CN101943577B - 地铁隧道断面形变检测系统 - Google Patents

Abstract

一种地铁隧道断面形变检测系统，属隧道工程监测技术领域。该系统包括断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置、电源、轨道检测车、站级数据处理系统，所述断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置都安装于轨道检测车上，电源通过电源转换器分别与断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置连接为其供电，电器控制装置内设有PLC控制器，里程定位装置中的旋转编码器、断面扫描装置中传感器及旋转台步进驱动器分别与PLC控制器连接，PLC控制器通过无线通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接。本发明整个检测系统便携集成程度高，运行过程自动化，操作方便，专业技术要求低。运行速度快，测量一个截面的时间极短。测量精度高，系统精度小于3mm。

Description

地铁隧道断面形变检测系统

技术领域

本发明涉及一种隧道工程监测技术领域的系统，具体是一种地铁隧道断面形变检测系统。

背景技术

对于隧道的收敛变形的检测，传统监测多采用人工定期监测的方式进行，由于其观测时间长，观测时段和频率受限，故在隧道运营状态下这种方式不适合。同时，随着分析要求的提高，隧道运营期健康监测系统需具备长期使用、快速、自动监测等功能，由于监测项目多、线路长、测点多、数据量大，现有的监测方式和手段已不能满足工程需要。

国内外常用的检测方法：人工断面测量(收敛计)、全站仪测量、光纤测量。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种地铁隧道断面形变检测系统，专用于地铁休工期间采集隧道变形状态信息。形变检测系统经过之处相应的参数信息便被收集起来，进行分析判断。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明地铁隧道断面形变检测系统包括断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置、电源、轨道检测车、站级数据处理系统，所述断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置都安装于轨道检测车上，电源通过电源转换器分别与断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置连接为其供电，电器控制装置内设有PLC控制器，里程定位装置中的旋转编码器、断面扫描装置中传感器及旋转台步进驱动器分别与PLC控制器连接，PLC控制器通过无线通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接。

所述轨道检测车包括框型结构的底座、支架、车轮、电源架、刹车装置和被动转向装置，所述支架结构为门框式支撑并结合两根斜撑，支架固定于底座之上，所述框型结构的底座采用可拆卸的模块化结构，由两个主梁和两个横梁构成，两个主梁分别对应于左右两个轨道之上，所述底座一侧的主梁上设有里程定位装置，所述车轮的轨道内侧面具有轮缘用于与轨道相配合限定，所述的电源架固定于支架之下用于承载电源。所述刹车装置由两个刹车片、刹车活动支架、制动线、弹簧、制动手柄、固定支架组成。轨道检测车底座的主梁上设有固定支架，整个刹车装置设于该主梁下方并靠近有扶手一侧车轮，刹车装置通过固定支架固定于该主梁。刹车活动支架由两个对称的支架构成，两者铰接形成铰接点，固定支架与刹车活动支架之间在铰接点处固定连接，刹车活动支架的两个对称支架之间还联结有弹簧，对称支架底端还分别安装刹车片，由剪刀原理结合弹簧将刹车片抱死在铁轨上。制动手柄安装于轨道检测车扶手上。制动线的制动线活动端固定于活动支架两个对称支架的顶端，制动线的另一端固定于制动手柄上。所述被动转向装置顶部具有一个止推轴承，止推轴承上侧与轨道检测车底座的主梁下侧接触，轴承下侧与车轮支架上侧接触。止推轴承内由一个转轴从下而上穿过，转轴下面由轴肩顶住，上面由螺母锁死。

所述断面扫描装置包括激光测距仪、倾角传感器和高精度旋转台，其中：倾角传感器紧靠激光测距仪一并固定安装于第一连接板，第二连接板固定连接于旋转台工作面上，第一连接板与第二连接板固定连接。

所述里程定位装置包括测距轮、旋转编码器和扰性悬挂装置，其中测距轮与相应轨道接触，测距轮的转轴外部接有旋转编码器，测距轮与旋转编码器之间通过相互连接的转轴使两者同步旋转，扰性悬挂装置的设置是使测距轮与轨道之间很好的接触以避免滑动摩擦，旋转编码器信号输出端与PLC控制器信号输入端连接。所述测距轮为转轴式金属车轮，扰性悬挂装置包括T型支架、压紧弹簧和测距轮支架，其中，测距轮支架上端通过螺栓固定于轨道检测车底座的主梁的侧壁上，其下端通过T型支架固定于该主梁顶部，所述T型支架横杆与测距轮支架下端连接，其竖向杆套有压紧弹簧且通过螺母固定于主梁顶部。测距轮支架中间安装带有转轴的测距轮，旋转编码器的转轴直接与测距轮的转轴连接固定，旋转编码的外壳与测距轮支架固定。

所述电器控制装置柜内组成部分主要包括有：PLC控制器、电源转换器、无线通讯器、RS232/485转换器、步进电机驱动器，柜体外壳设有控制开关、状态指示灯，其中：PLC控制器的输入IO接口分别与控制开关、旋转编码器信号输出端连接；PLC控制器的输出IO接口分别与状态指示灯和旋转台的步进电机驱动器连接。PLC控制器串口模块的类型是RS485，PLC控制器的串口模块分别与激光测距仪、倾角传感器、无线通讯器的通信接口连接，而无线通讯器以及激光测距仪的接口是RS232，PLC控制器的串口模块与无线通讯器以及激光测距仪之间都需要通过RS232/485转换器进行转换。通过PLC控制器的串口模块发送扫描装置采集数据至无线通讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位机。

所述站级数据处理系统包括相互连接的无线通讯器和上位机，上位机主要包括数据接收通信模块、数据库模块、数据处理模块、公布显示模块，其中，数据接收通信模块通过无线通讯器每次接收的数据按照一定的格式保存到对应的数据库模块中，数据处理模块实现对数据库模块中原始数据进行椭圆拟合，得到隧道截面的轮廓及几何参数，经过与原始设计轮廓或前期同一截面轮廓的比较，得到隧道断面的形变情况，进而对其进行判断预警，公布显示模块实现以网页的形式将数据处理模块所得的计算结果及相应的结论发布出来。

与现有技术相比，本发明为一种隧道运营期健康监测系统，具备长期使用、快速、自动监测功能。具有如下有益效果：

1、本发明安装设计的断面扫描装置精度高，通过检验标定，可达到1mm的设计精度；分辨率高，运行速度快；结构简单稳定，可长期使用；模块化安装，可维护程度高。

2、本发明设计的检测小车坚固耐用，可以承受较大的载荷，保持结构稳定，使用寿命很长；设计精度高；轨道间距为1450mm(标准值)，检测小车两个单边轮缘卡在轨道之间，使车体无法沿垂直轨道方向移动，保证断面扫描装置检测精度；通过里程定位装置可以对所在位置进行精确定位；安装的电源装置为检测车上集成的各设备提供电源。

3、本发明整个检测系统便携集成程度高，运行过程自动化，操作方便，专业技术要求低。运行速度快，测量一个截面的时间极短。测量精度高，系统精度小于3mm。

附图说明

图1为本发明铁隧道断面形变检测示意图

图2为本发明工作原理图

图3为断面扫描装置结构示意图(三视图)

图4为本发明轨道行车结构示意图。其中：图4a主视图；图4b右视图；图4c俯视图。

图4-2刹车装置7结构示意图。

图4-3为被动转向装置2的结构示意图。

图4-4里程定位装置结构示意图(三视图)。

图4-4-1是对应图4-4中主视图的内部结构。

图5为电器柜控制装置。其中：图5a外壳正面示意图，图5b柜体正面示意图

标记说明：1-车轮，11-车轮支架，2-被动转向装置，21-止推轴承，22-转轴，221-轴肩，23-螺母，24-滚珠，3-底座，31-主梁，4-支架，5-测距轮，6-扰性悬挂装置，7-刹车装置，71-刹车片，72-刹车活动支架，721-铰接点，73-制动线，731-制动线活动端，74-弹簧，75-制动手柄，76-固定支架，8-扶手，9-电源架，12-激光测距仪、13-倾角传感器，14-旋转台，15-第一连接板，16-第二连接板，17-旋转编码器，61-螺母，62-T型支架、63-压紧弹簧，64-螺栓，65-测距轮支架，51-测距轮转轴，171-旋转编码器转轴，172-旋转编码外壳，

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

该地铁隧道断面形变检测系统包括断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置、电源、轨道检测车、站级数据处理系统，断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置都安装于轨道检测车上，电源通过电源转换器分别与断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置连接为其供电，电器控制装置内设有PLC控制器，里程定位装置中的旋转编码器、断面扫描装置中传感器及旋转台步进驱动器分别与PLC控制器连接，PLC控制器通过无线通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接。如图2所示。

所述轨道检测车如图4a-图4c所示，该车体可专用于轨迹标准轨道的运行，其将作为隧道断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置和电源的有效载体，隧道断面扫描装置安装在检测车支架4的顶部，里程定位装置安装在检测车底座3一侧的主梁31中部，电器控制装置安装在检测车支架上，电源安装在检测车的电源架9上，从而组成专用的集成单元。该轨道检测车为本发明整个隧道断面测量系统中必不可少的组成部分，具有一定的精度及要求。轨道检测车的精度：车轮1间距1435mm误差小于2mm，车体变形小于1mm，从而保证断面扫描装置的中心点的位置在竖直方向变化小于1mm，水平方向变化小于±1mm。如图4a-图4c所示，本实施例轨道检测车包括框型结构的底座3、支架4、车轮1、电源架9，所述支架4结构为门框式支撑并结合两根斜撑，支架4固定于底座3之上，所述车轮的轨道内侧面具有轮缘用于与轨道相配合限定，车轮1内部安装有轴承，两对车轮1固定于底座3下，所述里程定位装置设于轨道检测车底座3的一侧主梁31上，里程定位装置包括测距轮5、扰性悬挂装置6、旋转编码器17，其中测距轮5与相应轨道接触，测距轮5的转轴外部接有旋转编码器17，扰性悬挂装置6与测距轮5连接用于保证测距轮5与轨道之间滚动摩擦，所述的电源架9固定于支架之下用于承载电源。

底座3为框型外形结构，用以保证结构刚度，节约材料，减轻重量。该底座3由两个主梁31(对应于左右两轨道)及两个横梁(图中未画出)组成，采用模块化结构，可拆卸。通过结构力学计算，稳定、坚固、轻便，不会引起震动。

支架4为门框式支撑结构，结合两根斜撑，其结构简易、稳定，可保证很小的扰性及震动性，并使顶部安装的扫描系统在震动环境下具有较强的鲁棒性。

车轮1在轨道内侧面具有与火车车轮结构外形类似的轮缘，车轮内部安装轴承，并与车轴(心轴)结合组成可灵巧滚动的车轮部分。利用轮缘部分对整个轨道检测车在轨道的相对位置进行限定，即将两个单边轮缘卡在轨道之间，使车体无法沿垂直轨道方向移动。控制车体在标准轨距为1435mm运行，可控范围正负2mm。同时，车轮选用耐磨尼纶材料在保证使用寿命的前提下，有效地减小了运行时产生的震动。

进一步的，本实施例还设有刹车装置7，引用普通自行车刹车装置并加以改进，直接靠摩擦片与轨道的摩擦力制动。通过计算保证有效的摩擦力及制动效果。如图4-2所示，所述刹车装置7由两个刹车片71、刹车活动支架72、制动线73、弹簧74、制动手柄75、固定支架76组成。轨道检测车底座的主梁31上设有固定支架76，整个刹车装置7设于所述主梁31下方并靠近有扶手8一侧车轮，刹车装置7通过固定支架76固定于所述主梁31。刹车活动支架72由两个对称的支架构成，两者铰接形成铰接点721，固定支架76与刹车活动支架72之间在铰接点721处固定连接，刹车活动支架72的两个对称支架之间还联结有弹簧74，对称支架底端还分别安装刹车片71，由剪刀原理结合弹簧74将刹车片71抱死在铁轨上。制动手柄75安装于轨道检测车扶手8上。制动线73的制动线活动端固定于活动支架72两个对称支架的顶端，制动线73的另一端固定于制动手柄75上。按动制动手柄75时，牵引制动线73拉紧刹车片71，通过弹簧74被张拉使刹车片71脱离轨道；松手时，弹簧74恢复形变使刹车片复位抱死铁轨。

进一步的，考虑人机工程学，在所述的门框式支撑上对称设有两个扶手8，采用弯把扶手，如图4a所示，其结构简单，使用方便。

进一步的，本实施例轨道检测车还包括有一被动转向装置2，该转向装置顶部具有一个止推轴承，通过巧妙结合，使连接车轮的车轮支架具有自由转向功能。特点：该转向机构可保证车轮在轨道运行时，尤其是在轨道弯曲处，引导车轮进行偏转，减小车轮磨损及卡死情况的发生。如图4-3所示的被动转向装置2，该转向装置2顶部具有一个止推轴承21，止推轴承21上侧与轨道检测车底座的主梁31下侧接触，轴承21下侧与车轮支架11上侧接触。止推轴承内由一个转轴22从下而上穿过，转轴22下面由轴肩221顶住，上面由螺母23锁死。当车轮承重偏转时，止推轴承的滚珠24滚动摩擦旋转，实现车轮沿轴转向。

所述断面扫描装置如图3所示，包括传感器激光测距仪12、倾角传感器13和高精度旋转台14，其中：倾角传感器13紧靠激光测距仪12一并固定安装于第一连接板15，第二连接板16固定连接于旋转台14工作面上，第一连接板15与第二连接板16固定连接，由此实现转旋转台14带动两个传感器旋转。激光测距仪、倾角传感器的线缆从第一连接板15和第二连接板16之间空隙穿入，再从旋转台14中心穿线孔出来，由此可避免线路缠绕等危害。测距部分本发明采用激光扫描测量方式，具有数据处理简单、测量精度高、范围大等优点，以及抗外界光线干扰能力强、对外界无影响、对人眼无伤害。本实施例选择了DIMETIX公司的DLS-15B激光测距仪，测量精度为1.5mm。旋转控制部分选择了ZOLIX公司的高精度旋转台RAK100，分辨率为0.00125度(8细分)，重复定位精度为小于0.005度，最大速度为25度/秒，各参数均满足设计要求。角度测量部分选用定制ZCT100CL-485DGJ单轴倾角传感器，精度为0.01度，响应频率为2Hz。断面扫描装置安装在检测车支架顶部将完成对所在轨道管片进行周向扫描测量，具有自动化、高精度、高速、稳定、可控性高等特点。运行方式：连接两传感器的旋转台从起始位开始顺时针旋转，每旋转5度(该旋转度数值可修改)，激光测距仪、倾角传感器分别暂存当前值测得的距离值和角度值，当前测得值发送给PLC控制器保存，当旋转至240度(对应若干设定的扫描点数)时扫描停止，PLC控制器保存所有数据。顺时针和逆时针交替运行。

所述里程定位装置如图4-4所示，主要包括测距轮5、旋转编码器17和扰性悬挂装置6，测距轮与旋转编码器之间通过相互连接的转轴使两者同步旋转，扰性悬挂装置6的设置是使测距轮5与轨道之间很好的接触，避免滑动摩擦，旋转编码器17信号输出端与PLC控制器信号输入端连接。在同一起始位置旋转编码器作初始化(归0)，检测车被推行测量中，旋转编码器把在检测断面时的相对位置返回给PLC控制器，进行记录。下次，可通过同一记录值位置进行断面检测，即可实现科学比较同一轨道断面变化趋势。所述测距轮5为转轴式金属车轮，测距轮5性能稳定、耐磨。如图4-4、图4-4-1所示，扰性悬挂装置6包括T型支架62、压紧弹簧63和测距轮支架65，其中，测距轮支架65上端通过螺栓64固定于轨道检测车底座的主梁31的侧壁上，其下端通过T型支架62固定于所述主梁31顶部，所述T型支架62横杆与测距轮支架65下端连接，其竖向杆套有压紧弹簧63且通过螺母61固定于所述主梁31顶部。测距轮支架65中间安装带有转轴51的测距轮5，旋转编码器17的转轴171直接与测距轮5的转轴51连接固定，旋转编码17的外壳172与测距轮支架65固定，从而实现旋转编码器17的转轴171与其外壳172之间相对运动。通过压紧弹簧63使测距轮支架65有向下的力，从而测距轮与轨道接触面之间的力可以通过螺母61调节控制。

所述的电器控制装置如图5所示，柜内组成部分主要包括有：PLC控制器、电源转换器、无线通讯器、RS232/485转换器、步进电机驱动器，柜体外壳设有控制开关、状态指示灯，其中：PLC控制器的输入IO接口分别与控制开关、旋转编码器信号输出端连接；PLC控制器的输出IO接口分别与状态指示灯和旋转台的步进电机驱动器连接。如图2所示，PLC控制器串口模块的类型是RS485，PLC控制器的串口模块分别与测距传感器、测角传感器、无线通讯器的通信接口连接，而无线通讯器以及激光测距仪的接口是RS232，PLC控制器的串口模块与无线通讯器以及激光测距仪之间都需要通过RS232/485转换器进行转换。通过PLC控制器的串口模块发送扫描装置采集数据至无线通讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位机。

所述站级数据处理系统包括相互连接的无线通讯器和上位机，上位机主要包括数据接收通信模块、数据库模块、数据处理模块、公布显示模块，其中，数据接收通信模块通过无线通讯器每次接收的数据按照一定的格式保存到对应的数据库模块中，数据处理模块实现对数据库模块中原始数据进行椭圆拟合，得到隧道截面的轮廓及几何参数，经过与原始设计轮廓或前期同一截面轮廓的比较，得到隧道断面的形变情况，进而对其进行判断预警，公布显示模块实现以网页的形式将数据处理模块所得的计算结果及相应的结论发布出来。

基于上述本发明系统结构设计，本发明断面形变检测系统的工作原理如图2所示：由PLC控制器与激光测距仪、倾角传感器、无线通讯器组成一个RS485总线，PLC控制器采集各传感器参数同时控制旋转台运动，从而得到地铁隧道截面参数，通过无线通讯方式将数据传给上位机进行处理。如图1所示，当轨道检测车推至初始位置，启动运行，断面扫描装置将自动旋转测量，并采集该地铁隧道截面各角度的距离参数，保存在PLC控制器中。当该截面扫描完成，即可推行检测车固定距离至下一个测量位置，程序自动触发，过程同上。当不需扫描程序，触发开关，实行通信程序，通过PLC控制器的串口模块发送数据至无线通讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位机。最后由上位机对数据进行计算分析，给出结果结论。

Claims (1)

1.一种地铁隧道断面形变检测系统，该系统包括断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置、电源、轨道检测车、站级数据处理系统，所述断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置都安装于轨道检测车上，电源通过电源转换器分别与断面扫描装置、里程定位装置、电器控制装置连接为其供电，电器控制装置内设有PLC控制器，PLC控制器通过无线通讯器与站级数据处理系统中的无线通讯器连接，其特征在于，

所述轨道检测车包括框型结构的底座、支架、车轮、电源架、刹车装置和被动转向装置，所述支架结构为门框式支撑并结合两根斜撑，支架固定于底座之上，所述框型结构的底座采用可拆卸的模块化结构，由两个主梁和两个横梁构成，两个主梁分别对应于左右两个轨道之上，所述底座一侧的主梁上设有里程定位装置，所述车轮的轨道内侧面具有轮缘用于与轨道相配合限定，所述的电源架固定于支架之下用于承载电源；所述刹车装置由两个刹车片、刹车活动支架、制动线、弹簧、制动手柄、固定支架组成；轨道检测车底座的主梁上设有固定支架，整个刹车装置设于该主梁下方并靠近有扶手一侧车轮，刹车装置通过固定支架固定于该主梁；刹车活动支架由两个对称的支架构成，两者铰接形成铰接点，固定支架与刹车活动支架之间在铰接点处固定连接，刹车活动支架的两个对称支架之间还联结有弹簧，对称支架底端还分别安装刹车片，由剪刀原理结合弹簧将刹车片抱死在铁轨上；制动手柄安装于轨道检测车扶手上，制动线的制动线活动端固定于活动支架两个对称支架的顶端，制动线的另一端固定于制动手柄上；所述被动转向装置顶部具有一个止推轴承，止推轴承上侧与轨道检测车底座的主梁下侧接触，轴承下侧与车轮支架上侧接触，止推轴承内由一个转轴从下而上穿过，转轴下面由轴肩顶住，上面由螺母锁死；

所述断面扫描装置包括激光测距仪、倾角传感器和高精度旋转台，其中：倾角传感器紧靠激光测距仪一并固定安装于第一连接板，第二连接板固定连接于旋转台工作面上，第一连接板与第二连接板固定连接；

所述里程定位装置包括测距轮、旋转编码器和扰性悬挂装置，测距轮与相应轨道接触，测距轮的转轴外部接有旋转编码器，测距轮与旋转编码器之间通过相互连接的转轴使两者同步旋转，扰性悬挂装置的设置是使测距轮与轨道之间很好的接触以避免滑动摩擦，旋转编码器信号输出端与PLC控制器信号输入端连接；所述测距轮为转轴式金属车轮，扰性悬挂装置包括T型支架、压紧弹簧和测距轮支架，其中，测距轮支架上端通过螺栓固定于轨道检测车底座的主梁的侧壁上，其下端通过T型支架固定于该主梁顶部，所述T型支架横杆与测距轮支架下端连接，其竖向杆套有压紧弹簧且通过螺母固定于所述主梁顶部；测距轮支架中间安装带有转轴的测距轮，旋转编码器的转轴直接与测距轮的转轴连接固定，旋转编码的外壳与测距轮支架固定；

所述电器控制装置柜内组成部分包括有：PLC控制器、电源转换器、无线通讯器、RS232/485转换器、步进电机驱动器，柜体外壳设有控制开关、状态指示灯，其中：PLC控制器的输入IO接口分别与控制开关、旋转编码器信号输出端连接；PLC控制器的输出IO接口分别与状态指示灯和旋转台的步进电机驱动器连接；PLC控制器串口模块的类型是RS485，PLC控制器的串口模块分别与激光测距仪、倾角传感器、无线通讯器的通信接口连接，而无线通讯器以及激光测距仪的接口是RS232，PLC控制器的串口模块与无线通讯器以及激光测距仪之间都需要通过RS232/485转换器进行转换；通过PLC控制器的串口模块发送扫描装置采集数据至无线通讯器，再由站级处理系统的无线通讯器接收数据，传至上位机；

所述站级数据处理系统包括相互连接的无线通讯器和上位机，上位机主要包括数据接收通信模块、数据库模块、数据处理模块、公布显示模块，其中，数据接收通信模块通过无线通讯器每次接收的数据按照一定的格式保存到对应的数据库模块中，数据处理模块实现对数据库模块中原始数据进行椭圆拟合，得到隧道截面的轮廓及几何参数，经过与原始设计轮廓或前期同一截面轮廓的比较，得到隧道断面的形变情况，进而对其进行判断预警，公布显示模块实现以网页的形式将数据处理模块所得的计算结果及相应的结论发布出来。

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