本發(fā)明涉及盾構(gòu)隧道施工，特別涉及一種裝配式地下結(jié)構(gòu)施工拼裝質(zhì)量控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，盾構(gòu)隧道在交通和市政領(lǐng)域發(fā)展迅速，曲線盾構(gòu)隧道數(shù)量與日俱增。受到隧道線型、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)等因素的影響，管片的拼裝質(zhì)量難以控制。尤其在轉(zhuǎn)彎曲率半徑較小的情況下，常常會出現(xiàn)管片拼裝時轉(zhuǎn)彎內(nèi)弧側(cè)和封頂塊等局部壓力過大，導(dǎo)致管片角部破損，從而給隧道運(yùn)營帶來隱患，隧道使用壽命可能會相應(yīng)縮短。

2、當(dāng)前，曲線盾構(gòu)隧道管片拼裝施工主要存在以下工程難題包括：1)由于曲線盾構(gòu)隧道軸線控制難度大，偏離設(shè)計(jì)軸線后容易出現(xiàn)管片一端受到嚴(yán)重?cái)D壓的現(xiàn)象；2)曲線盾構(gòu)隧道在拼裝過程中，千斤頂推力產(chǎn)生水平方向作用力，管片容易在水平分力作用下發(fā)生較大的位移。

3、在盾構(gòu)隧道的管片拼裝過程中，對于可能出現(xiàn)局部應(yīng)力過大及導(dǎo)致局部破損的情況，我們常采用人工測量管片環(huán)縫的張開量，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制管片拼裝過程。但實(shí)際施工過程中容易失控。因此，當(dāng)前亟需研發(fā)一種盾構(gòu)隧道接縫拼裝質(zhì)量的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道拼裝過程的智能感知與控制，以保證盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量及運(yùn)營階段的安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種解決目前曲線盾構(gòu)隧道施工拼裝過程中遇到的管片破損等問題的一種裝配式地下結(jié)構(gòu)施工拼裝質(zhì)量控制系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的另一目的是提供一種采用上述裝配式地下結(jié)構(gòu)施工拼裝質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的拼裝質(zhì)量控制方法。

3、為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

4、一種裝配式地下結(jié)構(gòu)施工拼裝質(zhì)量控制系統(tǒng)，包括：

5、盾構(gòu)隧道接縫壓電感知實(shí)驗(yàn)裝置，其用于確定壓電信號與管片接縫張開量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型；

6、多個柔性壓電感知裝置，其用于一一對應(yīng)地布設(shè)在每相鄰的兩個盾構(gòu)隧道管片之間，以實(shí)時監(jiān)測得到各盾構(gòu)隧道管片間的壓點(diǎn)感應(yīng)信號，以得到當(dāng)前時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量；

7、盾構(gòu)隧道接縫預(yù)測裝置，其為基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建并訓(xùn)練的盾構(gòu)隧道管片接縫張開量預(yù)測模型，以根據(jù)當(dāng)前時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量和施工參數(shù)得到下一時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量的預(yù)測值；和

8、控制系統(tǒng)，其實(shí)時監(jiān)測由多個柔性壓電感知裝置傳輸?shù)膲弘娦盘柺欠駶M足正常施工要求，并根據(jù)盾構(gòu)隧道接縫預(yù)測裝置的預(yù)測結(jié)果實(shí)時優(yōu)化施工參數(shù)。

9、進(jìn)一步地，盾構(gòu)隧道接縫壓電感知實(shí)驗(yàn)裝置由電子萬能試驗(yàn)機(jī)和鋼制模具構(gòu)成；鋼制模具由兩個鋼制壓片構(gòu)成，二者相接觸的面上對稱開設(shè)有內(nèi)置有橡膠止水條的條形凹槽；其中，橡膠止水條與盾構(gòu)隧道管片斷面上設(shè)置的橡膠止水條相同，且其在條形凹槽內(nèi)的設(shè)置方式與其在盾構(gòu)隧道管片斷面上的設(shè)置方式相同；兩個鋼制壓片對稱固定在電子萬能試驗(yàn)機(jī)的上壓頭底面上和其下壓頭頂面上。

10、進(jìn)一步地，柔性壓電感知裝置由兩個柔性壓電電纜傳感器和兩個信號處理器構(gòu)成；信號處理器由設(shè)置在一盒體內(nèi)且依次連接的電荷放大器、數(shù)據(jù)采集器和無線數(shù)據(jù)發(fā)射器構(gòu)成；每個柔性壓電電纜傳感器通過導(dǎo)線與對應(yīng)信號處理器內(nèi)的電荷放大器相連接。

11、進(jìn)一步地，柔性壓電電纜傳感器采用長度為10cm的柔性壓電電纜；無線數(shù)據(jù)發(fā)射器采用藍(lán)牙或gps與控制端相連接。

12、一種采用上述裝配式地下結(jié)構(gòu)施工拼裝質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量控制方法，步驟如下：

13、s1、在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建與盾構(gòu)隧道管片拼裝過程相同的環(huán)境條件，并進(jìn)行盾構(gòu)隧道接縫壓電感知實(shí)驗(yàn)，以確定相鄰管片之間：1)橡膠止水條上壓電信號與管片接縫張開量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型i，2)管片斷面上壓電信號與管片接縫張開量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型ii；

14、s2、根據(jù)管片接縫允許張開量的最大值和最小值，將管片接縫張開量進(jìn)行線性歸一化處理，并基于管片接縫張開量的歸一化結(jié)果劃分盾構(gòu)隧道接縫張開量的多個預(yù)警等級；基于由步驟s1確定的數(shù)學(xué)關(guān)系模型i和數(shù)學(xué)關(guān)系模型ii，確定各預(yù)警等級對應(yīng)的壓電信號范圍；

15、s3、在盾構(gòu)隧道施工前，在每相鄰兩個盾構(gòu)隧道管片的縱縫斷面之間均設(shè)置有兩對柔性壓電感知裝置；在每相鄰的兩環(huán)盾構(gòu)隧道管之間的管片環(huán)縫斷面之間分別沿水平方向和豎直方向各對稱設(shè)置有兩組柔性壓電感知裝置，且每組柔性壓電感知裝置由兩對柔性壓電感知裝置構(gòu)成；其中，在各相鄰斷面之間的兩對柔性壓電感知裝置中，一對柔性壓電感知裝置的柔性壓電電纜傳感器固定在斷面的橡膠止水條上，另一對柔性壓電感知裝置的柔性壓電電纜傳感器通過橡膠傳力墊固定在斷面上；各的柔性壓電感知裝置的信號處理器設(shè)置在盾構(gòu)隧道管片外側(cè)；

16、s4、基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)模型，構(gòu)建盾構(gòu)隧道管片接縫張開量預(yù)測模型并訓(xùn)練，以通過輸入當(dāng)前時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量和施工參數(shù)，得到下一時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量的預(yù)測值；

17、s5、在盾構(gòu)隧道施工中，利用步驟s3布置的各柔性壓電感知裝置實(shí)時獲得的各盾構(gòu)隧道管片間的壓電信號，并根據(jù)壓點(diǎn)信號得到各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量，以根據(jù)當(dāng)前時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量確定預(yù)警等級，并確認(rèn)當(dāng)前拼裝狀態(tài)是否正常；與此同時，利用步驟s4的盾構(gòu)隧道管片接縫張開量預(yù)測模型，通過輸入當(dāng)前時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量和當(dāng)前施工參數(shù)，獲得下一時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量的預(yù)測值，以根據(jù)下一時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量確定預(yù)警等級，并確認(rèn)下一時刻拼裝狀態(tài)是否正常；若當(dāng)前拼裝狀態(tài)、或下一時刻拼裝狀態(tài)的確認(rèn)結(jié)果為非正常狀態(tài)時，則根據(jù)不同預(yù)警等級對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直至下一時刻各盾構(gòu)隧道管片間的接縫張開量的預(yù)測值對應(yīng)的拼裝狀態(tài)為正常。

18、進(jìn)一步地，在步驟s1中，盾構(gòu)隧道接縫壓電感知實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施步驟為：

19、s101、搭建盾構(gòu)隧道接縫壓電感知實(shí)驗(yàn)裝置，其由電子萬能試驗(yàn)機(jī)和鋼制模具構(gòu)成；鋼制模具由兩個鋼制壓片構(gòu)成，二者相接觸的面上對稱開設(shè)有內(nèi)置有橡膠止水條的條形凹槽；其中，橡膠止水條與盾構(gòu)隧道管片斷面上設(shè)置的橡膠止水條相同，且其在條形凹槽內(nèi)的設(shè)置方式與其在盾構(gòu)隧道管片斷面上的設(shè)置方式相同；兩個鋼制壓片對稱固定在電子萬能試驗(yàn)機(jī)的上壓頭底面上和其下壓頭頂面上；

20、s102、將一個柔性壓電感知裝置的兩個柔性壓電電纜傳感器以與盾構(gòu)隧道管片間相同的設(shè)置方式固定在兩個鋼制壓片上的橡膠止水條之間；控制與上壓頭連接的單軸加壓裝置沿軸向逐漸下移，以利用兩個鋼制壓片模擬盾構(gòu)隧道管片間自張開至閉合的過程，同時實(shí)時監(jiān)測該過程中兩個鋼制壓片之間的間距變化、以及由柔性壓電感知裝置采集的壓電信號變化；

21、s103、重復(fù)步驟s102，以兩個鋼制壓片之間的接縫自完全張開至完全閉合為測試基準(zhǔn)，開展3～5個不同接縫張開量的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，從而確定壓電信號與接縫張開量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

22、進(jìn)一步地，在步驟s2中，管片接縫張開量的線性歸一化處理公式為：式中，x'為歸一化后的管片接縫張開量，x為原始管片接縫張開量，xmax為管片接縫允許張開量的最大值，xmin為管片接縫允許張開量的最小值。

23、進(jìn)一步地，在步驟s2中，盾構(gòu)隧道接縫張開量的四個預(yù)警等級劃分為：

24、當(dāng)x'＜0或x'＞1時，盾構(gòu)隧道接縫張開量等級為特別嚴(yán)重；

25、當(dāng)0＜x'＜0.15或0.85＜x'＜1時，盾構(gòu)隧道接縫張開量等級為嚴(yán)重；

26、當(dāng)0.15＜x'＜0.3或0.7＜x'＜0.85時，盾構(gòu)隧道接縫張開量等級為較重；

27、當(dāng)0.3＜x'＜0.7時，盾構(gòu)隧道接縫張開量等級為正常。

28、進(jìn)一步地，在步驟s3中，相鄰斷面之間的兩組柔性壓電感知裝置的設(shè)置方式為：

29、1)對于設(shè)置在相鄰兩個盾構(gòu)隧道管片的縱縫斷面之間的兩組柔性壓電感知裝置，第一組的兩個柔性壓電感知裝置以其兩個柔性壓電電纜傳感器沿盾構(gòu)隧道管片的長度方向呈平行且間隔設(shè)置的方式、居中固定在一個盾構(gòu)隧道管片的縱縫斷面橡膠止水條上，第二組的兩個柔性壓電感知裝置以其兩個柔性壓電電纜傳感器沿盾構(gòu)隧道管片的寬度方向呈平行且間隔設(shè)置的方式、通過橡膠傳力墊居中固定在同一個盾構(gòu)隧道管片的縱縫斷面上；

30、2)對于設(shè)置在兩個盾構(gòu)隧道管片的環(huán)縫斷面上的兩組柔性壓電感知裝置，第一組的兩個柔性壓電感知裝置以其兩個柔性壓電電纜傳感器沿盾構(gòu)隧道管周向呈平行且間隔設(shè)置的方式、居中固定在一個盾構(gòu)隧道管片的環(huán)縫斷面橡膠止水條上，第二組的兩個柔性壓電感知裝置以其兩個柔性壓電電纜傳感器沿垂直于第一組的兩個柔性壓電電纜傳感器的方向呈平行且間隔設(shè)置的方式、通過橡膠傳力墊對稱固定在同一個盾構(gòu)隧道管片的環(huán)縫斷面兩側(cè)。

31、進(jìn)一步地，在步驟s4中，盾構(gòu)隧道管片接縫張開量預(yù)測模型由輸入層、隱含層與輸出層構(gòu)成；輸入層由十個神經(jīng)元構(gòu)成，隱含層由十個神經(jīng)元構(gòu)成，輸出層由一個神經(jīng)元構(gòu)成；各層神經(jīng)元之間關(guān)系的計(jì)算表達(dá)式為：

32、

33、

34、式中，是第(l-1)th層第ith個神經(jīng)元的輸出值(l可取2,3，i＝1,…,10)，其中為輸入層第1個神經(jīng)元對應(yīng)千斤頂最大頂推力，為輸入層第2個神經(jīng)元對應(yīng)千斤頂加載速率，為輸入層第3個神經(jīng)元對應(yīng)刀盤超挖量，為輸入層第4個神經(jīng)元對應(yīng)注漿參數(shù)，為輸入層第5個神經(jīng)元對應(yīng)管片拼裝點(diǎn)位，為輸入層第6個神經(jīng)元對應(yīng)隧道埋深，為輸入層第7個神經(jīng)元對應(yīng)地層密度，為輸入層第8個神經(jīng)元對應(yīng)地層泊松比，為輸入層第9個神經(jīng)元對應(yīng)地層壓縮模量，為輸入層第10個神經(jīng)元對應(yīng)接縫類型(縱/環(huán))；為隱含層(i＝1,…,10)，與輸入層神經(jīng)元數(shù)目相同，共10個神經(jīng)元；為輸出層，輸出層包含1個神經(jīng)元，對應(yīng)管片接縫張開量。m是第lth層中神經(jīng)元的數(shù)目，是第lth層第jth個神經(jīng)元和第(l-1)th層第ith個神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，是與第lth層第jth個神經(jīng)元相關(guān)的偏差值，和可通過現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化，γlj是第lth層第jth個神經(jīng)元的初始線性值，f()是激勵函數(shù)，具體為雙曲正切函數(shù)。

35、進(jìn)一步地，在步驟s4中，用于訓(xùn)練盾構(gòu)隧道管片接縫張開量預(yù)測模型的學(xué)習(xí)樣本取自同類工程施工數(shù)據(jù)和/或當(dāng)前工程中的先行施工區(qū)段施工數(shù)據(jù)。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，該裝配式地下結(jié)構(gòu)施工拼裝質(zhì)量控制系統(tǒng)的有益效果為：

37、(1)該系統(tǒng)及方法依次通過盾構(gòu)隧道接縫壓電感知實(shí)驗(yàn)，以確定壓電信號與管片接縫張開量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，根據(jù)管片接縫允許張開量的允許最大值與最小值確定管片接縫張開量的預(yù)警等級，確定預(yù)警等級與壓電信號變量間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時感知盾構(gòu)隧道拼裝過程中管片的力學(xué)響應(yīng)，確定盾構(gòu)隧道管片接縫張開量的安全狀態(tài)，為后續(xù)盾構(gòu)隧道施工參數(shù)的調(diào)整、及管片拼裝狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控和控制提供合理依據(jù)。

38、(2)該系統(tǒng)及方法能夠結(jié)合類似工程及先行施工段的施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對后續(xù)管片拼裝接縫張開量的有效預(yù)測，針對不利情況及時優(yōu)化調(diào)整施工參數(shù)，直至演繹結(jié)果符合施工標(biāo)準(zhǔn)，并給出建議的施工參數(shù)，有效輔助施工。