Система диагностики тоннеля

Описывается система диагностики тоннеля длиной более 1 км. Контроль ведется по малым механическим перемещениям плит относительно друг друга, а также по механическим напряжениям в плитах тоннеля в контрольных точках. Контроль конструкций позволяет отследить как деформации, возникающие длительное время, так и колебательные деформации под действием транспорта. Контроль механических напряжений позволяет контролировать длительные деформации заданного диапазона, а также периодические деформации в пределах допустимого.

Ключевые слова: тоннель, диагностика, микроконтроллер, лазер, тензодатчик, фотоприемник.

Тоннель — это проход под землёй, сооружаемый с транспортными и иными целями. Тоннель может быть пешеходным и/или велосипедным, для движения автомобилей или поездов, трамваев, перемещения воды (канализационные коллекторы), прокладки сетей городского хозяйства и т. п.

Тоннели строят для преодоления природных препятствий (напр., тоннели под горами), для сокращения пути (тоннель через гору вместо дороги вокруг), для сокращения времени движения (тоннель вместо паромной переправы).

Тоннели под водными преградами часто строят вместо тоннелей там, где тоннели могли бы помешать проходу судов. Также тоннели строят во избежание пересечения разных транспортных потоков на одном уровне (подземные переходы, тоннели вместо железнодорожных переездов, тоннели как часть автомобильных и железнодорожных развязок и тому подобное). В некоторых случаях проезды под пролетами тоннелей тоже называют тоннелями, что, однако, неправильно.

Тоннель является одним из древнейших изобретений человечества, наряду с тоннелем. В Вавилоне, Египте, Греции и Риме подземные работы проводились задолго до нашей эры — сначала при добыче полезных ископаемых, сооружении гробниц и храмов, а затем для водоснабжения и транспорта. Первые тоннели сооружались, как правило, в скальных породах, без закрепления последних. Для ведения проходческих работ использовались примитивные орудия.

Тоннели относятся к крупным сооружениям с достаточно высокой стоимости. Сооружение тоннелей идет не один год и также влечет за собой большие затраты. Если учесть тот факт, что эксплуатируемый тоннель несет большую коммуникационную нагрузку, то понятно, почему он относится к объектам стратегического значения. Исходя из этого, своевременная диагностика состояния тоннеля является достаточно актуальной и интересной задачей.

Существуют следующие методы обследования состояния тоннелей:

1) Визуальное обследование. Важное значение имеет визуальное обследование конструкции, с составлением карт расположения обнаруженных дефектов. Визуальное обследование конструкции в труднодоступных местах может производиться при помощи портативных видеокамер.

При обследовании помимо визуального осмотра стандартными методами проводятся инструментальные измерения, инструментальные и лабораторные исследования характеристик материалов при помощи приборов и оборудования. При всестороннем изучении конструкции следует использовать современные специализированные приборы.

2) Инструментальные измерения конструкций. Для обмера конструкций и сечений в настоящее время могут использоваться ультразвуковые и лазерные дальномеры, электронные рулетки и др. При определении толщины элементов эффективно могут быть использованы портативные ультразвуковые толщиномеры, позволяющие производить измерения независимо от материала с высокой точностью до 0,001 мм. Для определения взаимного расположения отдельных частей конструкций могут применяться лазерные уровни, электронные угломеры, тахеометры. Изменение положения элементов с течением времени может фиксироваться методом стереофотограмметрии.

3) Исследование характеристик материалов. Для объективной оценки технического состояния тоннельного сооружения большое значение имеет всестороннее исследование характеристик материалов.

При оценке долговечности железобетонных конструкций важно знать созданы ли благоприятные условия для возникновения коррозии арматуры. Эта задача решается проведением комплексных исследований состояния защитного слоя бетона.

Ниже представлен проект системы предназначенной для автоматического контроля состояния авто-железнодорожного тоннеля длиной более 1 км. Контроль ведется по малым механическим перемещениям плит относительно друг друга, а также по механическим напряжениям в плитах тоннеля в контрольных точках. Контроль конструкций позволяет отследить как деформации, возникающие длительное время, так и колебательные деформации под действием транспорта. Контроль механических напряжений позволяет контролировать длительные деформации заданного диапазона, а также периодические деформации в пределах допустимого.

Контроль деформаций предлагается осуществлять с применением лазерного излучения. Лазерный луч формируется в начале тоннеля и проходит через систему отверстий, установленных на протяжении тоннеля. Луч, пройдя через всю систему, возвращается на фотоприемник. Таким образом, если луч попадает на фотоприемник, то тоннель находится в удовлетворительном состоянии, в противном случае это аварийная ситуация, которая отображается на компьютере, а также звуковым способом на пульте диспетчера. Контроль при помощи лазерных лучей применяется по 16-ти каналам.

Структурная схема устройства представлена на рис. 1 и состоит из блоков:

- БЛ — блок лазеров;

- БФПр — блок фотоприемника;

- У — усилители;

- К — компараторы;

- БТД — блок тензо-датчиков;

- ПрН-ч — преобразователи напряжение-частота;

- ФПер — фотопередатчик;

- ФПр — фотоприемник;

- УФ — управляемый фильтр;

- СИЧ — схема измерения частоты;

- БМК — блок микроконтроллера;

- БИ — блок интерфейса.

Рис. 1. Структурная схема устройства

Схема работает следующим образом: лазерное излучение, пройдя через систему отверстий, преобразуется в напряжение при помощи фотоприемника. Далее это напряжение усиливается и поступает на компаратор. Компаратор сравнивает это напряжение с пороговым напряжением. Если компаратор сработал, значит лазерное излучение принимается.

Блок тензодатчиков также формирует эквивалентное напряжение, которое преобразуется в частотный сигнал и излучается. На приемной стороне данный сигнал принимается, фильтруется и определяется частота этого сигнала. При недеформированном состоянии конструкций принимается частотный сигнал центральной частоты, однако если конструкция подвержена деформации, то наблюдается сдвиг частоты как в меньшую, так и в большую сторону, что и фиксирует система.

Функциональная схема устройства представлена на рис. 2. и состоит из блоков:

- ФПр — фотоприемник;

- УТФД — усилитель тока фотоприемника;

- D — детектор;

- К — компаратор;

- AVR — центральный контроллер;

- DР_к — драйвер радиоканала;

- DРЗ_в — драйвер звука;

- СНС — схема начального сброса;

- УФ — управляемый фильтр;

- Н.О — нуль-орган;

- ГВВ — генератор временных ворот.

Схема работает следующим образом. Лазерный луч поступает в фотоприемник и преобразуется в постоянное напряжение. Далее это напряжение усиливается и поступает на компаратор, на другой вход компаратора поступает напряжение уставки. Данная процедура нужна чтобы четко распознавать сигнал с фотодиода на фоне помех. При срабатывании компаратора цифровой сигнал поступает на порт контроллера.

Рис. 2. Функциональная схема устройства

Сигналы с тензодатчиков также преобразуются при помощи фотоприемника в электрический сигнал, поскольку они имеют частотный характер, то фильтруются управляемым фильтром. Контроллер, настраивая полосу пропускания этого фильтра, таким образом просматривает весь частотный диапазон. Далее синусоидальный сигнал детектируется (выделяется огибающая) и при помощи нуль-органа преобразуется в цифровой уровень. Каждый тензодатчик выдает определенную частоту при нормальном своем состоянии (опасности нет). При возникновении нештатной ситуации частота сдвигается, однако она должна оставаться в пределах полосы пропускания полосового фильтра, при данной настройке. Измерение текущей частоты производится методом временных ворот, т. е. подсчитывается количество импульсов за четко стандартное время. Импульс заведомо точной длительностью формирует генератор временных ворот, запускаемый контроллером, также контроллер считает количество импульсов за это время.

Для связи системы с компьютером диспетчера предназначен драйвер радиоканала. Для звуковой сигнализации предназначен драйвер звука. Схема начального сброса формирует сигнал сброса микроконтроллера при включении питания системы.

Литература:

1. Кудзис, А. П.Железобетонные и каменные конструкции / А. П. Кудзис. — М.: Высшая школа, 1988. — 342 с.

2. Долидзе, Д. Е.Испытание конструкций и сооружений / Д. Е. Долидзе. — М.: Высшая школа, 1975. — 288 с.

3. Бачинский, В. Я.Некоторые вопросы связанные с построением теории железобетона. Бетон и железобетон / В. Я. Бачинский. — М.: Высшая школа, 1979. — 320 с.