一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法技术

本发明专利技术提供一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法，在单个冻结管内安装多维一体监测装置；利用多维一体监测装置的子系统监测获取冻结施工参数；子系统分别评价冻结地层施工效果；得到温度效果指数、冻结平均温度的连通区域面积、雷达冻结效果指数、冻胀量的4个子系统评价指标。建立总体冻结地层施工效果综合评价体系；在一定监测时间范围内，若4个子系统评价指标的相关系数均大于等于0.9，则冻结效果合格，结束冻结施工；反之，为不合格，继续实施冻结。使得冻土施工效果评价定量化，且多种方式分析评价，评价结果更加准确，弥补了冻土施工领域施工效果评价方法的不足。冻土施工领域施工效果评价方法的不足。冻土施工领域施工效果评价方法的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法


[0001]本申请涉及地铁盾构冷冻施工监测领域，更具体涉及一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法。

技术介绍

[0002]地铁在复合地层中的联络通道施工中，经常会采用冻结法进行加固。冻结法是利用制冷技术对地铁施工区域周围的地层进行加固，使其形成具有一定承载力和隔水效果的冻结壁。由于当前地铁建设过程中的复合地层具有上软下硬、上硬下软、左软右硬、左硬右软等软硬度不均匀的特征，致使冻结法加固后的冻结壁质量无法达到理想的效果，常常在施工时极易引发涌水、涌沙、地面塌陷和既有隧道损坏等重大工程事故。因此，复合地层冻结施工是地铁建设过程中的重大危险源，如何有效对冻结的效果进行动态监测是当前地铁建设过程中亟待解决的难题。
[0003]现有地铁复合地层中冻结法施工的监测，主要是通过测温孔温度、泄压孔压力、盐水去回路温度和积极冻结时间进行定性判断。在冷冻管周围通过布设温度传感器和摄像系统，来监测冻土周围温度变化状况。布设传感器需配备轨道和小车，通过轨道和小车来移动传感器，实际施工中，轨道和小车安装工作量大，且不方便操作移动传感器。现有的传感器无法监测冻胀应力和冻结管外的冻结状态，冻胀应力和冻结管外的冻结状态也是冷冻施工的重要施工参数，因此冷冻施工需要监测冻胀应力和冻结管外的冻结状态。
[0004]由于地铁联络通道冻结管埋设深度一般处于25m～30m，且埋设的冻结管数量较多，而测温孔数量非常有限，且分布不均匀，很难对冻结管的冻结壁厚度和多个冻结管的冻结壁交圈进行定量化监测，也无法对冻土冻胀引起复合地层土体的位移进行监测，也不能对冻结后的冻土强度进行评价，特别是不能对地铁联络通道冻结的全过程进行可视化定量跟踪，无法精准评判不同冻结时间不同冻结位置条件下帷幕冻结交圈的动态效果。因此有必要，对冻结管周围的主要施工参数(如冻结温度、冻结变形、冻涨应力等进行监测，确保冻胀施工效果。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法，从空间不同位置动态监测冻结管周围土体影像、冻结管外的冻结状态、冻结管周围土体温度、冻结管周围土体应力等影响冷冻施工的多维因素，从多维因素分析判断冻结地层施工效果，为冻结施工提供数据服务。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法，其特征在于，包括
[0008]步骤1，在单个冻结管内安装多维一体监测装置，包括温感器组5、摄像系统3、雷达探测器组4、冻胀应力监测器组6四个子系统；
[0009]步骤2，利用多维一体监测装置的子系统温感器组5、摄像系统3、雷达探测器组4、
冻胀应力监测器组6分别用于监测并获取冻结温度值、冻结原始图像、电磁参数变化、冻胀应力值，并将这些监测数据提供至核心控制器101；
[0010]步骤3，子系统分别评价冻结地层施工效果；
[0011]子系统温感器组5、摄像系统3、雷达探测器组4、冻胀应力监测器组6分别评价冻结地层施工效果，分别得到温度效果指数、冻结平均温度的连通区域面积、雷达冻结效果指数、冻胀量的4个子系统评价指标。
[0012]步骤4，建立总体冻结地层施工效果综合评价体系；
[0013]在一定监测时间积累范围内，核心控制器101根据监测的数据，分别拟合确定4个子系统评价指标的相关系数；若4个子系统评价指标的相关系数均大于等于0.9，则冻结效果合格，结束冻结施工；反之，为不合格，冻结管继续实施冻结并继续监测判定。
[0014]步骤3中，所述温感器组5评价冻结地层施工效果的方法：
[0015]冻结效果也可通过温感器组5进行评价，获取核心控制器101中温感器一501～温感器五505测量的冻结温度，建立温度定量评价模型，进行定量化评价。具体的评价过程如下：
[0016]S1：采集冻结温度。导出核心控制器101中温感器一501～温感器五505测量的冻结温度，可根据评价需要，选取任意时间内温度数据作为评价指标。
[0017]S2：建立温度定量评价模型。建立的评价模型为：
[0018][0019]上式中，I为温度效果指数；Q
i
为第i项指标采集的温度数据归一化后的值；ω
i
为第i项指标的权重系数；n为温感器数量，即为5。
[0020]步骤3中，所述摄像系统3评价冻结地层施工效果的方法：
[0021]一方面，从温感器组5子系统获得温度值并计算得到冻结平均温度；
[0022]另一方面，首先导出核心控制器101中存储的地层冻结原始图像；其次利用加权平均值法对地层冻结原始图像进行灰度化处理；接着利用背景减除算法，建立冻结图像的灰度值与冻结平均温度的对应关系；接着根据冻结图像的灰度值与冻结平均温度的对应关系，利用K均值聚类算法确定达到冻结平均温度的连通区域面积。
[0023]步骤3中，所述雷达探测器组4评价冻结地层施工效果的方法：
[0024]R1：采集并分析得到冻结效果相关指标。土层介电常数z、电磁波冻土传播速度v、电磁波反射信号强度差值Δ、冻结范围s、冻结管冻胀变形反射条带个数m的五个冻结效果相关指标，可根据评价需要，选取任意时间内核心控制器101中雷达探测器组5测量的数据作为评价指标。
[0025]获取核心控制器101中雷达探测器组5测量的电磁参数值，经核心控制器101计算分析，得到土层介电常数、电磁波冻土传播速度、电磁波反射信号强度差值、冻结范围、冻结管冻胀变形反射条带。
[0026]土层介电常数z：介电常数小于3.2时，表明地层处于冻土范围s，反之为未冻土范围。核心控制器101记录土层介电常数。
[0027]电磁波冻土传播速度v：当电磁波冻土传播速度大于0.17m/ns，表明地层处于冻土范围，反之为未冻土范围。核心控制器101记录电磁波冻土传播速度。
[0028]电磁波反射信号强度差值Δ：计算冻结土范围的电磁波反射信号强度与冻土范围
外临近区域电磁波反射信号强度的差值。核心控制器101记录电磁波反射信号强度差值。
[0029]冻结范围s的计算：通过电磁波从发射至返回的双程走时T与电磁波在冰体中的平均传播速度V1，计算出冻结范围s，计算公式为s＝T*V1/2。
[0030]冻结管冻胀变形反射条带的个数m确定：若周围其它冻结管破裂，则其它冻结管周围地层含水量高且难以结冰，电磁波速度相应较低，电磁波在其它冻结管周围突现冻结管冻胀变形反射条带，核心控制器101记录冻结管冻胀变形反射条带的个数。
[0031]R2：建立雷达冻结效果定量评价模型。建立的评价模型为：
[0032][0033]上式中，A为雷达冻结效果指数；B
i
为第i项指标采集的雷达冻结数据归一化后的值；C
i
为第i项指标的权重系数，工程应用前可以在实验阶段通过测试和验证确立；n为指标数量，即为5。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法，其特征在于，包括：步骤1，对传统冻结管进行改造，在单个冻结管内安装多维一体监测装置，包括温感器组(5)、摄像系统(3)、雷达探测器组(4)、冻胀应力监测器组(6)四个子系统和核心控制器(101)；步骤2，利用多维一体监测装置的子系统温感器组(5)、摄像系统(3)、雷达探测器组(4)、冻胀应力监测器组(6)分别用于监测并获取冻结温度值、冻结原始图像、电磁参数变化、冻胀应力值，并将这些监测数据提供至核心控制器(101)；步骤3，子系统分别评价冻结地层施工效果；子系统温感器组(5)、摄像系统(3)、雷达探测器组(4)、冻胀应力监测器组(6)分别评价冻结地层施工效果，分别得到温度效果指数、冻结平均温度的连通区域面积、雷达冻结效果指数、冻胀量的4个子系统评价指标；步骤4，利用步骤3评价指标建立总体冻结地层施工效果综合评价体系；在一定监测时间积累范围内，核心控制器(101)根据监测的评价指标数据，分别拟合确定4个子系统评价指标的相关系数；若4个子系统评价指标的相关系数均大于等于0.9，则冻结效果合格，结束冻结施工；反之，为不合格，冻结管继续实施冻结并继续监测判定。2.如权利要求1所述的一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法，其特征在于：步骤3中，所述温感器组(5)评价冻结地层施工效果的方法：冻结效果也可通过温感器组(5)进行评价，获取核心控制器(101)中温感器一(501)～温感器五(505)测量的冻结温度，建立温度定量评价模型，进行定量化评价；具体的评价过程如下：S1：采集冻结温度；导出核心控制器(101)中温感器一(501)～温感器五(505)测量的冻结温度，可根据评价需要，选取任意时间内温度数据提供给S2作为评价指标；S2：建立温度定量评价模型；建立的评价模型为：上式中，I为温度效果指数；Q
i
为第i项指标采集的温度数据归一化后的值；ω
i
为第i项指标的权重系数；n为温感器数量，即为5。3.如权利要求1所述的一种动态监测和评价地铁复合地层冻结效果的方法，其特征在于：步骤3中，所述摄像系统(3)评价冻结地层施工效果的方法：一方面，从温感器组(5)子系统获得温度值并计算得到冻结平均温度；另一方面，首先核心控制器(101)利用存储的地层冻结原始图像，采用加权平均值法对地层冻结原始图像进行灰度化处理；接着利用背景减除算法，建立冻结图像的灰度值与冻结平均温度的对应关系；接着根据冻结图像的灰度值与冻结平均温度的对应关系，利用K均值聚类算法确定达到冻结平均温度的连通区域面积；步骤3中，所述雷达探测器组(4)评价冻结地层施工效果的方法：R1：采集并分析得到冻结效果相关指标；以土层介电常数z、电磁波冻土传播速度v、电磁波反射信号强度差值Δ、冻结范围s、冻
结管冻胀变形反射条带个数m为五个冻结效果相关指标，可根据评价需要，选取任意时间内核心控制器(101)中雷达探测器组5测量的数据作为评价指标；获取核心控制器(101)中雷达探测器组5测量的电磁参数值，经核心控制器(101)计算分析，得到土层介电常数z、电磁波冻土传播速度v、电磁波反射信号强度差值Δ、冻结范围s、冻结管冻胀变形反射条带，其中：土层介电常数z：介电常数小于3.2时，表明地层处于冻土范围s，反之为未冻土范围；核心控制器(101)记录土层介电常数；电磁波冻土传播速度v：当电磁波冻土传播速度大于0.17m/ns，表明地...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱劲锋，易觉，邹宝平，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：