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摘 要：现代化的城市中，地下电缆隧道分布到了城市的各个区域。处在道路下方的隧道，有可能因重型汽车的碾压或者其它形式的地面上的压力出现坍塌，严重影响城市的交通、通讯和电力供应等。本研究设计了一种监控装置，通过简单的机构，将隧道顶部的位移转化为便于监测的弹性拉杆应变，可实现对地下电缆隧道塌陷的实时在线监测。
关键词：电缆隧道 塌陷 实时监测 应变
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0066-02
1 研究背景
随着信息时代的来临，通讯线路越来越发达，这些线路一般由地下管道的形式铺设，这样不但节约了地面空间，而且维修的时候也减少了地面拥堵的情况。地下管路隧道在中国虽已发展的比较成熟，但漫长的地下隧道线路极容易受到破坏，如重载汽车的碾压、地震和水土流失等会导致隧道上部出现裂纹，甚至坍塌，对城市的交通、通讯和电力供应造成严重影响。因此，对电缆隧道的结构安全实时监测非常必要。目前，常用的结构安全监测技术大多基于应变传感器，将应变传感器安装在结构上的某些关键位置，根据采集到的应变值评估结构的安全性[1，2]。然而，这些传统的测量应变的方法未必适合地下电缆隧道的典型破坏形式。电缆隧道的坍塌具有明显的特点，隧道发生破坏的时候，顶部碎裂成若干块体，每一块体产生很大的刚体位移，而这些块体内部却只有很小的应变，属于典型的大位移-小应变情况。对于这种情况，如果将传统的应变监测传感器布置在隧道顶部，即使隧道已经塌陷，应变传感器也不能够及时捕捉到信号，有效的方法应该是以位移为监测指标。单就结构位移监测而言，可使用的技术有多种，如人工位移测量法[3]、LVDT等位移计监测法[4]、雷达位移测量法[5]和三维激光扫描法[6]等。这些方法都能够应用在地下电缆隧道坍塌监测中，但有很大的局限性。为此，本研究设计了一种简单机构，将隧道顶部的位移转化为弹性拉杆的应变，结合应变传感器，可实现对地下电缆隧道的实时在线健康监测。
2 监测系统
2.1 原理介绍
本研究提出一种简单可行的监测方法，原理如图1所示。系统装置主要有三个部件，包括竖向距离调节器、横向弹性拉杆和应变传感器。横向弹性拉杆安装在固定的支座上，该支座不因隧道顶部的变形而产生大的位移。系统工作时，调节竖向距离调节器，增加隧道顶部A点和横向弹性拉杆上B点距离，使横向弹性拉杆内部产生初始应力并发生弹性挠度。此时，当隧道上方受到压力作用时，隧道到顶部将产生变形。由于这种变形，A点和B点的距离发生变化，从而使横向弹性拉杆的挠度变大或者变小，进而引起弹性横杆上B点处应变的改变，贴在B点的应变传感器便可记录下改点的应变变化值。当应变的变化量超过事先规定的警戒值时，系统发出报警，从而达到隧道安全监测的目的。
2.2 实验模型
图2是本研究根据图1所示原理制作的实验模型，图中一个拱形钢片和一个水平弹性钢片焊接在一个刚性外框上。拱形钢片用来模拟地下隧道的顶部，水平弹性钢片则用来模拟横向弹性拉杆，上面贴有应变片，和应变测试仪器相连接。共有四个螺旋可变长度的球头螺纹顶杆配置在刚性外框、拱形钢片和水平弹性钢片之间。实验中，首先调长0号顶杆，使水平弹性钢片中出现张紧力，而应变片则把此时弹性钢片中的应变传递到应变仪中进行记录。之后，分别调节1、2和3号顶杆，通过改变它们的长度引起拱形钢片的变形，这种变形导致A、B两点之间的距离增加或者减小，从而使具有初始张紧力的水平弹性钢片上B点处的应变发生改变，并由应变测试仪记录。
3 实验过程与结果
3.1 测量原理
本实验使用BYD-5型应变仪测量水平弹性钢片的应变。该应变仪采用如图3所示的惠斯通电桥测量原理。由图3知，B、D之间的电压电源电压分别为：由公式（6）可以看出，单臂电桥中只有应变片的电阻（不失一般性，假定应变片电阻变化量为）发生改变，所以，即。所以，电压的变化反应了应变片应变的变化。需要说明的是，和是已知量，根据应变仪型号确定。本实验中，，。
3.2 实验过程
（1）取实验装置，调试桥压，旋动0号球头杆，使水平弹性钢片中具有初始应力，待电桥平衡后准备实验。
（2）首先旋动1号球头杆调整其长度，并保证2、3号球头杆和拱形钢片脱离接触。每转动时记录一个，直至旋至。
（3）类似（b）步骤，分别调整2号球头杆和3号球头杆并保持未被调节的球头杆不接触拱形钢片，记录数据。
（4）整理数据，填表绘图。
3.3 试验结果
由于球头杆是可旋转的伸缩式螺纹杆，故实验中分别记录螺杆旋转角度，换算成球头杆伸长的距离，同时观测记录B点两侧的应变片电压改变量，通过公式（6），即换算成B点处的应变。为了减少随机误差，实验进行两次，测量结果列在表1中。
将两次测试结果平均之后，B点应变随各个球头杆增长量变化的趋势可以用表2表示。
从表2中可以看出，1、2、3号球头杆的长度变化对B点处应变的影响非常明显。
4 结论
地下电缆隧道顶部坍塌的特点是塌陷处的大位移小应变，故以隧道顶部位移的变化量作为评判指标是理想的隧道健康监测方案。本监测方法，通过简单的机构，将隧道顶部的位移转化为便于监测的弹性拉杆应变，成本低，技术成熟。模型实验表明，此方法可行性强，施工方便，和应变传感器配合使用，可实现对地下电缆隧道塌陷的实时在线监测。本研究重点是通过模型实验证明监测方案的可行性，因此没有对监测机构进行结构优化设计，这是本研究在将监测机构推广到实际工程应用前应该完成的工作。
参考文献
[1] 胡宁.FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J].交通科技，2009，234（3）：91-94.
[2] 王胜涛，杨广庆，薛晓辉.高速公路路基沉降监测技术研究[J].铁道建筑，2008（2）：76-78.
[3] 陈鹏杰，陆玲霞，李华明.一种新型的基于PSoC3的高精度位移测量仪[J].机电工程，2012，29（9）：1021-1035.
[4] 王洪战.隧道防坍塌预警监测技术研究[J].地矿测绘，2013，29（1）：8-10.
关键词：电缆隧道 塌陷 实时监测 应变
中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0066-02
1 研究背景
随着信息时代的来临，通讯线路越来越发达，这些线路一般由地下管道的形式铺设，这样不但节约了地面空间，而且维修的时候也减少了地面拥堵的情况。地下管路隧道在中国虽已发展的比较成熟，但漫长的地下隧道线路极容易受到破坏，如重载汽车的碾压、地震和水土流失等会导致隧道上部出现裂纹，甚至坍塌，对城市的交通、通讯和电力供应造成严重影响。因此，对电缆隧道的结构安全实时监测非常必要。目前，常用的结构安全监测技术大多基于应变传感器，将应变传感器安装在结构上的某些关键位置，根据采集到的应变值评估结构的安全性[1，2]。然而，这些传统的测量应变的方法未必适合地下电缆隧道的典型破坏形式。电缆隧道的坍塌具有明显的特点，隧道发生破坏的时候，顶部碎裂成若干块体，每一块体产生很大的刚体位移，而这些块体内部却只有很小的应变，属于典型的大位移-小应变情况。对于这种情况，如果将传统的应变监测传感器布置在隧道顶部，即使隧道已经塌陷，应变传感器也不能够及时捕捉到信号，有效的方法应该是以位移为监测指标。单就结构位移监测而言，可使用的技术有多种，如人工位移测量法[3]、LVDT等位移计监测法[4]、雷达位移测量法[5]和三维激光扫描法[6]等。这些方法都能够应用在地下电缆隧道坍塌监测中，但有很大的局限性。为此，本研究设计了一种简单机构，将隧道顶部的位移转化为弹性拉杆的应变，结合应变传感器，可实现对地下电缆隧道的实时在线健康监测。
2 监测系统
2.1 原理介绍
本研究提出一种简单可行的监测方法，原理如图1所示。系统装置主要有三个部件，包括竖向距离调节器、横向弹性拉杆和应变传感器。横向弹性拉杆安装在固定的支座上，该支座不因隧道顶部的变形而产生大的位移。系统工作时，调节竖向距离调节器，增加隧道顶部A点和横向弹性拉杆上B点距离，使横向弹性拉杆内部产生初始应力并发生弹性挠度。此时，当隧道上方受到压力作用时，隧道到顶部将产生变形。由于这种变形，A点和B点的距离发生变化，从而使横向弹性拉杆的挠度变大或者变小，进而引起弹性横杆上B点处应变的改变，贴在B点的应变传感器便可记录下改点的应变变化值。当应变的变化量超过事先规定的警戒值时，系统发出报警，从而达到隧道安全监测的目的。
2.2 实验模型
图2是本研究根据图1所示原理制作的实验模型，图中一个拱形钢片和一个水平弹性钢片焊接在一个刚性外框上。拱形钢片用来模拟地下隧道的顶部，水平弹性钢片则用来模拟横向弹性拉杆，上面贴有应变片，和应变测试仪器相连接。共有四个螺旋可变长度的球头螺纹顶杆配置在刚性外框、拱形钢片和水平弹性钢片之间。实验中，首先调长0号顶杆，使水平弹性钢片中出现张紧力，而应变片则把此时弹性钢片中的应变传递到应变仪中进行记录。之后，分别调节1、2和3号顶杆，通过改变它们的长度引起拱形钢片的变形，这种变形导致A、B两点之间的距离增加或者减小，从而使具有初始张紧力的水平弹性钢片上B点处的应变发生改变，并由应变测试仪记录。
3 实验过程与结果
3.1 测量原理
本实验使用BYD-5型应变仪测量水平弹性钢片的应变。该应变仪采用如图3所示的惠斯通电桥测量原理。由图3知，B、D之间的电压电源电压分别为：由公式（6）可以看出，单臂电桥中只有应变片的电阻（不失一般性，假定应变片电阻变化量为）发生改变，所以，即。所以，电压的变化反应了应变片应变的变化。需要说明的是，和是已知量，根据应变仪型号确定。本实验中，，。
3.2 实验过程
（1）取实验装置，调试桥压，旋动0号球头杆，使水平弹性钢片中具有初始应力，待电桥平衡后准备实验。
（2）首先旋动1号球头杆调整其长度，并保证2、3号球头杆和拱形钢片脱离接触。每转动时记录一个，直至旋至。
（3）类似（b）步骤，分别调整2号球头杆和3号球头杆并保持未被调节的球头杆不接触拱形钢片，记录数据。
（4）整理数据，填表绘图。
3.3 试验结果
由于球头杆是可旋转的伸缩式螺纹杆，故实验中分别记录螺杆旋转角度，换算成球头杆伸长的距离，同时观测记录B点两侧的应变片电压改变量，通过公式（6），即换算成B点处的应变。为了减少随机误差，实验进行两次，测量结果列在表1中。
将两次测试结果平均之后，B点应变随各个球头杆增长量变化的趋势可以用表2表示。
从表2中可以看出，1、2、3号球头杆的长度变化对B点处应变的影响非常明显。
4 结论
地下电缆隧道顶部坍塌的特点是塌陷处的大位移小应变，故以隧道顶部位移的变化量作为评判指标是理想的隧道健康监测方案。本监测方法，通过简单的机构，将隧道顶部的位移转化为便于监测的弹性拉杆应变，成本低，技术成熟。模型实验表明，此方法可行性强，施工方便，和应变传感器配合使用，可实现对地下电缆隧道塌陷的实时在线监测。本研究重点是通过模型实验证明监测方案的可行性，因此没有对监测机构进行结构优化设计，这是本研究在将监测机构推广到实际工程应用前应该完成的工作。
参考文献
[1] 胡宁.FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J].交通科技，2009，234（3）：91-94.
[2] 王胜涛，杨广庆，薛晓辉.高速公路路基沉降监测技术研究[J].铁道建筑，2008（2）：76-78.
[3] 陈鹏杰，陆玲霞，李华明.一种新型的基于PSoC3的高精度位移测量仪[J].机电工程，2012，29（9）：1021-1035.
[4] 王洪战.隧道防坍塌预警监测技术研究[J].地矿测绘，2013，29（1）：8-10.