盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统及其制备方法与流程

本发明涉及盾构管片检测，尤其涉及的是一种盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统及其制备方法。

背景技术：

1、盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片是盾构法隧道的永久衬砌结构，盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能。在盾构始发、接收、穿越风井、联络通道等重要区段的施工过程中，会造成管片结构受力的变化，从而引起管片变形，严重会导致隧道涌水涌沙、突水突泥甚至隧道破坏，发生灾难性的安全事故，为此，对隧道在盾构施工过程中衬彻管片的监测是不可或缺的。

2、目前对管片结构变形的监测，主要采用的是人工测量和自动化监测两种方法。人工测量主要是由工人利用便捷式采集仪采集管片应力数据，并将记录的数据与安全值进行比较从而实现对管片的安全监控。这种方法虽然经济，但是不能实时、连续的监测管片变形与应力情况，从而导致监测不及时，对工程安全的存在滞后判断。而自动化监测是利用传输光缆，将管片内布设的传感器与地面上的采集器相连接，由处理终端进行分析判断。这种方法虽然能够实时监测，但是布线繁杂，不利于施工的进行。

3、一般地，管片的变形监测理想状态下是希望越早监测到变形发生，则能越早做出应对方案。现有技术中人工测量和自动化监测两种方法，难以监测到较小的变形信号，导致盾构管片的监测的及时性不足。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统及其制备方法，旨在解决现有技术中盾构管片的监测的及时性不足的问题。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其中，包括：

4、第一底座和第二底座，分别设置于盾构管片内侧的两个不同径向位置；

5、形变壳体，两端分别连接所述第一底座和所述第二底座；

6、刚性片，两端分别连接所述第一底座和所述第二底座，所述刚性片被所述第一底座和所述第二底座弯曲呈拱形，所述刚性片的凸出方向与所述盾构管片的凸出方向相反；

7、柔性沟槽感应膜，设置于所述刚性片，并用于感应所述刚性片的形变；

8、供电采集器，设置于所述形变壳体，并与所述柔性沟槽感应膜电连接。

9、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其中，所述柔性沟槽感应膜包括：

10、柔性复合层，所述柔性复合层背离所述刚性片的一侧设置有若干个微纳沟槽，所述微纳沟槽沿所述盾构管片的轴向延伸；

11、导电层，分布于所述微纳沟槽的内部和边缘；

12、其中，所述柔性复合层包括：绝缘基体和分散于所述绝缘基体的微纳导电材料；

13、所述导电层与所述供电采集器电连接。

14、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其中，所述微纳导电材料采用石墨烯。

15、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其中，所述导电层选自碳导电材料层、金属材料层、过渡金属碳化物材料层、高分子导电材料层、导电复合材料层中的至少一种。

16、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其中，所述形变壳体包括：

17、第一刚性外壳，设置于所述第一底座；

18、第二刚性外壳，设置于所述第二底座；

19、柔弹性外壳，两端分别连接所述第一刚性外壳和所述第二刚性外壳；

20、其中，所述供电采集器设置于所述第一刚性外壳或所述第二刚性外壳。

21、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其中，所述柔弹性外壳的柔弹性材料选自热塑性弹性体或热塑性硫化橡胶，所述热塑性弹性体选自硅橡胶、环氧树脂、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯中的至少一种。

22、一种如上任意一项所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其中，包括步骤：

23、制备柔性沟槽感应膜；

24、将所述柔性沟槽感应膜装配于刚性片，并将供电采集器装配于形变壳体；

25、将装配有柔性沟槽感应膜的刚性片、装配有供电采集器的形变壳体装配于第一底座和第二底座，并电连接所述供电采集器和所述柔性沟槽感应膜，得到盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统。

26、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其中，所述制备柔性沟槽感应膜，包括：

27、将石墨烯溶解于溶剂，得到石墨烯溶液；

28、将绝缘材料加入至所述石墨烯溶液，得到混合溶液；其中，石墨烯和绝缘材料的质量比1:2～4；

29、对所述混合溶液加热固化成膜，得到柔性复合层；

30、在所述柔性复合层上形成微纳沟槽；

31、在所述微纳沟槽上形成导电层，得到柔性沟槽感应膜。

32、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其中，在所述柔性复合层上形成微纳沟槽后，对形成有微纳沟槽的柔性复合层进行预拉伸，预拉伸的次数为预设次数，预拉伸的伸长率为200％～400％。

33、所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其中，所述在所述微纳沟槽上形成导电层，得到柔性沟槽感应膜，包括：

34、对预拉伸后的柔性复合层上微纳沟槽所在表面进行金属离子溅射形成导电层，并在导电层上连接导电胶带，得到柔性沟槽感应膜。

35、有益效果：当盾构管片产生形变时，形变壳体、刚性片以及柔性沟槽感应膜均相应产生形变，这不仅适合小应变量监测，同时也能够允许大应变量的监测，工作范围更广，能够瞬时监测突然大变形发生的情况。柔性沟槽感应膜贴附在拱形的刚性片上，刚性片能够赋予柔性沟槽感应膜更大的频率响应带宽，增强柔性沟槽感应膜的高频响应特性，同时也能够提高柔性沟槽感应膜的灵敏响应性能。总之，本申请盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统可以及时监测盾构管片的较小的变形信号，以便提前做出应对方案，防患于未然。

技术特征：

1.一种盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其特征在于，所述柔性沟槽感应膜包括：

3.根据权利要求2所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其特征在于，所述微纳导电材料采用石墨烯。

4.根据权利要求3所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其特征在于，所述导电层选自碳导电材料层、金属材料层、过渡金属碳化物材料层、高分子导电材料层、导电复合材料层中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其特征在于，所述形变壳体包括：

6.根据权利要求5所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统，其特征在于，所述柔弹性外壳的柔弹性材料选自热塑性弹性体或热塑性硫化橡胶，所述热塑性弹性体选自硅橡胶、环氧树脂、热塑性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、苯乙烯中的至少一种。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其特征在于，包括步骤：

8.根据权利要求7所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其特征在于，所述制备柔性沟槽感应膜，包括：

9.根据权利要求8所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其特征在于，在所述柔性复合层上形成微纳沟槽后，对形成有微纳沟槽的柔性复合层进行预拉伸，预拉伸的次数为预设次数，预拉伸的伸长率为200％～400％。

10.根据权利要求9所述的盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统的制备方法，其特征在于，所述在所述微纳沟槽上形成导电层，得到柔性沟槽感应膜，包括：

技术总结本发明公开了一种盾构管片变形实时监测无线柔性传感系统及其制备方法，传感系统包括：第一底座和第二底座，分别设置于盾构管片内侧的两个不同径向位置；形变壳体，两端分别连接第一底座和第二底座；刚性片，两端分别连接第一底座和第二底座，刚性片被第一底座和第二底座弯曲呈拱形，刚性片的凸出方向与盾构管片的凸出方向相反；柔性沟槽感应膜，设置于刚性片并用于感应刚性片的形变；供电采集器，设置于形变壳体，并与柔性沟槽感应膜电连接。当盾构管片产生形变时，形变壳体、刚性片以及柔性沟槽感应膜均相应产生形变，这不仅适合小应变量监测，同时也能够允许大应变量的监测，工作范围更广，能够瞬时监测突然大变形发生的情况。技术研发人员：张亚洲,孔令东,史吏,张哲,舒计城,宁洪亮,胡晓庆,华波,刘林鹏,段吉安受保护的技术使用者：中铁十四局集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4