CN103017673A - 隧道围岩变形实时连续监测报警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法。该监测报警方法通过在隧道的不稳定围岩内壁上呈空间布置激光器,在隧道开挖面的下方稳定土体上呈面阵列布置光敏位移信号监测器,光敏位移信号监测器实时接收激光器信号并向计算机系统发送监测数据。本发明的优点是,能实时监控施工隧道不稳定围岩内壁的变形情况从而发出预警信息以避免事故发生;激光器的空间分布设置可避免其所发出的激光线被施工设备全部阻挡造成监测中断;激光器和光敏位移信号监测器的高低位设置易于操作,处于低位的光敏位移信号监测器可根据施工需要随意变换位置;同时将光敏位移信号监测器设置于稳定土体上可避免其受前方施工设备振动等影响造成其测量精度的降低。
Description
技术领域
本发明属于隧道几何变形监测技术领域,具体涉及一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法。
背景技术
随着国家建设的快速发展,目前的公路、铁路隧道出现了一些新的特点:断面大、隧道长、地质条件复杂,隧道掘进面前方的不良地层条件极易引起隧道塌方、涌水。这些因素不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难,也常常因突发事故导致人身伤亡、工期延误,从而造成巨大的经济损失,同时也引起了国家监管部门的高度重视。
目前隧道变形监测方法:1)采用钢尺式收敛计和挂钢尺抄平等接触方式进行量测,该方法具有成本低、操作简单和适应恶劣施工环境的优点。随着越来越多的大跨度隧道的修建,跨度的不断增加使这种监测方法具有明显的局限性,如挂尺困难,对施工干扰大,且难以保证施工变形监测的精度,测量结果容易受人为因素影响。2)非接触三维观测(无尺测量),实现的方法大致有三种:一、是以多台电子经纬仪为主要设备的三维解析测量;二、是以全站仪为主要设备的三维变形量测;三、是以近景摄影机为主要设备的近景变形量测。但是全站仪法由于基准点的物理状态不够稳定,引起测站点坐标误差很大,而观测过程中又没有进行平差处理,所以观测点的坐标误差>±1.0mm。对隧道净空变形监测来说,不能满足精度要求,且由于量测人员、测量设备、测试元件等各种客观的外界条件等原因,现场获得的第一手数据不可避免地存在各种误差或错误。
鉴于上述现有技术的缺陷,本领域的技术人员发明了一种“隧道围岩变形监测方法及其监测系统”(CN 101458069 B),其具体方案为:在隧道围岩的拱顶内壁上固定一个激光器,再在隧道内的不稳定围岩的初期支护上安装固定多个光敏位移信号监测器,所述激光器的信号输出端与光敏位移信号监测器信号的接收端相对;在监测时,该激光器向各个光敏位移信号监测器切换激光光束发送激光信号,光敏位移信号监测器实时向信号处理终端发送不稳定围岩变形位移的监测数据,信号处理终端自动分析监测数据并发出报警信号。该发明方案的缺点在于:1)在实际使用中,激光器与光敏位移信号监测器之间常因施工、台车遮挡,造成激光信号被遮挡、实时监测中断,对隧道内的施工人员造成较大的安全威胁;2)由于是一个激光器对应多个光敏位移信号监测器,要求后一个光敏位移信号监测器必须在激光器光源的有效发射范围内,位置协调及变化多有不便;3)激光器固定在拱顶位置的稳定衬砌上,使用不方便,与施工易冲突;4)激光器和光敏位移信号监测器都设置在高位,操作难度较大;5)光敏位移信号监测器设置在不稳定围岩的初期支护上,由于受前方施工设备振动等影响,其测量精度较低。
因此本领域技术人员急需一种可以改进上述发明中所存在的缺陷的技术方案。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处,提供一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,该监测报警方法通过在隧道的不稳定围岩内壁上呈空间布置激光器,在隧道开挖面的下方稳定土体上呈面阵列布置光敏位移信号监测器,光敏位移信号监测器实时接收激光器信号并向计算机系统发送监测数据,以达到对隧道围岩实时连续监测不被干扰的目的。
本发明目的实现由以下技术方案完成:
一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于至少包括如下步骤: 在所述隧道的不稳定围岩内壁上选定若干变形监测点,分别在所述各变形监测点上固定激光器,同时在所述隧道内稳定土体上选定稳定接收区域,在所述稳定接收区域上设置若干个光敏位移信号监测器;其中所述各激光器分别与所述各光敏位移信号监测器一一对应,所述光敏位移信号监测器与一计算机系统相连; 在监测时,所述各变形监测点上的激光器分别向与其相对应的所述光敏位移信号监测器发送实时激光信号,监测过程中所述光敏位移信号监测器实时向计算机系统发送所述各变形监测点的变形位移监测数据;所述计算机系统根据收集到的变形位移监测数据自动分析,当所述不稳定围岩内壁的变形位移值达到或超过条件设计值时,所述计算机系统将通过一报警系统发出报警信号。
所述报警系统判别围岩稳定性时按如下条件设计值进行判定: 设U表示所述不稳定围岩内壁的实测变形位移值,U0表示所述不稳定围岩内壁的最大允许变形位移值; 当U<U0/3时,围岩内壁处于安全变形阶段,报警系统不报警,且所述报警系统信号等全亮,可正常施工; 当U0/3≤U≤2U0/3时,围岩内壁处于不稳定状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当U>(2U0/3)时,意外性大,是塌方的前兆,报警系统发出急促报警信号,且所述报警系统的信号灯亮起红灯,提示现场操作人员马上撤离隧道。
所述报警系统判别围岩稳定性时按如下条件设计值进行判定: 当净空变化速度持续大于5.0mm/d时,围岩内壁处于急剧变形状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当净空变化速度小于0.2mm/d时,围岩内壁基本达到稳定,报警系统不报警,且所述报警系统信号灯全亮。
所述报警系统判别围岩稳定性时按如下条件设计值进行判定: 当围岩内壁位移变形值速率不断下降时,围岩内壁趋于稳定状态,报警系统不报警,且所述报警系统信号灯全亮; 当围岩内壁位移变形值速率不变时,围岩内壁处于不稳定状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当围岩内壁位移变形值速率不断上升时,围岩内壁处于急剧变形状态,应停止掘进,加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯;
所述激光器的信号输出端与所述光敏位移信号监测器信号的接收端相对。
所述光敏位移信号监测器在所述稳定接收区域内呈面阵列分布。
所述变形监测点设置于所述不稳定围岩内壁的左拱脚、右拱脚及拱顶纵向轴线上,以构成所述激光器的空间分布。
所述不稳定围岩内壁的初期支护上设置有固定支座,所述固定支座上连接有所述激光器。
所述光敏位移信号监测器是PSD、CCD或光纤面板。
本发明的优点是,能实时监控施工隧道不稳定围岩内壁的变形情况从而发出预警信息以避免事故的发生;激光器的空间分布设置可避免其所发出的激光线被施工设备全部阻挡造成监测中断;激光器和光敏位移信号监测器的高低位设置易于操作,设置于稳定土体上的光敏位移信号监测器可根据施工需要随意变换位置;同时将光敏位移信号监测器设置于稳定土体上可避免其受前方施工设备振动等影响造成其测量精度的降低。
附图说明
图1为本发明的俯视示意图;
图2为本发明的侧视示意图;
图3为本发明的立面示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明,以便于同行业技术人员的理解:
如图1-3,图中标记1-12分别为:激光器1~6、光敏位移信号监测器7~12。
实施例:如图1~3所示,本实施例具体涉及一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,该方法旨在当隧道围岩变形位移值达到或超过设计条件值时发出警报,以利于减少和避免隧道、巷道发生重大塌方所造成的人员伤亡和经济损失,提高施工作业的安全性。该监测报警方法具体步骤如下:
①在隧道内设置监测设备:在隧道内稳定土体上选定稳定接收区域,该稳定接收区域可视施工现场具体情况设置于隧道的左、中、右位置,在本实施例中将稳定接收区域设置于隧道截面的中部,在该稳定接收区域内呈面阵列设置光敏位移信号监测器7~12,光敏位移信号监测器可以是PSD、CCD或光纤面板;同时在隧道的不稳定围岩内壁上选定若干变形监测点,在本实施例中将变形监测点选定于不稳定围岩内壁的左拱脚、拱顶以及右拱脚的纵向轴线上,在各变形监测点上分别设置激光器1~6,各激光器通过固定支座固定;其中各激光器分别与各光敏位移信号监测器一一对应,激光器的信号输出端与光敏位移信号监测器的信号接收端相对。
②设备线路连接:将光敏位移信号监测器7~12分别通过信号线与计算机系统连接,计算机系统通过信号线或无线网络与施工现场的报警系统相连通。
③实时连续监测:在监测时,激光器1~6分别向与其相对应的光敏位移信号监测器7~12发送激光信号,光敏位移信号监测器7~12实时向计算机系统发送各监测点上激光器发送过的变形位移监测数据,计算机系统根据收集到的变形位移监测数据进行自动数据处理和分析,当各监测点上的变形位移值达到或超过条件设计值(安全变形值)时,计算机系统向报警系统发送指令,报警系统根据接收到的指令及时向外发出报警。
④围岩内壁稳定性的综合判别,应根据量测结果按下列指标进行:
(一)按变形管理等级指导施工: 管理等级Ⅰ:当U<U0/3时,围岩内壁处于安全变形阶段,报警系统不报警,且所述报警系统信号等全亮,可正常施工;
管理等级Ⅱ:当U0/3≤U≤2U0/3时,围岩内壁处于不稳定状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯;
管理等级Ⅲ:当U>(2U0/3)时,意外性大,是塌方的前兆,报警系统发出急促报警信号,且所述报警系统的信号灯亮起红灯,提示现场操作人员马上撤离隧道;
其中U为所述不稳定围岩内壁的实测变形位移值,U0为所述不稳定围岩内壁的最大允许变形位移值。
(二)根据位移变化速度判别:
当净空变化速度持续大于5.0mm/d时,围岩内壁处于急剧变形状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当净空变化速度小于0.2mm/d时,围岩内壁基本达到稳定,报警系统不报警,且所述报警系统信号灯全亮。
在浅埋地段以及膨胀性和挤压性围岩等情况下,应采用其它指标判别。
(三)根据位移时态曲线的形态来判别:
当围岩内壁位移变形值速率不断下降时(du2/d2t<0),围岩内壁趋于稳定状态,报警系统不报警,且所述报警系统信号灯全亮; 当围岩内壁位移变形值速率不变时(du2/d2t=0),围岩内壁处于不稳定状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当围岩内壁位移变形值速率不断上升时(du2/d2t>0),围岩内壁处于急剧变形状态,应停止掘进,加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯。
以下为本实施例相对于“隧道围岩变形监测方法及其监测系统”(CN 101458069 B)改进之后的优点:
①各激光器分别与各光敏位移信号监测器一一对应,可有效保证各光敏位移信号监测器能接收到激光信号,同时能够实时监测位移变化;而在原专利中,是一个激光器对应多个光敏位移信号接收器,需要激光器在各光敏位移信号监测器之间来回切换激光束来监测,不能达到真正的实时监测,而且光敏位移信号监测器必须在激光器光源的有效发射范围内,对于光敏位移信号监测器的设置位置存在诸多限制。
②通过将各激光器设置在不稳定围岩内壁的左拱脚、拱顶以及右拱脚的纵向轴线上,构成空间分布,因此即使受到施工人员或台车的遮挡也只会造成局部的监测中断,不会造成整个监测系统的瘫痪;而原专利中,由于是一个激光器对应多个光敏位移信号接收器,因此一旦激光器光源受到施工人员或台车的遮挡,将会造成整个监测系统的瘫痪,无法实时监测围岩变形位移情况。
③激光器和光敏位移信号监测器的高低位设置易于操作,设置于稳定土体上的光敏位移信号监测器可根据施工需要随意变换位置;而原专利中,激光器和光敏位移信号监测器都设置在高位,操作难度较大。
④光敏位移信号监测器设置于稳定土体上可避免其受前方施工设备振动等影响造成其测量精度的降低;而在原专利中,光敏位移信号监测器设置在不稳定围岩的初期支护上,由于受前方施工设备振动等影响,其测量精度较低。
Claims (9)
1.一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于至少包括如下步骤: 在所述隧道的不稳定围岩内壁上选定若干变形监测点,分别在所述各变形监测点上固定激光器,同时在所述隧道内稳定土体上选定稳定接收区域,在所述稳定接收区域上设置若干个光敏位移信号监测器;其中所述各激光器分别与所述各光敏位移信号监测器一一对应,所述光敏位移信号监测器与一计算机系统相连; 在监测时,所述各变形监测点上的激光器分别向与其相对应的所述光敏位移信号监测器发送实时激光信号,监测过程中所述光敏位移信号监测器实时向计算机系统发送所述各变形监测点的变形位移监测数据;所述计算机系统根据收集到的变形位移监测数据自动分析,当所述不稳定围岩内壁的变形位移值达到或超过条件设计值时,所述计算机系统将通过一报警系统发出报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述报警系统判别围岩稳定性时按如下条件设计值进行判定: 设U表示所述不稳定围岩内壁的实测变形位移值,U0表示所述不稳定围岩内壁的最大允许变形位移值; 当U<U0/3时,围岩内壁处于安全变形阶段,报警系统不报警,且所述报警系统信号等全亮,可正常施工; 当U0/3≤U≤2U0/3时,围岩内壁处于不稳定状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当U>(2U0/3)时,意外性大,是塌方的前兆,报警系统发出急促报警信号,且所述报警系统的信号灯亮起红灯,提示现场操作人员马上撤离隧道。
3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述报警系统判别围岩稳定性时按如下条件设计值进行判定: 当净空变化速度持续大于5.0mm/d时,围岩内壁处于急剧变形状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯; 当净空变化速度小于0.2mm/d时,围岩内壁基本达到稳定,报警系统不报警,且所述报警系统信号灯全亮。
4.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述报警系统判别围岩稳定性时按如下条件设计值进行判定:当围岩内壁位移变形值速率不断下降时,围岩内壁趋于稳定状态,报警系统不报警,且所述报警系统信号灯全亮;当围岩内壁位移变形值速率不变时,围岩内壁处于不稳定状态,应加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯;当围岩内壁位移变形值速率不断上升时,围岩内壁处于急剧变形状态,应停止掘进,加强围岩内壁的初期支护系统,报警系统发出报警信号,且所述报警系统信号灯亮黄灯。
5.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述激光器的信号输出端与所述光敏位移信号监测器信号的接收端相对。
6.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述光敏位移信号监测器在所述稳定接收区域内呈面阵列分布。
7.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述变形监测点设置于所述不稳定围岩内壁的左拱脚、右拱脚及拱顶纵向轴线上,以构成所述激光器的空间分布。
8.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述不稳定围岩内壁的初期支护上设置有固定支座,所述固定支座上连接有所述激光器。
9.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形实时连续监测报警方法,其特征在于所述光敏位移信号监测器是PSD、CCD或光纤面板。
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