沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统及方法

摘要

本发明提供了一种沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统及方法，包括若干个压力盒、多通道数据采集仪、数据处理与分析模块，所述压力盒将采集的实时数据通过多通道数据采集仪传输至数据处理与分析模块；所述压力盒埋设在管底位置，用于根据数据处理与分析模块设定的采集频率采集管底的压力值；所述多通道数据采集仪与压力盒相匹配，用于将压力盒采集的实时压力数据以线缆或无线传输装置传输至数据处理与分析模块；所述数据处理与分析模块，用于控制压力盒的采集频率，并对接收到的管底实时压力值进行分析处理，展现各采集点的灌砂状态。本发明能够实时监测砂积盘的形成及其变化状态，且结构简单，使用便捷，监测结果更加可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及沉管隧道技术领域，具体地，涉及一种沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统及方法。

背景技术

灌砂法现已成为沉管隧道基础处理的主要施工方法之一。由于基础灌砂在水下实施，砂基础的质量直接关系到沉管隧道的工程质量与建成后隧道的安全运营，因此，对沉管隧道基础灌砂施工进行实时监测显得十分必要。

目前，沉管隧道基础灌砂施工的监测，常用以下几种方法：

(1)砂量控制

根据基槽深度及沉放后管段底部高程估算管段的灌砂量。由于水流的影响，一部分砂会被水流带走，而这部分砂量是难于估算的；此外，基槽形状的差异性对砂量的控制也会产生较大影响。故以灌砂量作为标准控制灌砂效果并不可靠。

(2)出口压力监测

在灌砂过程中监测砂泵出口压力，当压力值超过某一限值(如0.1MPa)时，认为管段处于临界顶高状态。由于砂泵出口压力限制在灌砂孔附近，而对于砂积盘是否接触到管段底部，该指标并不能给出合理的判断。

(3)位移测量

在管内测量管段标高的变化，当管段达到一定的顶高量时认为灌砂充实度达到要求。由于砂在空隙中并非均匀分布，管段标高的变化无法全面地反映基槽与管段底面间砂盘的充满程度。

(4)潜水探摸

由潜水员下水探摸砂盘的形成及周围砂孔的充砂情况。显然，潜水员探摸范围仅局限于管段四周，对于管段中间的部位无能为力。

由于上述方法的局限性，在灌砂施工中面临着无法实时监测砂积盘的形成及其变化状态，从而易导致灌砂孔堵孔以及基础未充分填充，无法为停止灌砂提供相应的判断标 准(依据)等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统及方法。

根据本发明提供的沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统，包括若干个压力盒、多通道数据采集仪、数据处理与分析模块，所述压力盒将采集的实时数据通过多通道数据采集仪传输至数据处理与分析模块；

所述压力盒埋设在管底位置，用于根据数据处理与分析模块设定的采集频率采集管底的压力值；

所述多通道数据采集仪与压力盒相匹配，用于将压力盒采集的实时压力数据以线缆或无线传输装置传输至数据处理与分析模块；

所述数据处理与分析模块，用于控制压力盒的采集频率，并对接收到的管底实时压力值进行分析处理，展现各采集点的灌砂状态。

优选地，所述压力盒采用土压力盒，具体地，采用振弦式土压力盒。

优选地，所述多通道数据采集仪为振弦式数据采集仪，所述振弦式数据采集仪能够按照设定的采集频率进行数据采集，并设有数据存储区域。

优选地，所述数据处理与分析模块能够控制压力盒的采集方式、采集时间间隔，并实时监测各采集点的灌砂状态。

优选地，所述数据处理与分析模块包括：计算机、单片机以及智能设备上的控制装置中的任一种装置。

根据本发明提供的沉管隧道基础灌砂管底压力监测方法，包括如下步骤：

管底压力采集步骤：通过压力盒按照设定的采集频率采集管底的压力值；

数据传输步骤：将压力盒采集的官底压力值通过多通道数据采集仪以线缆或无线传输装置传输至数据处理与分析模块；

数据处理步骤：控制压力盒的采集频率，并对接收到的管底实时压力值进行分析处理，展现各采集点的灌砂状态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明根据灌砂孔位置在管节底板呈同心放射状等间距埋设压力盒，预设数据采集频率，由多通道数据采集仪采集数据并传送至计算机，通过相关数据处理与分析软件实时监测与展现灌砂施工过程中管底压力变化情况，进而确定砂积盘扩散状态，为基 础灌砂施工的实施提供科学依据。

2、相比传统的监测方法，本发明能够实时监测砂积盘的形成及其变化状态，且结构简单，使用便捷，监测结果更加可靠。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明灌砂孔与压力盒平面布置示意图；

图3为本发明中压力盒预埋结构横断面示意图；

图4为本发明实施例的灌砂压力监测过程图；

图5为本发明实施例通过观察窗观测与压力盒监测结果对照图。

图中：

21-灌砂孔；

22-压力盒；

33-底板；

34-套管；

35-线缆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统，埋设在管底的压力盒、多通道数据采集仪、计算机及相应的数据处理与分析软件。

所述压力盒为预埋在管段底部的高精度土压力盒；

所述多通道数据采集仪为与土压力盒配套的装置，通过线缆与压力盒连接，并通过线缆或无线传输装置将采集的数据传送至计算机；

所述计算机通过数据采集软件为各个土压力盒设定数据采集频率，并对所采集数据进行实时监测；

所述数据处理与分析软件对各个压力盒所采集数据进行实时分析，展示各采点的灌砂状态。

所述压力盒采用高精度土压力盒，通常为振弦式土压力盒，是一种埋入式压力传感器，其量程通常小于0.2MPa，分辨率高于0.1％(F·S)。

所述多通道数据采集仪为振弦式数据采集仪，采集仪可按预定的采集频率自动采集，并具有存储功能。

所述计算机通过土压力盒配套软件控制数据采集方式、采集时间间隔及监控数据状况。

所述的数据处理与分析软件具有数据的监测与甄别功能，并通过各采点的压力对灌砂状况做出评判。

所述压力盒根据灌砂孔位置在管节底板呈同心放射状等间距埋设，其间距可根据量测精度并结合实际情况确定(通常可设定1～2m的间距)；各压力盒通过线缆与多通道数据采集仪连接，应用与压力盒配套的采集软件预设数据采集频率；多通道数据采集仪将采集数据通过线缆或无线传输方式传送至计算机，利用计算机中的相关数据处理与分析软件实时反映灌砂施工过程中管底压力变化情况；通过灌砂模拟实验确定砂积盘扩展的压力门槛值，进而实时展现管底灌砂的进程，确定砂积盘扩散状态，为灌砂施工的实施提供理论依据。

具体地，如图1所示，沉管隧道基础灌砂管底压力监测系统由若干个压力盒、多通道数据采集仪和计算机及数据分析软件组成。

如图2所示，以灌砂孔21为中心，压力盒22按等间距同心放射状对称地埋设于管段底部。

如图3所示，压力盒22固定在模型底板33上，其线缆35通过套管34保护并作防水处理。

本发明技术方案的具体实施例：

通过大型沉管隧道等比例基础灌砂模型试验的观察结果作为本发明的实施例。某大型沉管隧道等比例基础灌砂模型试验平台包括：尺寸为52m×30m×2m大型水池，以及底部与四周封闭且上部开口、尺寸为25m×23.5m×0.3m具有4个灌砂孔的钢筋混凝土结构模型。在此模型底板沿各灌砂孔径向45°呈同心放射状等间距埋设压力盒(压力盒为振弦式土压力盒，其量程为0.2MPa，分辨率0.1％(F·S))，压力盒与灌砂孔中心距离分别为2m、4m、6m和8m，以监测灌砂过程中底板压力的变化。在模型底板沿各灌砂孔 径向90°等间隔设置高强有机玻璃观察窗(0.6m×0.25m)，以观察灌砂过程中砂盘充满程度及扩展半径等。按设计砂盘扩散半径7.5m实施灌砂作业。在灌砂过程中，压力盒按间隔15分钟的采样频率对底板压力进行了监测。

图4为灌砂过程中距灌砂孔孔心分别为2m、4m、6m和8m处底板压力随灌砂时间的变化关系图。图4表明灌砂过程中距灌砂孔孔心不同距离的底板压力呈现类似的变化规律，随灌砂时间的持续底板压力呈波浪型起伏而逐渐增大，底板压力的起伏状况与砂积盘形成与消散状况相对应。距灌砂孔近的压力变化更频繁且压力更大，距离灌砂孔较远处的压力在灌砂前期不敏感，而后逐步发生影响。

图5为由观察窗观测的砂盘扩散半径与距灌砂孔孔心不同距离处压力盒监测结果对照图。通过对观测数据分析结合图5可得出砂积盘扩展的压力门槛值为9.56kPa。基于该压力门槛值可跟踪管底灌砂的进程，掌握砂积盘扩散状态。

本发明采用预埋压力盒监测沉管隧道基础灌砂施工的方法，不仅能够监测所处区域的压力，而且能反映砂积盘的形成与消散状况，具有便捷性和实用可行性。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。