明属于隧道监测技术领域，涉及寒区隧道温度场远程自动监测方法与系统。

背景技术

冻害问题一直是寒区公路隧道运营期间的顽疾，一直没有得到根治，由于隧道设计、建设和运营单位没有掌握隧道围岩温度场的真实数据和事迹分布规律使得隧道保温设计比较盲目和千篇一律，一些科研单位和高效也对围岩温度场的分布规律进行一些监测，绝大多数采用人工监测手段，使得监测数据的准确性和持续性得不到保障，隧道运营期的温度场监测基本中断，随着科技进步，使得围岩温度场的自动监测变为可能，基于此，提出了寒区隧道温度场自动监测方法并设计开发了一套寒区公路隧道围岩及衬砌结构温度场监测系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种寒区隧道温度场远程自动监测方法与系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

寒区隧道温度场远程自动监测方法，该方法包括以下步骤：

1)搜集隧址区气象资料与工程地质资料；

2)数值仿真分析；

3)提取关键指标参数；

4)制定监测方案；

5)搭建部署系统平台；

6)现场测试与安装；

7)实施监测、预警并可视化展示。

可选的，所述2)具体为：采用ANSYS或者FLAC3D的数值分析软件进行围岩与衬砌温度场数值仿真分析，获取极限状态下围岩与衬砌结构温度场分布规律，分析以下内容：

①隧道围岩温度场径向分布云图；

②隧道围岩温度场纵向分布云图；

③特征点温度随径向深度变化规律图；

④特征点温度随纵向变化规律图。

可选的，所述3)具体为：根据数值仿真分析结果提取以下关键参数：

①最冷月围岩径向最大冻结深度H_ZR；

②最冷月隧道进洞口环境负温区段T≤-15℃，最大长度L_Z,T≤-15℃；

③最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-15＜T≤-5℃，最大长度L_{Z,-15＜T≤-5℃,}；

④最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-5＜T≤0℃，最大长度L_{Z,-5＜T≤0℃,}；

⑤最冷月隧道进洞口环境温度正温区段-T＞0℃，最大长度L_Z,T＞0℃。

可选的，所述4)具体为：根据提取的关键指标参数按照以下原则制定监测方案：

①监测断面根据洞内环境温度场分布规律进行布设

最冷月隧道进洞口环境负温区段T≤-15℃，断面间距取20m；

最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-15＜T≤-5℃，断面间距取50m；

最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-5＜T≤0℃，断面间距取100m；

最冷月隧道进洞口环境温度正温区段-T＞0℃，断面间距取200m；

②横断面测点布置根据径向最大冻结深度进行布设

围岩温度场测试深度取2HZR；

径向测点间距取50cm；

在衬砌结构表面，包括左右边墙、左右拱腰和拱顶5点，设置环境温度测点；

在左右电缆沟内布置环境温度测点。

可选的，所述5)具体为：系统平台构成如下：

①分布式温度监测传感器，埋设与围岩与衬砌结构内部；

②数据自动采集传输设备，由热敏电阻温度采集模块、无线通信模块和持续供电模块组合而成，与监测传感器采用有线连接；

③网转/传设备，实现监测数据从自主网络向3G/4G网络转化和传输功能；

④数据存储和读取设备，实现监测数据的存储、读取和展示；

⑤配套的软件设备。

可选的，所述6)具体为：①传感器埋设，埋没时，先将传感器按设计间距捆扎在一根长杆上；再将带有传感器串的杆体穿人外径不小于40mm的PVC塑料管内，为防止水与传感器直接接触而影响传感器的长期稳定工作，PVC管的内端头应密封；密封的方法是用火将PVC管端头烤软，用带手套之手将端头捏合，冷却后从另一端吹气，将密封端置于水中，检验密封效果；最后将传感器随PVC管一起插入预先钻好的钻孔内，并整理引线，用废麻绳封堵孔口；

②隧道衬砌表面安装16通道的数据自动采集传输设备，将温度传感器与数据自动采集传输设备有线连接，通过数据自动采集传输设备采集数据，并将数据向隧道洞口传输温度监测数据；

③在隧道洞口安装网转/传设备，将接收到的数据进行汇总转化，并将数据上传至3G/4G网络，向存储设备发送数据；

④在用户办公室安装或租用数据存储和读取设备，存储数据方便用户读取数据；

PVC管的内端头应密封；密封的方法是用火将PVC管端头烤软，用带手套之手将端头捏合，冷却后从另一端吹气，将密封端置于水中，检验密封效果；最后将传感器随PVC管一起插入预先钻好的钻孔内，并整理引线，用废麻绳封堵孔口。

寒区隧道温度场远程自动监测系统，包括：

接线座P2连接至电池，支持的电池电压范围为1.5V～5V；

P2经升压开关芯片U2后，输出稳定的5V直流电压，输出电流范围为0～200mA，为无线通信模块及下级电路系统供电；

5V直流电压经降压开关芯片U3后，输出稳定的3.3V直流电压，输出电流范围为0～300mA，为单片机系统及温度传感器供电；

滤波电容C2、C3和C5，用于过滤毛刺电压和干扰电压；

外部温度传感器连接到传感器接线座P3，精密电阻器R11～R18串接于温度传感器回路中；

VCC3V3电压经精密电阻器、电阻式温度传感器分压后，接入单片机ADC接口进行模/数转换，单片机读取到传感器温度数据后，通过UART接口输出至无线通信模块，并最终上传至远程服务器；

瞬变电压抑制二极管D4～D10，用于吸收外部温度传感器接口线路上输入的高瞬变电压，以保护单片机长期稳定运行。

本发明的有益效果在于：本发明实现了围岩数据的自动化监测，同时，增强了围岩监测数据的准确性和持续性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为监测断面布置平面图；

图2为监测测点布置横断面图；

图3为测点布置断面图；

图4为温度采集设备电路图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图3，为一种寒区隧道温度场远程自动监测方法与系统。

1)隧址区气象资料与工程地质资料搜集

2)数值仿真分析

采用ANSYS或者FLAC3D等数值分析软件进行围岩与衬砌温度场数值仿真分析，获取极限状态下围岩与衬砌结构温度场分布规律，主要分析以下内容：

①隧道围岩温度场径向分布云图；

②隧道围岩温度场纵向分布云图；

③特征点温度随径向深度变化规律图；

④特征点温度随纵向变化规律图等。

3)提取关键指标参数

根据数值仿真分析结果提取以下关键参数：

①最冷月围岩径向最大冻结深度H_ZR；

②最冷月隧道进洞口环境负温区段(T≤-15℃)最大长度L_Z,T≤-15℃；

③最冷月隧道进洞口环境温度负温区段(-15＜T≤-5℃)最大长度L_{Z,-15＜T≤-5℃,}；

③最冷月隧道进洞口环境温度负温区段(-5＜T≤0℃)最大长度L_{Z,-5＜T≤0℃,}；

④最冷月隧道进洞口环境温度正温区段(-T＞0℃)最大长度L_Z,T＞0℃)。

4)制定监测方案(监测断面、横断面测点布置等)

根据提取的关键指标参数按照以下原则制定监测方案：

①监测断面根据洞内环境温度场分布规律进行布设

最冷月隧道进洞口环境负温区段(T≤-15℃)，断面间距取20m

最冷月隧道进洞口环境温度负温区段(-15＜T≤-5℃)，断面间距取50m

最冷月隧道进洞口环境温度负温区段(-5＜T≤0℃)，断面间距取100m；

最冷月隧道进洞口环境温度正温区段(-T＞0℃)，断面间距取200m。

②横断面测点布置根据径向最大冻结深度进行布设

围岩温度场测试深度取2H_ZR。

径向测点间距取50cm；

时在衬砌结构表面(左右边墙、左右拱腰、拱顶5点)设置环境温度测点；

在左右电缆沟内布置环境温度测点。

5)搭建部署系统平台

系统平台构成如下：

①分布式温度监测传感器(热敏元器件)，埋设与围岩与衬砌结构内部。

②数据自动采集传输设备(由热敏电阻温度采集模块、无线通信模块和持续供电模块组合而成)，与监测传感器采用有线连接。

③网转(传)设备，实现监测数据从自主网络向3G/4G网络转化和传输功能。

④数据存储和读取设备，实现监测数据的存储、读取和展示。

⑤配套的软件设备。

6)现场测试与安装

①传感器埋设

温度传感器外形见图。埋没时,先将传感器按设计间距捆扎在一根长杆(实用中采用铜芯塑料包皮电线)上；再将带有传感器串的杆体穿人外径不小于40mm的PVC塑料管内,为了防止水与传感器直接接触而影响传感器的长期稳定工作,PVC管的内端头应密封。密封的方法是用火将PVC管端头烤软,用带手套之手将端头捏合,冷却后从另一端吹气,将密封端置于水中,检验密封效果。最后将传感器随PVC管一起插入预先钻好的钻孔内,并整理引线,用废麻绳封堵孔口。

②隧道衬砌表面安装16通道的数据自动采集传输设备，将温度传感器与数据自动采集传输设备有线连接，通过数据自动采集传输设备采集数据(人为设置采集频率)，并将数据向隧道洞口传输温度监测数据。

③在隧道洞口安装网转(传)设备，将接收到的数据进行汇总转化，并将数据上传至3G/4G网络，向存储设备发送数据。

④在用户办公室安装(或租用)数据存储和读取设备，存储数据方便用户读取数据。

7)实施监测、预警并可视化展示

如图4所示，电路图说明：

P2接电池，支持的电池电压范围为1.5V～5V，经U2升压开关芯片后，输出稳定的5V直流电压，输出电流范围为0～200mA，为无线通信模块及下级电路系统供电。5V直流电压经U3降压开关芯片后，输出稳定的3.3V直流电压，输出电流范围为0～300mA，为单片机系统及温度传感器供电；C2,C3和C5均为滤波电容，过滤毛刺电压和干扰电压。

外部温度传感器连接到P3，R11～R18为精密电阻器，串接于温度传感器回路中。VCC3V3电压经精密电阻器、电阻式温度传感器分压后，接入单片机ADC接口进行模/数转换，单片机读取到传感器温度数据后，通过UART接口输出至无线通信模块，并最终上传至远程服务器；图中D4～D10为瞬变电压抑制二极管，用于吸收外部温度传感器接口线路上输入的高瞬变电压，以保护单片机长期稳定运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.寒区隧道温度场远程自动监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)搜集隧址区气象资料与工程地质资料；

2)数值仿真分析；

3)提取关键指标参数；

4)制定监测方案；

5)搭建部署系统平台；

6)现场测试与安装；

7)实施监测、预警并可视化展示。

2.根据权利要求1所述的寒区隧道温度场远程自动监测方法，其特征在于：所述2)具体为：采用ANSYS或者FLAC3D的数值分析软件进行围岩与衬砌温度场数值仿真分析，获取极限状态下围岩与衬砌结构温度场分布规律，分析以下内容：

①隧道围岩温度场径向分布云图；

②隧道围岩温度场纵向分布云图；

③特征点温度随径向深度变化规律图；

④特征点温度随纵向变化规律图。

3.根据权利要求1所述的寒区隧道温度场远程自动监测方法，其特征在于：所述3)具体为：根据数值仿真分析结果提取以下关键参数：

①最冷月围岩径向最大冻结深度H_ZR；

②最冷月隧道进洞口环境负温区段T≤-15℃，最大长度L_Z,T≤-15℃；

③最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-15＜T≤-5℃，最大长度L_{Z,-15＜T≤-5℃,}；

④最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-5＜T≤0℃，最大长度L_{Z,-5＜T≤0℃,}；

⑤最冷月隧道进洞口环境温度正温区段-T＞0℃，最大长度L_Z,T＞0℃。

4.根据权利要求1所述的寒区隧道温度场远程自动监测方法，其特征在于：所述4)具体为：根据提取的关键指标参数按照以下原则制定监测方案：

①监测断面根据洞内环境温度场分布规律进行布设

最冷月隧道进洞口环境负温区段T≤-15℃，断面间距取20m；

最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-15＜T≤-5℃，断面间距取50m；

最冷月隧道进洞口环境温度负温区段-5＜T≤0℃，断面间距取100m；

最冷月隧道进洞口环境温度正温区段-T＞0℃，断面间距取200m；

②横断面测点布置根据径向最大冻结深度进行布设

围岩温度场测试深度取2HZR；

径向测点间距取50cm；

在衬砌结构表面，包括左右边墙、左右拱腰和拱顶5点，设置环境温度测点；

在左右电缆沟内布置环境温度测点。

5.根据权利要求1所述的寒区隧道温度场远程自动监测方法，其特征在于：所述5)具体为：系统平台构成如下：

①分布式温度监测传感器，埋设与围岩与衬砌结构内部；

②数据自动采集传输设备，由热敏电阻温度采集模块、无线通信模块和持续供电模块组合而成，与监测传感器采用有线连接；

③网转/传设备，实现监测数据从自主网络向3G/4G网络转化和传输功能；

④数据存储和读取设备，实现监测数据的存储、读取和展示；

⑤配套的软件设备。

6.根据权利要求1所述的寒区隧道温度场远程自动监测方法，其特征在于：所述6)具体为：①传感器埋设，埋没时，先将传感器按设计间距捆扎在一根长杆上；再将带有传感器串的杆体穿人外径不小于40mm的PVC塑料管内，为防止水与传感器直接接触而影响传感器的长期稳定工作，PVC管的内端头应密封；密封的方法是用火将PVC管端头烤软，用带手套之手将端头捏合，冷却后从另一端吹气，将密封端置于水中，检验密封效果；最后将传感器随PVC管一起插入预先钻好的钻孔内，并整理引线，用废麻绳封堵孔口；

②隧道衬砌表面安装16通道的数据自动采集传输设备，将温度传感器与数据自动采集传输设备有线连接，通过数据自动采集传输设备采集数据，并将数据向隧道洞口传输温度监测数据；

③在隧道洞口安装网转/传设备，将接收到的数据进行汇总转化，并将数据上传至3G/4G网络，向存储设备发送数据；

④在用户办公室安装或租用数据存储和读取设备，存储数据方便用户读取数据；

PVC管的内端头应密封；密封的方法是用火将PVC管端头烤软，用带手套之手将端头捏合，冷却后从另一端吹气，将密封端置于水中，检验密封效果；最后将传感器随PVC管一起插入预先钻好的钻孔内，并整理引线，用废麻绳封堵孔口。

7.寒区隧道温度场远程自动监测系统，其特征在于：包括：

接线座P2连接至电池，支持的电池电压范围为1.5V～5V；

接线座P2经升压开关芯片U2后，输出稳定的5V直流电压，输出电流范围为0～200mA，为无线通信模块及下级电路系统供电；

5V直流电压经降压开关芯片U3后，输出稳定的3.3V直流电压，输出电流范围为0～300mA，为单片机系统及温度传感器供电；

滤波电容C2、C3和C5，用于过滤毛刺电压和干扰电压；

外部温度传感器连接到传感器接线座P3，精密电阻器R11～R18串接于温度传感器回路中；

VCC3V3电压经精密电阻器、电阻式温度传感器分压后，接入单片机ADC接口进行模/数转换，单片机读取到传感器温度数据后，通过UART接口输出至无线通信模块，并最终上传至远程服务器；

瞬变电压抑制二极管D4～D10，用于吸收外部温度传感器接口线路上输入的高瞬变电压，以保护单片机长期稳定运行。

Images