一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法及裝置，通過在隧道內(nèi)壁上布設溫度傳感器陣列，利用水與墻壁間的溫差及水的蒸發(fā)散熱作用，根據(jù)各鉑電阻測點的溫度來判斷被測區(qū)域是否存在滲漏，并可以根據(jù)檢測信息估計出滲漏區(qū)域的形狀。本發(fā)明能夠在滲漏水現(xiàn)象出現(xiàn)時及時定位和報警，以便管理人員在第一時間發(fā)現(xiàn)和治理隧道滲漏水病害，此外，還可以長期監(jiān)測已有滲漏水病害的發(fā)展，幫助觀察隧道的結(jié)構性能演變趨勢。
【專利說明】—種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及隧道滲漏水檢測【技術領域】，特別涉及一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]隨著我國城市現(xiàn)代化水平的提高和人們生活節(jié)奏的加快，地鐵以其方便快捷的優(yōu)勢正逐漸成為大城市公共交通系統(tǒng)的重要組成部分，大量的省會城市及部分二線城市都在投入巨資新建地鐵。與此同時，地鐵隧道健康服役面臨的問題卻日益突出。滲漏水是最常見也是最典型的一種地鐵隧道結(jié)構病害，我國的許多城市地鐵都在被嚴重的滲漏水病害所困擾。
[0003]在地下水的長期侵蝕作用下，隧道襯砌中的混凝土和鋼筋受到腐蝕，原有的微裂縫擴大、貫穿，影響隧道結(jié)構的耐久性，大量的滲漏水還會降低隧道內(nèi)各種附屬設施的使用功能和壽命，危及行車安全。對盾構隧道而言，發(fā)生局部滲水后，在地下水補給不充分時，地下水的流失使得孔隙水壓力降低，土中有效應力增加，土體被壓密而引起不均勻沉降，隧道產(chǎn)生變形，導致錯臺、管片與道床脫開、環(huán)向收斂等一系列病害，隧道的彎曲還導致隧道接縫張開，從而進一步加劇滲漏?？梢?，滲漏水不僅是盾構隧道中最普遍的結(jié)構病害，還會誘發(fā)一系列的其他病害，因此，對隧道滲漏水病害的檢測在當前形勢下顯得尤為重要。
[0004]現(xiàn)有的隧道滲漏水常規(guī)檢測通常由檢測人員攜帶檢測工具或設備，采用步行的方式進行目測或量測，這類方法存在效率低、主觀性強、費時、費力等缺點。近年來，人們研究出了紅外熱成像法、激光掃描法、地質(zhì)雷達法、光纖光柵、分布式光纖等滲漏水快速無損檢測方法，其中最常用的當數(shù)紅外熱成像法。當物體溫度高于絕對零度時，物體表面的原子和分子運動會發(fā)出紅外線能量。紅外熱像儀是一種二維平面成像的紅外系統(tǒng)，它可以將紅外輻射能量聚集在紅外探測器上，形成被測目標的紅外熱圖像。許多研究表明滲漏水區(qū)域內(nèi)外存在溫度梯度變化，向外輻射的紅外能量也有所不同，因此可以利用紅外熱像儀進行有效檢測。紅外熱成像法具有精度高的優(yōu)點，但儀器設備成本較高，若要大范圍檢測則需要依靠車輛移動，通常每隔一段時間才會沿隧道全長檢測一次，且每次檢測周期較長、效率較低。滲漏水是一個隨機的過程，如果采取人工或儀器定期檢測，則檢測間歇期發(fā)生的嚴重滲漏水，無法在第一時間發(fā)現(xiàn)和處置，有可能會釀成災害。因此，針對當前的滲漏水問題，需要一種低成本、并能夠長期、自動檢測隧道滲漏水的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法及裝置，通過在隧道內(nèi)壁布設溫度傳感器陣列，利用各測點的溫度差異來檢測滲漏水，以解決現(xiàn)有檢測方法存在的問題。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0007]一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法，包括以下步驟:
[0008]I)將隧道滲漏水常發(fā)位置標記為檢測區(qū)域；
[0009]2)在每個檢測區(qū)域的隧道內(nèi)壁上布設溫度傳感器陣列；
[0010]3)定時采集溫度傳感器檢測到的溫度；
[0011]4)根據(jù)兩個溫度傳感器之間的溫差，判斷所述兩個溫度傳感器之間的區(qū)域是否滲水。當隧道混凝土墻壁呈干燥狀態(tài)時，兩個溫度傳感器間幾乎沒有溫度差異。當墻壁出現(xiàn)滲水時，由于水與墻壁間的溫度差異，以及水的蒸發(fā)散熱作用，滲水區(qū)域與不滲水區(qū)域?qū)嬖诿黠@溫度差異，且滲水區(qū)域內(nèi)部的溫度呈現(xiàn)不同的變化特征。試驗發(fā)現(xiàn)，當緩慢滲水時，滲水區(qū)域內(nèi)部存在明顯溫度梯度變化，越靠近出水口處，滲水區(qū)內(nèi)外部的溫度梯度變化越大。在較快滲水和濕跡的情況下，滲水區(qū)域內(nèi)部的溫度沒有太大差異，但滲水區(qū)域邊緣溫度變化劇烈，可以通過該特征來簡單判斷滲水強度。若溫差小于或等于閾值，則認為該區(qū)域不滲水，若溫差大于閾值，則認為該區(qū)域滲水。
[0012]所述的溫度傳感器陣列呈網(wǎng)格狀或條帶狀排列，所述的溫度傳感器為貼片式鉬電阻傳感器。
[0013]檢測時通過溫度傳感器陣列中橫向或縱向上兩個相鄰的溫度傳感器之間的溫差，判斷相鄰溫度傳感器之間的區(qū)域是否存在滲水，對所有相鄰溫度傳感器之間的區(qū)域依次進行檢測，獲取滲漏水的位置和形狀。
[0014]根據(jù)采集到的所有溫度傳感器測點的溫度值，利用以下原則可以近似確定滲漏水形狀:溫度相近的測點可以認為滲漏水情況相同，同為滲漏區(qū)域或不滲漏區(qū)域。若兩相鄰測點存在一定溫度差，則認為滲漏水情況在此兩點間改變，以此兩點連線的中點作為近似確定滲漏水邊緣的定位點。將所有此類定位點用樣條曲線或者直線相連，即可得到近似滲漏水形狀。
[0015]檢測時可以采用多通道采集模塊同時獲得多個鉬電阻傳感器的溫度值，可以采用單通道采集模塊以巡檢的方式依次獲得各個鉬電阻傳感器的溫度。在實際應用中，應以兩者結(jié)合最佳，每一輪采集的間隔周期為I小時?I天，根據(jù)滲漏水嚴重程度和隧道重要性決定。
[0016]對于隧道滲漏水常發(fā)位置，對于盾構隧道，為隧道兩端及旁通道附近的環(huán)縫、縱縫、注漿孔等；對于山嶺隧道，為拱部、中墻等，每個檢測區(qū)域的大小在0.5mX0.5m?ImX Im之間為宜。由于溫度傳感器陣列的排列方式根據(jù)檢測部位決定，對于盾構隧道的接縫部位，溫度傳感器應垂直接縫呈條帶狀排列、對于盾構隧道的注漿孔部位以及山嶺隧道的大部分滲漏水部位，溫度傳感器應呈網(wǎng)格裝排列。溫度傳感器陣列的個數(shù)根據(jù)待檢測區(qū)域的大小決定，為了降低成本同時控制漏檢數(shù)量，相鄰溫度傳感器間的間距宜為10cm_20cm。
[0017]一種用于實施權利上述方法的隧道滲漏水檢測裝置，包括檢測單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和管理控制單元，所述的檢測單元設置于每個檢測區(qū)域處，檢測單元包括溫度傳感器陣列和溫度采集模塊，所述的溫度采集模塊獲取溫度傳感器陣列中每個溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并通過傳輸單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理控制單元。
[0018]所述的檢測單元還包括基底、墊塊和模擬開關，所述的基底采用絕緣隔熱材料制成，作為溫度傳感器陣列的載體，所述的墊塊設置于基底上，將基底和溫度傳感器陣列固定在隧道內(nèi)壁上，所述的溫度傳感器陣列呈網(wǎng)格狀或條帶狀排列，溫度傳感器為貼片式鉬電阻傳感器，并通過模擬開關連接溫度采集模塊，溫度傳感器與隧道內(nèi)壁之間設置導熱膠。
[0019]所述的數(shù)據(jù)傳輸單元包括無線發(fā)射模塊、中繼站、無線接收模塊，所述的無線發(fā)射模塊連接溫度采集模塊，所述的無線接收模塊連接管理控制單元，無線發(fā)射模塊和無線接收模塊之間根據(jù)距離選擇通過中繼站或者直接進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0020]所述的管理控制單元包括監(jiān)測計算機和數(shù)據(jù)庫，用于檢測數(shù)據(jù)的保存和讀取、滲漏水事件的報警和定位、以及控制指令的發(fā)布。
[0021]其特征在于，溫度采集模塊根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)，若檢測到的溫差小于或等于閾值，即該區(qū)域不滲水，則溫度采集模塊不發(fā)送數(shù)據(jù)；若檢測到的溫差大于閾值，即該區(qū)域滲水，則溫度采集模塊通過傳輸單元將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至管理控制單元。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用混凝土與地下水的溫度差異以及水的蒸發(fā)散熱作用，實現(xiàn)對隧道滲漏水常發(fā)位置的長期自動檢測。該裝置可以在滲漏水現(xiàn)象出現(xiàn)時及時定位和報警，以便隧道管理人員在第一時間發(fā)現(xiàn)和治理隧道滲漏水病害，最大限度減小滲漏水造成的損失，此外還可以長期監(jiān)測已有滲漏水病害的發(fā)展，估計滲漏水的面積，以幫助隧道管理人員觀察隧道的結(jié)構性能演變趨勢。而且本發(fā)明采用無線傳感網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在橫斷面上不會影響隧道限界，列車運行時也可照常檢測。在縱向上，可以節(jié)省大量傳輸電纜，有效控制成本。
[0023]其優(yōu)點在于:
[0024]I)平時未發(fā)生滲漏水時數(shù)據(jù)傳輸單元不向外傳輸信號，僅在發(fā)生滲漏水時才自動向外傳輸信號，節(jié)約能源，實現(xiàn)主動報漏功能。
[0025]2)無需人工輔助，即可實現(xiàn)隧道滲漏水的長期自動監(jiān)測，并可以提供滲漏水位置、面積等信息，提高隧道運營管理效率。
[0026]3)利用溫度間接檢測滲水，對隧道無任何損害，原理清晰，結(jié)構簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測裝置一個實施例的結(jié)構示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測裝置一個實施例的檢測流程圖；
[0029]圖3是應用本發(fā)明的檢測方法獲得的滲漏水形狀的預估圖，其中(a)為實際滲水形狀及各測量點溫度，(b)為存在溫差的測量點，(C)為檢測獲取的滲水形狀。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0031]實施例
[0032]圖1和圖2示出了本發(fā)明基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測裝置的一個實施例，其中，圖1為該實施例的結(jié)構示意圖，圖2為進行檢測的流程圖。
[0033]如圖1所示，一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測裝置，包括檢測單元101及102、數(shù)據(jù)傳輸單元108和管理控制單元112。
[0034]檢測單元101及102用于檢測滲漏水信息，包括貼片式鉬電阻傳感器103組成的溫度傳感器陣列，基底104、墊塊105、模擬開關106，溫度采集模塊107。溫度傳感器陣列由多個貼片式鉬電阻傳感器103呈條帶狀或網(wǎng)格狀排列組成，其排列方式和個數(shù)根據(jù)所處部位和檢測區(qū)域大小決定。由于測點眾多，為了方便后期鉬電阻傳感器陣列103的安裝固定，應事先將鉬電阻傳感器陣列103根據(jù)預設的排列方式和間距黏貼在基底104上，基底104的材料必須是隔熱性能較好的絕緣材料，從而相鄰兩鉬電阻傳感器的溫度場不會互相影響。采用導熱膠作為貼片式鉬電阻傳感器103與待檢測區(qū)域隧道墻壁間的傳熱材料，以便鉬電阻傳感器陣列103快速準確的感測墻壁溫度。由于普通導熱膠的粘結(jié)性能較差，為了讓貼片式鉬電阻傳感器103以及基底104牢固的固定在墻壁上，在基底104上應設置數(shù)個凸起的墊塊105，其厚度應與鉬電阻傳感器厚度相同或略微小于鉬電阻傳感器厚度，確保墊塊105不會造成貼片式鉬電阻傳感器103與墻壁接觸面間存在空隙。采用強力膠將墊塊105黏貼在隧道墻壁上，或者在基底104與墊塊105上鉆孔，現(xiàn)場用螺栓固定在墻壁上。
[0035]溫度采集模塊107用于讀取各個鉬電阻傳感器測點的溫度值并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將其變?yōu)閿?shù)字信號，以便后期的數(shù)據(jù)傳輸。所述模擬開關106用于控制溫度采集模塊107以輪詢的方式切換被測鉬電阻傳感器，在檢測時可以采用多通道采集模塊同時獲得多個鉬電阻傳感器的溫度值，可以采用單通道采集模塊以巡檢的方式依次獲得各個鉬電阻傳感器的溫度。根據(jù)電路穩(wěn)定性確定輪詢的時間間隔，由于溫度場變化并不迅速，因此輪詢頻率不需要很快，前后兩鉬電阻傳感器測量時刻間隔5s?1s即可。試驗發(fā)現(xiàn)，滲水區(qū)域內(nèi)外的溫度差異通常為0.2?0.6度左右，因此應選用A級或1/3級的鉬電阻傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊的精度也應達到0.1度左右。
[0036]每個待檢測區(qū)域都設置一個檢測單元，在本實施例中設置了 2個檢測單元101及102，每個檢測單元擁有唯一的地址信息，可以被數(shù)據(jù)傳輸單元108識別。
[0037]數(shù)據(jù)傳輸單元108用于接收檢測單元101及102傳來的檢測信息，并傳送給管理控制單元112。所述數(shù)據(jù)傳輸單元108為無線傳感網(wǎng)絡，包括無線發(fā)射模塊109、中繼站110、無線接收模塊111。
[0038]每個檢測單元101及102都配有一個無線發(fā)射模塊109，可以定期將該檢測單元的檢測信息及相應地址信息傳送給中繼站110。
[0039]根據(jù)檢測單元101及102到管理控制單元112的遠近，以及無線信號的最優(yōu)傳輸距離，在隧道中設置若干個中繼站(本實施例中為中繼站110)，用于接收無線發(fā)射模塊109的數(shù)據(jù)，并傳遞給下一個中繼站，最終傳輸給無線接收模塊111。
[0040]無線發(fā)射模塊109與中繼站110之間的傳輸宜選用星形或樹形網(wǎng)絡，中繼站之間的傳輸宜選用條形或組合型網(wǎng)絡。
[0041]無線接收模塊111與管理控制單元112相連，由無線接收模塊111接收到的數(shù)據(jù)先到達監(jiān)測計算機114，后存入數(shù)據(jù)庫113。監(jiān)測軟件系統(tǒng)115根據(jù)數(shù)據(jù)庫113中的檢測信息及地址信息實現(xiàn)滲漏水的報警及滲漏水部位、形狀的判斷。
[0042]本發(fā)明基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測裝置的工作過程如下:
[0043]在檢測開始前，設計測點布置、檢測頻率、檢測順序。選擇第一個檢測單元101進行檢測。
[0044]按照預設的檢測順序選擇該待測區(qū)域的第一個鉬電阻傳感器作為檢測對象，由模擬開關106接通第一個鉬電阻傳感器的電路，并保持一段時間，溫度采集模塊107獲取此時第一個鉬電阻傳感器的溫度值，并傳遞到無線發(fā)射模塊109，接著模擬開關106切換下一個鉬電阻傳感器。類似的，由模擬開關106控制依次接通各個鉬電阻傳感器，由溫度采集模塊進行數(shù)據(jù)的采集，直至檢測到最后一個鉬電阻傳感器，此時完成一個循環(huán)。
[0045]所有的鉬電阻傳感器均檢測完畢后，模擬開關106全部斷開，檢測單元101開始休目民，接著進行下一個檢測單元102的檢測。檢測單元101根據(jù)預設的檢測頻率到下一個檢測時刻恢復工作，開始新一輪循環(huán)。
[0046]由無線發(fā)射模塊109接收到所有鉬電阻傳感器的檢測信息后，對測得的溫度值進行初步判斷，若所有溫度值無明顯差異，說明此時無滲水，對這些數(shù)據(jù)不做處理。若存在一定溫差的兩個溫度值，說明此時很有可能發(fā)生滲水無線發(fā)射模塊109將檢測單元地址、所有鉬電阻傳感器的檢測信息發(fā)射給中繼站。
[0047]中繼站將無線發(fā)射模塊109的數(shù)據(jù)即時傳輸?shù)浇邮斩?11，接著數(shù)據(jù)到達管理控制單元112。
[0048]當管理控制單元112接收到數(shù)據(jù)后，監(jiān)測計算機114報警，并顯示檢測區(qū)域編號，監(jiān)測軟件系統(tǒng)115根據(jù)檢測信息繪制出滲漏水的形狀。如圖3所示，若兩相鄰測點存在一定溫度差，則認為滲漏水情況在此兩點間改變，以此兩點連線的中點作為近似確定滲漏水邊緣的定位點。將所有此類定位點用樣條曲線或者直線相連，即可得到近似滲漏水形狀，并估計滲漏水面積。
[0049]對于暫不處置且需長期監(jiān)測的滲漏水，管理控制單元112接收到數(shù)據(jù)后及時存儲到數(shù)據(jù)庫113中，并由檢測軟件繪制出長期監(jiān)測曲線，供隧道管理人員參考。
【權利要求】
1.一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將隧道滲漏水常發(fā)位置標記為檢測區(qū)域； 2)在每個檢測區(qū)域的隧道內(nèi)壁上布設溫度傳感器陣列； 3)定時采集溫度傳感器檢測到的溫度； 4)根據(jù)兩個溫度傳感器之間的溫差，判斷所述兩個溫度傳感器之間的區(qū)域是否滲水；若溫差小于或等于閾值，則認為該區(qū)域不滲水，若溫差大于閾值，則認為該區(qū)域滲水。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法，其特征在于，所述的溫度傳感器陣列呈網(wǎng)格狀或條帶狀排列，所述的溫度傳感器為貼片式鉬電阻傳感器。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法，其特征在于，檢測時通過溫度傳感器陣列中橫向或縱向上兩個相鄰的溫度傳感器之間的溫差，判斷相鄰溫度傳感器之間的區(qū)域是否存在滲水，對所有相鄰溫度傳感器之間的區(qū)域依次進行檢測，獲取滲漏水的位置和形狀。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法，其特征在于，采用多通道采集或者單通道巡檢的方式實現(xiàn)對所有相鄰溫度傳感器之間的區(qū)域依次進行檢測。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于溫度梯度的隧道滲漏水檢測方法，其特征在于，每個檢測區(qū)域的大小在0.5mX0.5m?ImX Im之間，相鄰溫度傳感器間的間距為1cm?20cm。
6.一種用于實施權利要求1?5中任意一項所述方法的隧道滲漏水檢測裝置，其特征在于，包括檢測單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和管理控制單元，所述的檢測單元設置于每個檢測區(qū)域處，檢測單元包括溫度傳感器陣列和溫度采集模塊，所述的溫度采集模塊獲取溫度傳感器陣列中每個溫度傳感器的數(shù)據(jù)，并通過傳輸單元將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理控制單元。
7.根據(jù)權利要求6所述的隧道滲漏水檢測裝置，其特征在于，所述的檢測單元還包括基底、墊塊和模擬開關，所述的基底采用絕緣隔熱材料制成，作為溫度傳感器陣列的載體，所述的墊塊設置于基底上，將基底和溫度傳感器陣列固定在隧道內(nèi)壁上，所述的溫度傳感器陣列呈網(wǎng)格狀或條帶狀排列，溫度傳感器為貼片式鉬電阻傳感器，并通過模擬開關連接溫度采集模塊，溫度傳感器與隧道內(nèi)壁之間設置導熱膠。
8.根據(jù)權利要求6所述的隧道滲漏水檢測裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)傳輸單元包括無線發(fā)射模塊、中繼站、無線接收模塊，所述的無線發(fā)射模塊連接溫度采集模塊，所述的無線接收模塊連接管理控制單元，無線發(fā)射模塊和無線接收模塊之間根據(jù)距離選擇通過中繼站或者直接進行數(shù)據(jù)傳輸。
9.根據(jù)權利要求6所述的隧道滲漏水檢測裝置，其特征在于，所述的管理控制單元包括監(jiān)測計算機和數(shù)據(jù)庫，用于檢測數(shù)據(jù)的保存和讀取、滲漏水事件的報警和定位、以及控制指令的發(fā)布。
10.根據(jù)權利要求6?9中任意一項所述的隧道滲漏水檢測裝置，其特征在于，溫度采集模塊根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)，若檢測到的溫差小于或等于閾值，即該區(qū)域不滲水，則溫度采集模塊不發(fā)送數(shù)據(jù)；若檢測到的溫差大于閾值，即該區(qū)域滲水，則溫度采集模塊通過傳輸單元將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至管理控制單元。
【文檔編號】G01K13/00GK104236827SQ201310231689
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月9日 優(yōu)先權日:2013年6月9日
【發(fā)明者】黃宏偉, 何斌, 程姝菲, 黃強, 文長輝 申請人:同濟大學