本发明属于隧道施工技术领域，涉及一种用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的系统。
背景技术：
隧道衬砌空洞不仅会引发拱顶掉块，威胁行车安全，还会降低隧道结构的承载能力，降低工程安全系数。由于二次衬砌施工期间衬砌混凝土灌注在模板台车内进行，施工人员无法准确判断拱顶混凝土灌注状态，导致二次衬砌施工期内衬砌混凝土灌注不饱满的情况不能及时处置。而现有检测、监测技术无法针对该施工期的衬砌混凝土灌注状态进行有效识别，因此在该施工期的混凝土灌注不饱满成为了导致衬砌空洞形成的最主要因素之一。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种解决方案，该方案提供了一种定量判断施工期衬砌混凝土灌注状态的系统，有效解决了二次衬砌施工期内的混凝土灌注状态不明确的问题，能够为施工人员提供可靠的判断依据，保障衬砌施工质量，由源头上减少或避免空洞的形成。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的系统，该系统包括：多个检测单元，各检测单元检测混凝土的灌注面高度，并产生表征所述混凝土的灌注高度的电信号；判释单元，其接收多个电信号数据，并对各电信号数据进行处理，获得二次衬砌施工期混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据，并根据这些高度数据来计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。
根据本申请的一个实施例，所述检测单元为检测杆，所述检测杆包括圆筒形的主杆(110)，所述主杆构造成包括半圆环形的第一本体(111)和第二本体(112)，所述第一本体和所述第二本体采用对扣方式形成对接。
根据本申请的一个实施例，在所述第一本体的周向端面上设有第一盲孔(113)和第一圆柱形凸起(114)，在所述第二本体的周向端面上对应设有第二圆柱形凸起(115)和第二盲孔(116)，所述第一圆柱形凸起和所述第二圆柱形凸起能够分别适配安装到所述第二盲孔和所述第一盲孔内，以使所述第一本体与所述第二本体对扣连接为一体，从而形成所述主杆。
根据本申请的一个实施例，所述第一盲孔和所述第二盲孔的延伸方向均设置成与所述主杆的直径方向垂直，且在所述第一圆柱形凸起和所述第二圆柱形凸起的外壁面上分别设有卡槽(118)，在所述第二盲孔和所述第一盲孔的侧壁面上对应设有卡扣(119)，所述卡扣能够与所述卡槽适配卡合，从而将所述第一本体和所述第二本体固定连接为一体。
根据本申请的一个实施例，所述第一圆柱形凸起和所述第二圆柱形凸起的自由端均设置成斜面，以用于导向安装。
根据本申请的一个实施例，在所述主杆的外壁面上设有多组在轴向上间隔开分布的检测电极(120)，所述检测电极用于检测混凝土的灌注面高度，每组所述检测电极包括两个彼此不连通且对称设置在所述第一主体和所述第二主体的外壁面上的弧形导电环(121)。
根据本申请的一个实施例，在所述第一主体和所述第二主体的对应设有所述弧形导电环的侧壁上设有导线孔(122)，布置在所述主杆的内部的导线分别通过所述导线孔连接相应的所述弧形导电环，从而使各组所述检测电极形成并联，各组所述检测电极能够单独检测混凝土的灌注面高度，并产生电信号通过所述导线进行反馈，从而能够根据反馈电信号的对应的所述检测电极判断出混凝土的灌注面高度。
根据本申请的一个实施例，所述判释单元执行如下操作：在二次衬砌施工之前，基于设计文件衬砌参数、全站仪测量数据或三维扫描防水板点云数据确定隧道防水板安装后的隧道内轮廓面曲面方程；在二次衬砌混凝土灌注过程中，根据获得的二次衬砌混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据来拟合得到混凝土灌注面曲面方程；基于所述混凝土灌注面曲面方程和隧道内轮廓面曲面方程，通过重积分计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。
根据本申请的一个实施例，所述判释单元在拟合得到混凝土灌注面曲面方程的步骤中，进一步执行如下操作：根据每个电信号数据换算得到每个检测点的混凝土面高度；以拱顶及拱肩的水平投影作为xoy坐标系，以垂直该xoy坐标系的方向为z轴，建立三维坐标系xyz；基于该三维坐标系，将每个监测点的混凝土面高度换算成每个监测点位坐标；基于监测点位坐标拟合得到混凝土灌注面曲面方程。
根据本申请的一个实施例，该系统还包括：集成装置，其与多个检测单元连接，汇总各检测单元检测到的电信号。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
本发明实施例通过在二次衬砌混凝土灌注的施工过程中，利用布置在不同隧道衬砌的待测位置的各检测单元来检测混凝土的实时灌注面高度，并对各电信号数据进行处理，获得二次衬砌施工期的混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据，并根据这些高度数据来计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。从而有效解决了该施工期衬砌混凝土灌注状态不明确的问题，能够为施工人员提供可靠的判断依据，保障衬砌施工质量，由源头上减少或避免空洞的形成。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明的技术方案而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构和/或流程来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1显示了根据本发明实施例的检测杆的结构。
图2显示了图1所示的检测杆处于拆散状态下的结构。
图3是沿图2中线a-a的剖视图。
图4是图1所示检测杆的俯视图。
图5是沿图4中线b-b的剖视图。
图6是本发明实施例的用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的系统的结构示意图；
图7是本发明实施例的用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的方法的具体流程示意图；
图8是本发明实施例的计算混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积的原理图。
在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图6是本发明实施例的用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的系统的结构示意图。下面参照图6来说明该系统的组成和各组成的功能。
如图6所示，该系统包括多个检测单元100和判释单元120。各个检测单元100检测在混凝土灌注过程中的混凝土的实时灌注面高度，并产生表征混凝土的灌注高度的电信号。判释单元120，其接收多个电信号数据，并对各电信号数据进行处理，获得二次衬砌施工期混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据，并根据这些高度数据来计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。另外，在其他实施例中，还可以包括集成装置110，其与多个检测单元100连接，汇总各检测单元100检测到的电信号，可以实现多组数据的同时读取。
下面先参考图1～5来说明检测单元100的具体结构的实施例。
图1显示了根据本发明实施例的检测杆100的结构。如图1所示，检测杆100包括圆筒状的主杆110和多组设置在主杆110的外壁面上的检测电极120。主杆110采用绝缘杆材料制成。多组检测电极120间隔开设置在主杆110的外壁面上，用于检测混凝土的灌注面高度。
如图2和图3所示，主杆110构造成包括半圆环形的第一本体111和第二本体112，第一本体111和第二本体112采用对扣方式对接为一体，从而形成圆筒状的主杆110。在第一本体111的与第二本体112对接的周向端面上设有第一盲孔113和第一圆柱形凸起114，第一盲孔113和第一圆柱形凸起114设置位置相对于主杆110的中心轴线对称。同时，在第二本体112的与第一本体111对接的周向端面上对应所述第一盲孔113和第一圆柱形凸起114设有第二圆柱形凸起115和第二盲孔116。由此，第一圆柱形凸起114、第二圆柱形凸起115、第二盲孔116和第一盲孔113形成了一组对扣连接部。第一盲孔113和第二盲孔116的延伸方向均设置成与主杆110的直径方向垂直。第一圆柱形凸起114和第二圆柱形凸起115能够分别适配安装到第二盲孔116和第一盲孔113内，以将第一本体111与第二本体112连接为一体，从而形成圆筒状的主杆110。
在本实施例中，对扣连接部设置在第一本体111和第二本体112的周向对接端面上，且在轴向上均匀间隔开设置。在图2所示实施例中，在第一本体111和第二本体112的周向对接端面上设有3组对扣连接部。这种对扣连接部的结构安装方便，并能够保证对接的稳定性。
如图3所示，第一圆柱形凸起114和第二圆柱形凸起115的自由端端面均构造成斜面。这种斜面结构能够对第一圆柱形凸起114和第二圆柱形凸起115起到导向安装的效果，便于适配安装到第二盲孔116和第一盲孔113内。并且，在第一圆柱形凸起114和第二圆柱形凸起115的外壁面上设有卡槽118，卡槽118设置在斜面的轴向内侧。同时，在第二盲孔116和第一盲孔113的侧壁面上对应设有卡扣119，卡扣119能够与卡槽118适配卡合，以将第一本体111和第二本体112对扣并形成卡合，从而固定连接为一体。主杆110的这种结构不仅便于安装，而且能够保证第一本体111和第二本体112之间连接的稳定性，有利于保证检测数据的准确性。
根据本发明，检测电极120构造成包括两个弧形导电环121，且两个弧形导电环121对应地固定安装在第一本体111和第二本体112的外壁面上的。如图4所示，两个弧形导电环121对称安装，从而形成一组检测电极120。每组中的两个弧形导电环121分别在第一本体111和第二本体112的外壁面上沿周向部分延伸，且相互之间不连通。在第一本体111和第二本体112的外壁面上设有多组检测电极120，多组检测电极120之间的轴向间距根据实际需要进行设置。例如，在混凝土灌注过程中，当只需要掌握衬砌混凝土冲顶时的灌注情况时，可以在主杆110的顶部沿轴向均匀间隔开设置多组检测电极120，且多组检测电极120密集分布。当以掌握混凝土冲顶时的灌注状态为主，次要掌握混凝土整个灌注过程时，可以从主杆110的底部至顶部沿轴向按照从疏到密的分布方式设置多组检测电极120。当需要掌握整个灌注状态时，检测电极120可以沿轴向均匀间隔开设置在主杆110的外壁面上。
如图5所示，在第一本体111和第二本体112的对应安装有检测电极120的侧壁上设有贯穿侧壁的导线孔122。第一本体111和第二本体112中的导线孔122相对称设置，且导线孔122连通主杆110的内部与检测电极120。
根据本发明，检测杆100还包括导线(未示出)。导线布置在主杆110的内部，且分别通过导线孔122与各组检测电极120中的各弧形导电环121连接。轴向间隔开分布的各组检测电极120之间并联，从而使得每组检测电极120分别对应连接导线。在实际应用过程中，由于刚灌注的混凝土具有导电性，因此，当混凝土灌注高度达到某一组检测电极120所在的高度时，该组检测电极120形成通路，从而产生一个电信号。由此，使得每组检测电极120能够单独检测而产生电信号，进而能够根据反馈电信号的对应的检测电极120判断混凝土的灌注高度。
根据本发明的检测杆100在使用时，根据实际工况进行布置。具体地，多个检测杆100按照一定的空间密度布置在隧道衬砌的待测部位。例如，当主要需了解拱顶混凝土灌注情况，而次要了解拱肩灌注情况时，可以在拱顶部位布设密度较大的检测杆100，而在拱肩部位布设较小密度的检测杆120。当需要了解拱顶、拱肩的灌注情况时，可以采用阵列式分布的方式均匀布设检测杆120，这样能够以同样密度检测出拱顶部位和拱肩部位的混凝土的灌注面高度。另外，其他需求也可以通过调整检测杆120的布设密度，以满足实际需求。由此，在混凝土灌注时，通过检测杆100反馈的电信号能够了解到二衬衬砌拱肩及拱顶部位多处的混凝土灌注面高度数据。
下面参考图7和图8来说明如何利用该系统的判释单元120来计算混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。
在一个实施例中，判释单元120执行如下操作：在二次衬砌施作钢筋网之前，确定隧道防水板安装后的隧道内轮廓面曲面方程；在二次衬砌混凝土灌注过程中，具体来说，在完成施作二衬钢筋网、台车就位、灌注混凝土、检测到混凝土灌注面数据之后，根据获得的二次衬砌施工期混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据来拟合得到混凝土灌注面曲面方程；最后基于混凝土灌注面曲面方程和隧道内轮廓面曲面方程，通过重积分计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。
具体地，如图7所示，首先判释单元120读取检测单元100检测到的电信号数据，根据每个电信号数据换算得到每个监测点的混凝土面高度h1、h2…hn。然后，建立三维坐标系，将每个监测点的混凝土面高度h1、h2…hn换算成每个监测点位坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)…(xn,yn,zn)。在建立三维坐标的过程中，以混凝土灌注面的投影面，或者说以拱顶及拱肩所建的水平投影，即图8所示的封闭区域d作为xoy坐标系，然后以垂直该xoy坐标系的方向为z轴，最终建立三维坐标xyz。
之后，基于设计文件衬砌参数、全站仪测量数据或在隧道防水板安装后通过三维检测出隧道轮廓的三维扫描防水板点云数据来拟合确定隧道防水板安装后的隧道内轮廓面(如图8所示的最上面的拱形曲面)曲面方程(简称轮廓面方程)，记为z＝f1(x,y)。接着基于检测点位坐标(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)…(xn,yn,zn)拟合得到混凝土灌注面(如图8所示的处于中层的接近于拱形的曲面，在实际状态下，该轮廓曲面并不一定与混凝土灌注面平行，此处仅是为了说明而简化该曲面具体形态)，并得到混凝土灌注面曲面方程，记为z＝f2(x,y)。以及最后，通过重积分，基于方程f1(x,y)和f2(x,y)，即可计算出混凝土面以上，防水板以下的未灌注满的空洞体积。具体可以采用如下表达式来计算空洞体积δv：
式中，d表示封闭区域，为拱肩和拱顶的水平投影。
本发明实施例通过在二次衬砌混凝土灌注的施工过程中，利用布置在不同隧道衬砌的待测位置的各检测单元来检测混凝土的实时灌注面高度，并对各电信号数据进行处理，获得二次衬砌施工期混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据，并根据这些高度数据来计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。从而有效解决了该施工期衬砌混凝土灌注状态不明确的问题，能够为施工人员提供可靠的判断依据，保障衬砌施工质量，由源头上减少或避免空洞的形成。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
技术特征：
1.一种用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的系统，其特征在于，该系统包括：
多个检测单元，各检测单元检测混凝土的灌注面高度，并产生表征所述混凝土的灌注高度的电信号；
判释单元，其接收多个电信号数据，并对各电信号数据进行处理，获得二次衬砌施工期混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据，并根据这些高度数据来计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测单元为检测杆，所述检测杆包括圆筒形的主杆(110)，所述主杆构造成包括半圆环形的第一本体(111)和第二本体(112)，所述第一本体和所述第二本体采用对扣方式形成对接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述第一本体的周向端面上设有第一盲孔(113)和第一圆柱形凸起(114)，在所述第二本体的周向端面上对应设有第二圆柱形凸起(115)和第二盲孔(116)，
所述第一圆柱形凸起和所述第二圆柱形凸起能够分别适配安装到所述第二盲孔和所述第一盲孔内，以使所述第一本体与所述第二本体对扣连接为一体，从而形成所述主杆。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一盲孔和所述第二盲孔的延伸方向均设置成与所述主杆的直径方向垂直，且在所述第一圆柱形凸起和所述第二圆柱形凸起的外壁面上分别设有卡槽(118)，在所述第二盲孔和所述第一盲孔的侧壁面上对应设有卡扣(119)，
所述卡扣能够与所述卡槽适配卡合，从而将所述第一本体和所述第二本体固定连接为一体。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其特征在于，所述第一圆柱形凸起和所述第二圆柱形凸起的自由端均设置成斜面，以用于导向安装。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述主杆的外壁面上设有多组在轴向上间隔开分布的检测电极(120)，所述检测电极用于检测混凝土的灌注面高度，每组所述检测电极包括两个彼此不连通且对称设置在所述第一主体和所述第二主体的外壁面上的弧形导电环(121)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述第一主体和所述第二主体的对应设有所述弧形导电环的侧壁上设有导线孔(122)，布置在所述主杆的内部的导线分别通过所述导线孔连接相应的所述弧形导电环，从而使各组所述检测电极形成并联，
各组所述检测电极能够单独检测混凝土的灌注面高度，并产生电信号通过所述导线进行反馈，从而能够根据反馈电信号的对应的所述检测电极判断出混凝土的灌注面高度。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，所述判释单元执行如下操作：
在二次衬砌施工之前，基于设计文件衬砌参数、全站仪测量数据或三维扫描防水板点云数据确定隧道防水板安装后的隧道内轮廓面曲面方程；
在二次衬砌混凝土灌注过程中，根据获得的二次衬砌混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据来拟合得到混凝土灌注面曲面方程；
基于所述混凝土灌注面曲面方程和隧道内轮廓面曲面方程，通过重积分计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的系统，其特征在于，所述判释单元在拟合得到混凝土灌注面曲面方程的步骤中，进一步执行如下操作：
根据每个电信号数据换算得到每个检测点的混凝土面高度；
以拱顶及拱肩的水平投影作为xoy坐标系，以垂直该xoy坐标系的方向为z轴，建立三维坐标系xyz；
基于该三维坐标系，将每个监测点的混凝土面高度换算成每个监测点位坐标；
基于监测点位坐标拟合得到混凝土灌注面曲面方程。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括：
集成装置，其与多个检测单元连接，汇总各检测单元检测到的电信号。
技术总结
本发明公开了一种用于定量计算隧道二次衬砌施工期混凝土灌注空洞的系统，该系统包括：多个检测单元，各检测单元检测混凝土的灌注面高度，并产生表征所述混凝土的灌注高度的电信号；判释单元，其接收多个电信号数据，并对各电信号数据进行处理，获得二次衬砌施工期混凝土灌注面的按照一定密度分布的监测点的高度数据，并根据这些高度数据来计算出混凝土面以上、防水板以下的未灌注满的空洞体积。通过该发明，有效地解决了二次衬砌施工期混凝土灌注状态不明确的问题，能够为施工人员提供可靠的判断依据，保障衬砌施工质量，由源头上减少或避免空洞的形成。
技术研发人员：马伟斌;韩自力;叶阳升;安哲立;郭小雄;王勇;刘艳青;马荣田;刘延宏;付兵先;邹文浩;程爱君;牛亚彬
受保护的技术使用者：中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所;中国铁道科学研究院集团有限公司
技术研发日：.11.26
技术公布日：.02.28
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