電纜隧道塌陷監(jiān)測裝置的測試研究

摘 要：現(xiàn)代化的城市中，地下電纜隧道分布到了城市的各個(gè)區(qū)域。處在道路下方的隧道，有可能因重型汽車的碾壓或者其它形式的地面上的壓力出現(xiàn)坍塌，嚴(yán)重影響城市的交通、通訊和電力供應(yīng)等。本研究設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控裝置，通過簡單的機(jī)構(gòu)，將隧道頂部的位移轉(zhuǎn)化為便于監(jiān)測的彈性拉桿應(yīng)變，可實(shí)現(xiàn)對地下電纜隧道塌陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：電纜隧道 塌陷 實(shí)時(shí)監(jiān)測 應(yīng)變

中圖分類號：TU99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0066-02

1 研究背景

隨著信息時(shí)代的來臨，通訊線路越來越發(fā)達(dá)，這些線路一般由地下管道的形式鋪設(shè)，這樣不但節(jié)約了地面空間，而且維修的時(shí)候也減少了地面擁堵的情況。地下管路隧道在中國雖已發(fā)展的比較成熟，但漫長的地下隧道線路極容易受到破壞，如重載汽車的碾壓、地震和水土流失等會(huì)導(dǎo)致隧道上部出現(xiàn)裂紋，甚至坍塌，對城市的交通、通訊和電力供應(yīng)造成嚴(yán)重影響。因此，對電纜隧道的結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測非常必要。目前，常用的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)大多基于應(yīng)變傳感器，將應(yīng)變傳感器安裝在結(jié)構(gòu)上的某些關(guān)鍵位置，根據(jù)采集到的應(yīng)變值評估結(jié)構(gòu)的安全性[1，2]。然而，這些傳統(tǒng)的測量應(yīng)變的方法未必適合地下電纜隧道的典型破壞形式。電纜隧道的坍塌具有明顯的特點(diǎn)，隧道發(fā)生破壞的時(shí)候，頂部碎裂成若干塊體，每一塊體產(chǎn)生很大的剛體位移，而這些塊體內(nèi)部卻只有很小的應(yīng)變，屬于典型的大位移-小應(yīng)變情況。對于這種情況，如果將傳統(tǒng)的應(yīng)變監(jiān)測傳感器布置在隧道頂部，即使隧道已經(jīng)塌陷，應(yīng)變傳感器也不能夠及時(shí)捕捉到信號，有效的方法應(yīng)該是以位移為監(jiān)測指標(biāo)。單就結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測而言，可使用的技術(shù)有多種，如人工位移測量法[3]、LVDT等位移計(jì)監(jiān)測法[4]、雷達(dá)位移測量法[5]和三維激光掃描法[6]等。這些方法都能夠應(yīng)用在地下電纜隧道坍塌監(jiān)測中，但有很大的局限性。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種簡單機(jī)構(gòu)，將隧道頂部的位移轉(zhuǎn)化為彈性拉桿的應(yīng)變，結(jié)合應(yīng)變傳感器，可實(shí)現(xiàn)對地下電纜隧道的實(shí)時(shí)在線健康監(jiān)測。

2 監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 原理介紹

本研究提出一種簡單可行的監(jiān)測方法，原理如圖1所示。系統(tǒng)裝置主要有三個(gè)部件，包括豎向距離調(diào)節(jié)器、橫向彈性拉桿和應(yīng)變傳感器。橫向彈性拉桿安裝在固定的支座上，該支座不因隧道頂部的變形而產(chǎn)生大的位移。系統(tǒng)工作時(shí)，調(diào)節(jié)豎向距離調(diào)節(jié)器，增加隧道頂部A點(diǎn)和橫向彈性拉桿上B點(diǎn)距離，使橫向彈性拉桿內(nèi)部產(chǎn)生初始應(yīng)力并發(fā)生彈性撓度。此時(shí)，當(dāng)隧道上方受到壓力作用時(shí)，隧道到頂部將產(chǎn)生變形。由于這種變形，A點(diǎn)和B點(diǎn)的距離發(fā)生變化，從而使橫向彈性拉桿的撓度變大或者變小，進(jìn)而引起彈性橫桿上B點(diǎn)處應(yīng)變的改變，貼在B點(diǎn)的應(yīng)變傳感器便可記錄下改點(diǎn)的應(yīng)變變化值。當(dāng)應(yīng)變的變化量超過事先規(guī)定的警戒值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，從而達(dá)到隧道安全監(jiān)測的目的。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2是本研究根據(jù)圖1所示原理制作的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑘D中一個(gè)拱形鋼片和一個(gè)水平彈性鋼片焊接在一個(gè)剛性外框上。拱形鋼片用來模擬地下隧道的頂部，水平彈性鋼片則用來模擬橫向彈性拉桿，上面貼有應(yīng)變片，和應(yīng)變測試儀器相連接。共有四個(gè)螺旋可變長度的球頭螺紋頂桿配置在剛性外框、拱形鋼片和水平彈性鋼片之間。實(shí)驗(yàn)中，首先調(diào)長0號頂桿，使水平彈性鋼片中出現(xiàn)張緊力，而應(yīng)變片則把此時(shí)彈性鋼片中的應(yīng)變傳遞到應(yīng)變儀中進(jìn)行記錄。之后，分別調(diào)節(jié)1、2和3號頂桿，通過改變它們的長度引起拱形鋼片的變形，這種變形導(dǎo)致A、B兩點(diǎn)之間的距離增加或者減小，從而使具有初始張緊力的水平彈性鋼片上B點(diǎn)處的應(yīng)變發(fā)生改變，并由應(yīng)變測試儀記錄。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

3.1 測量原理

本實(shí)驗(yàn)使用BYD-5型應(yīng)變儀測量水平彈性鋼片的應(yīng)變。該應(yīng)變儀采用如圖3所示的惠斯通電橋測量原理。由圖3知，B、D之間的電壓電源電壓分別為：由公式（6）可以看出，單臂電橋中只有應(yīng)變片的電阻（不失一般性，假定應(yīng)變片電阻變化量為）發(fā)生改變，所以，即。所以，電壓的變化反應(yīng)了應(yīng)變片應(yīng)變的變化。需要說明的是，和是已知量，根據(jù)應(yīng)變儀型號確定。本實(shí)驗(yàn)中，，。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）取實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)試橋壓，旋動(dòng)0號球頭桿，使水平彈性鋼片中具有初始應(yīng)力，待電橋平衡后準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。

（2）首先旋動(dòng)1號球頭桿調(diào)整其長度，并保證2、3號球頭桿和拱形鋼片脫離接觸。每轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)記錄一個(gè)，直至旋至。

（3）類似（b）步驟，分別調(diào)整2號球頭桿和3號球頭桿并保持未被調(diào)節(jié)的球頭桿不接觸拱形鋼片，記錄數(shù)據(jù)。

（4）整理數(shù)據(jù)，填表繪圖。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

由于球頭桿是可旋轉(zhuǎn)的伸縮式螺紋桿，故實(shí)驗(yàn)中分別記錄螺桿旋轉(zhuǎn)角度，換算成球頭桿伸長的距離，同時(shí)觀測記錄B點(diǎn)兩側(cè)的應(yīng)變片電壓改變量，通過公式（6），即換算成B點(diǎn)處的應(yīng)變。為了減少隨機(jī)誤差，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次，測量結(jié)果列在表1中。

將兩次測試結(jié)果平均之后，B點(diǎn)應(yīng)變隨各個(gè)球頭桿增長量變化的趨勢可以用表2表示。

從表2中可以看出，1、2、3號球頭桿的長度變化對B點(diǎn)處應(yīng)變的影響非常明顯。

4 結(jié)論

地下電纜隧道頂部坍塌的特點(diǎn)是塌陷處的大位移小應(yīng)變，故以隧道頂部位移的變化量作為評判指標(biāo)是理想的隧道健康監(jiān)測方案。本監(jiān)測方法，通過簡單的機(jī)構(gòu)，將隧道頂部的位移轉(zhuǎn)化為便于監(jiān)測的彈性拉桿應(yīng)變，成本低，技術(shù)成熟。模型實(shí)驗(yàn)表明，此方法可行性強(qiáng)，施工方便，和應(yīng)變傳感器配合使用，可實(shí)現(xiàn)對地下電纜隧道塌陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。本研究重點(diǎn)是通過模型實(shí)驗(yàn)證明監(jiān)測方案的可行性，因此沒有對監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，這是本研究在將監(jiān)測機(jī)構(gòu)推廣到實(shí)際工程應(yīng)用前應(yīng)該完成的工作。

參考文獻(xiàn)

[1]胡寧.FBG應(yīng)變傳感器在隧道長期健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].交通科技，2009，234（3）：91-94.

[2]王勝濤，楊廣慶，薛曉輝.高速公路路基沉降監(jiān)測技術(shù)研究[J].鐵道建筑，2008（2）：76-78.

[3]陳鵬杰，陸玲霞，李華明.一種新型的基于PSoC3的高精度位移測量儀[J].機(jī)電工程，2012，29（9）：1021-1035.

[4]王洪戰(zhàn).隧道防坍塌預(yù)警監(jiān)測技術(shù)研究[J].地礦測繪，2013，29（1）：8-10.