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，嚴重影響城市的交通、通訊和電力供應等。本研究設計了一種監(jiān)控裝置，通過簡單的機構，將隧道頂部的位移轉化為便于監(jiān)測的彈性拉桿應變，可實現(xiàn)對地下電纜隧道塌陷的實時在線監(jiān)測。

關鍵詞：電纜隧道 塌陷 實時監(jiān)測 應變

中圖分類號：TU99 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0066-02

1 研究背景

隨著信息時代的來臨，通訊線路越來越發(fā)達，這些線路一般由地下管道的形式鋪設，這樣不但節(jié)約了地面空間，而且維修的時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導致隧道上部出現(xiàn)裂紋，甚至坍塌，對城市的交通、通訊和電力供應造成嚴重影響。因此，對電纜隧道的結構安全實時監(jiān)測非常必要。目前，常用的結構安全監(jiān)測技術大多基于應變傳感器，將應變傳感器安裝在結構上的某些關鍵位置，根據(jù)采集到的應變值評估結構的安全性[1，2]。然而，這些傳統(tǒng)的測量應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，隧道發(fā)生破壞的時候，頂部碎裂成若干塊體，每一塊體產生很大的剛體位移，而這些塊體內部卻只有很小的應變，屬于典型的大位移-小應變情況。對于這種情況，如果將傳統(tǒng)的應變監(jiān)測傳感器布置在隧道頂部，即使隧道已經塌陷，應變傳感器也不能夠及時捕捉到信號，有效的方法應該是以位移為監(jiān)測指標。單就結構位移監(jiān)測而言，可使用的技術有多種，如人工位移測量法[3]、LVDT等位移計監(jiān)測法[4]、雷達位移測量法[5]和三維激光掃描法[6]等。這些方法都能夠應用在地下電纜隧道坍塌監(jiān)測中，但有很大的局限性。為此，本研究設計了一種簡單機構，將隧道頂部的位移轉化為彈性拉桿的應變，結合應變傳感器，可實現(xiàn)對地下電纜隧道的實時在線健康監(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)裝置主要有三個部件，包括豎向距離調節(jié)器、橫向彈性拉桿和應變傳感器。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生大的位移。系統(tǒng)工作時，調節(jié)豎向距離調節(jié)器，增加隧道頂部A點和橫向彈性拉桿上B點距離，使橫向彈性拉桿內部產生初始應力并發(fā)生彈性撓度。此時，當隧道上方受到壓力作用時，隧道到頂部將產生變形。由于這種變形，A點和B點的距離發(fā)生變化，從而使橫向彈性拉桿的撓度變大或者變小，進而引起彈性橫桿上B點處應變的改變，貼在B點的應變傳感器便可記錄下改點的應變變化值。當應變的變化量超過事先規(guī)定的警戒值時，系統(tǒng)發(fā)出報警，從而達到隧道安全監(jiān)測的目的。

2.2 實驗模型

圖2是本研究根據(jù)圖1所示原理制作的實驗模型，圖中一個拱形鋼片和一個水平彈性鋼片焊接在一個剛性外框上。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，上面貼有應變片，和應變測試儀器相連接。共有四個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。實驗中，首先調長0號頂桿，使水平彈性鋼片中出現(xiàn)張緊力，而應變片則把此時彈性鋼片中的應變傳遞到應變儀中進行記錄。之后，分別調節(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，這種變形導致A、B兩點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點處的應變發(fā)生改變，并由應變測試儀記錄。

3 實驗過程與結果

3.1 測量原理

本實驗使用BYD-5型應變儀測量水平彈性鋼片的應變。該應變儀采用如圖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，單臂電橋中只有應變片的電阻（不失一般性，假定應變片電阻變化量為）發(fā)生改變，所以，即。所以，電壓的變化反應了應變片應變的變化。需要說明的是，和是已知量，根據(jù)應變儀型號確定。本實驗中，，。

3.2 實驗過程

（1）取實驗裝置，調試橋壓，旋動0號球頭桿，使水平彈性鋼片中具有初始應力，待電橋平衡后準備實驗。

（2）首先旋動1號球頭桿調整其長度，并保證2、3號球頭桿和拱形鋼片脫離接觸。每轉動時記錄一個，直至旋至。

（3）類似（b）步驟，分別調整2號球頭桿和3號球頭桿并保持未被調節(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 試驗結果

由于球頭桿是可旋轉的伸縮式螺紋桿，故實驗中分別記錄螺桿旋轉角度，換算成球頭桿伸長的距離，同時觀測記錄B點兩側的應變片電壓改變量，通過公式（6），即換算成B點處的應變。為了減少隨機誤差，實驗進行兩次，測量結果列在表1中。

將兩次測試結果平均之后，B點應變隨各個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點處應變的影響非常明顯。

4 結論

地下電纜隧道頂部坍塌的特點是塌陷處的大位移小應變，故以隧道頂部位移的變化量作為評判指標是理想的隧道健康監(jiān)測方案。本監(jiān)測方法，通過簡單的機構，將隧道頂部的位移轉化為便于監(jiān)測的彈性拉桿應變，成本低，技術成熟。模型實驗表明，此方法可行性強，施工方便，和應變傳感器配合使用，可實現(xiàn)對地下電纜隧道塌陷的實時在線監(jiān)測。本研究重點是通過模型實驗證明監(jiān)測方案的可行性，因此沒有對監(jiān)測機構進行結構優(yōu)化設計，這是本研究在將監(jiān)測機構推廣到實際工程應用前應該完成的工作。

參考文獻

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

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