一种地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警机构及其工作方法

本发明涉及地铁隧道衬砌监测，特别是地铁隧道衬砌受力与裂漏监测。

背景技术：

1、地铁隧道衬砌(也称管片)是保障隧道安全的关键基础和重要前提。地铁隧道衬砌受列车振动荷载产生的疲劳效应、隧道热-湿环境侵蚀和混凝土材料老化等因素耦合作用，加之拼装精度的影响，将不可避免导致损伤累积和抗力衰减、结构变形超限甚至开裂渗。此类开裂渗漏如不能及时被监测到并得到有效治理，将会加速地铁隧道衬砌的损伤累积和抗力衰减，严重降低隧道衬砌寿命，使得地铁隧道衬砌出现“短命现象”，造成重大经济损失，成为制约地铁运营安全的瓶颈顽疾。因此发展地铁隧道衬砌病害监测和健康诊断技术，实现隧道衬砌病害的及时捕捉和准确预警，进而开展早期靶向修复，对于确保地铁衬砌的正常工作和避免灾难性损伤，延长地铁隧道衬砌寿命，保障地铁隧道运营安全，服务城市地下空间开发利用，意义重大。

2、现有地铁隧道混凝土衬砌监测或基于光学手段，或基于辐射热、广义电和应力波的地球物理手段，获得的信息或为衬砌表面信息、或为衬砌内部大缺陷、或基于离散点数据，对于隧道混凝土衬砌内部场域应变增加至衬砌开裂甚至渗漏过程，尚没有统一的方法。因此，具体如何获取隧道混凝土衬砌内部应变场，以便为地铁隧道衬砌裂漏灾害的早期修复提供靶向引导，进而开展修复效果的跟踪监测，就成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对以上问题，提出了一种地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警方法，基于膜式微电极技术和电流聚焦原理，有效获取混凝土衬砌受压应变累积和受拉开裂情况，从而对地铁隧道衬砌进行受力实时监测以及裂漏预警。

2、本发明的技术方案为：所述受力监测与裂漏预警机构为安装在待测地铁隧道衬砌表面上的膜式聚焦电极系，所述膜式聚焦电极系包括pet薄膜、粘贴固定在pet薄膜上且呈阵列分布的若干微电极、固定布置在每个微电极外侧的绝缘圆环以及相邻绝缘圆环间的整体式屏蔽电极、以及沿隧道纵向设置在距待测地铁隧道衬砌边界10～20cm位置的回路电极；通过pet薄膜将微电极、屏蔽电极及回路电极与隧道内部的环境隔离，通过电流聚焦实现探测电流在衬砌内部有限深度范围内流动；实际工作中，将微电极、屏蔽电极和回路电极与聚焦探测设备连接，从而控制微电极和屏蔽电极间的等电位条件，并输出每个微电极的电阻率探测结果；

3、特别考虑到本案需随地铁隧道的施工一同布置，并且随地铁隧道的投入使用而一同启用，因此，地铁中的特殊运行环境，即列车运行所产生的杂散电流，将因本案的设置出现以下影响：

4、如果电流流入衬砌内部深处，将超出现有聚焦设备的能力范围，同时涉及大范围钢筋绝缘，可行性降低，如果整个衬砌都设为导电混凝土，则列车运行的杂散电流将通过导电混凝土泄露到地层中，影响地面安全。据此，本案还对导电混凝土的厚度做出了以下特别限定：

5、所述待测地铁隧道衬砌朝向聚焦电极系的一侧设为导电混凝土，且导电混凝土层的厚度介于隧道衬砌混凝土保护层厚度和20～30％衬砌厚度间，导电混凝土层厚度范围内的钢筋喷涂绝缘漆实现电绝缘。

6、这样一来，即可在保证聚焦探测设备可以稳定获取到各个微电极的电阻率探测结果的同时，确保列车运行所产生的杂散电流仅会经过导电混凝土层所在的局部区域，而不至于通过导电混凝土泄露到地层中。

7、布置膜式聚焦电极系，需将待测地铁隧道区间衬砌替换为含导电混凝土层的导电混凝土-普通混凝土复合衬砌，所述导电混凝土层采用添加碳纤维基复相导电填料方法制成，导电填料以碳纤维为主剂，以炭黑、石墨等为辅剂，导电填料的复合组份及配比基于导电混凝土电阻率50～100ω·m的原则按现有方法确定。

8、按以下步骤进行：

9、步骤1、将待测地铁隧道区间内设置含导电混凝土层的导电混凝土-普通混凝土复合衬砌；

10、步骤2、在导电混凝土-普通混凝土复合衬砌上布置膜式聚焦电极系；

11、步骤3、将阵列式微电极、整体式屏蔽电极和回路电极与聚焦探测设备连接，从而控制微电极和屏蔽电极间的电位条件，获取每个微电极的电阻率探测结果；

12、步骤4、制备与步骤1中导电混凝土层相同的导电混凝土试块，开展室内试验，通过室内试验研究力-热-湿诱发的导电混凝土应变演化、开裂渗漏及充水裂缝开度演变规律，并建立其与电阻率的关联函数；

13、步骤5、采用电阻率层析成像方法，实现隧道衬砌闭合断面电阻率图像重建，实时获得电阻率图像，并根据步骤4中的关联函数，获得隧道衬砌应变演化、开裂渗漏及充水裂缝开度演变规律，进而完成衬砌受力实时监测和裂漏预警。

14、步骤4的试验过程为：首先制备100×100×100mm的导电混凝土试块，选择任意两个面作为加载面，在两个加载面上设置和加载面相同尺寸且厚度为2mm的铜电极，铜电极表面设置厚度为10mm的peek板，在剩下的四个面中再任选两个面分别沿加载方向粘贴电阻应变片作为工作片，在另外一个不受荷的导电混凝土试块任意两个面上布置温度补偿片，保持环境室温度、湿度恒定，考虑温、湿度补偿，获得导电混凝土试块在逐级加载过程中的应变响应，同步测量两铜电极间的电阻，根据试块截面积和试块高度换算得到电阻率，然后，建立荷载-应变-电阻率的关联函数；继而，针对不加载条件，分别保持温度或湿度恒定，获得湿度或温度逐渐增加过程中导电混凝土试块应变规律；最后，根据不同力、热、湿条件下的电阻率响应结果数据，建立导电混凝土试块电阻率与力、热、湿三个因素间的关联函数。

15、本发明采用膜式微电极技术和电流聚焦原理，在现有导电混凝土制备技术研究基础上，通过控制电流传播范围的钢筋绝缘和混凝土导电处理，形成机敏混凝土层，使得导电混凝土层电阻率具备应变级响应精度，同时具备裂漏预警和充水裂缝开度演变监测的功能，达到一种物理手段同时实现连续应变增加和裂漏演化两个过程监测的目的，具有显著的技术创新性。

16、本发明在现有的导电混凝土和聚焦直流电阻率方法研究基础上，所提供的地铁隧道混凝土衬砌病害监测和健康诊断方法，可以有效指导隧道衬砌裂漏灾害的早期靶向修复。

17、本发明中涉及的关键技术体系对于保障地铁运营安全，引领国内地铁隧道韧性运维技术发展，服务城市地下空间开发利用，意义重大。

技术特征：

1.一种地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警机构，其特征在于，所述受力监测与裂漏预警机构为安装在待测地铁隧道衬砌表面上的膜式聚焦电极系，所述膜式聚焦电极系包括pet薄膜、粘贴固定在pet薄膜上且呈阵列分布的若干微电极、固定布置在每个微电极外侧的绝缘圆环、相邻绝缘圆环间的整体式屏蔽电极以及沿隧道纵向设置在距待测地铁隧道衬砌边界10～20cm位置的回路电极；

2.根据权利要求1所述的一种地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警机构，其特征在于，所述导电混凝土层采用添加碳纤维基复相导电填料方法制成，导电填料以碳纤维为主剂，以炭黑、石墨为辅剂，导电填料的复合组份及配比基于导电混凝土电阻率50～100ω·m的原则确定。

3.一种权利要求1所述的地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警机构的工作方法，其特征在于，按以下步骤进行：

4.根据权利要求3所述的一种地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警机构的工作方法，其特征在于，步骤4的试验过程为：首先制备100×100×100mm的导电混凝土试块，选择任意两个面作为加载面，在两个加载面上设置和加载面相同尺寸且厚度为2mm的铜电极，铜电极表面设置厚度为10mm的peek板，在剩下的四个面中再任选两个面分别沿加载方向粘贴电阻应变片作为工作片，在另外一个不受荷的导电混凝土试块任意两个面上布置温度补偿片，保持环境室温度、湿度恒定，考虑温、湿度补偿，获得导电混凝土试块在逐级加载过程中的应变响应，同步测量两铜电极间的电阻，根据试块截面积和试块高度换算得到电阻率，然后，建立荷载-应变-电阻率的关联函数；继而，针对不加载条件，分别保持温度或湿度恒定，获得湿度或温度逐渐增加过程中导电混凝土试块应变规律；最后，根据不同力、热、湿条件下的电阻率响应结果数据，建立导电混凝土试块电阻率与力、热、湿三个因素间的关联函数。

技术总结本发明公开了一种地铁隧道衬砌受力监测与裂漏预警机构及其工作方法，涉及地铁隧道衬砌监测技术领域。基于电流聚焦原理和膜式微电极技术，获取混凝土衬砌受压应变累积、受拉开裂情况，从而对地铁隧道衬砌进行受力实时监测以及裂漏预警。本发明的技术方案为：所述受力监测与裂漏预警机构为膜式聚焦电极系，包括阵列安装在待测隧道区间衬砌表面上的微电极、整体式屏蔽电极和沿隧道纵向设置在待测区边界外围的回路电极；所述待测地铁隧道衬砌朝向膜式聚焦电极系一侧一定范围设置为导电混凝土。本发明同时具备裂漏预警和充水裂缝开度演变监测的功能，具有显著的技术创新性。技术研发人员：赵晓东,路贵林,杨金宏,叶周煌,周旭东,宋博,朱坤朋受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25