CN103115608B - 穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪及监测方法：该监测仪包括设置于隧道底部近地裂缝处的云台以及设置于云台上的激光测距仪，在跨地裂缝的分段隧道的底部中心位置预埋连接件，在连接件上安装云台，然后将激光测距仪安装于云台上；利用安装于数据处理系统内的数据控制软件控制激光测距仪对脱空监测数据进行定时自动采集；本发明所述监测仪利用激光测距仪的测距原理，不仅结构简单，容易操作、成本低廉，而且可以对脱空区域进行实时的监测，及时获得脱空区域的变化情况。

Description

穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪及监测方法

技术领域

本发明属于地裂缝带脱空监测技术领域，具体涉及一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪及监测方法。

背景技术

地裂缝是一种常见的地质灾害，在全世界许多国家都有发现，例如中国、美国、土耳其、泰国、利比亚。我国地裂缝的分布十分广泛，随着城市化进程的加快，地裂缝的发展具有范围不断扩大、危害不断加重的趋势。

由于地铁属于长线工程，不能采取常规避让的方法避开地裂缝，因而要求地铁隧道必须安全地穿越地裂缝。已有的研究发现，当地裂缝活动时，由于地铁隧道横穿地裂缝，随着地裂缝上盘的沉降，位于上盘的分段地铁隧道底部近地裂缝处会出现一定范围的脱空，进而影响整个结构受力性能发生根本性改变。

目前，在穿越地裂缝的隧道底部脱空监测中多采用在隧道底部预先埋置一些测试元件，例如电阻式位移计或者压力盒。当利用压力盒进行隧道底部脱空范围的监测时，可在隧道底部安装一到两排压力盒，根据读数变化即可确定隧道底部是否出现脱空现象。压力盒的接触压力趋近于0时，就可断定压力盒所在位置的隧道底部已出现脱空现象。

但是，由于脱空区域难以确定，因而如果测试元件布置的密度过小，则会导致测试范围不够精确；如果测试元件布置的密度过大，则会导致测试元件之间产生影响，读数不准确，同时也会使测试成本过高。

地质雷达是一种采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率，能快速、高效地进行无损检测,在隧道工程质量检测中得到广泛的应用，尤其在工程调查及缺陷探测方面。应用地质雷达，可对脱空区定期进行探测。

但是，由于脱空区的介质比较复杂,雷达波在脱空区的波速无法准确给定；其次，第二界面的反射波特征很难确认,从而导致脱空区的高度无法准确定量。地质雷达不能进行实时监测，对隧道底部脱空范围的形成不能及时预测，并且雷达应用繁琐，费用较高。

通过实时监测地裂缝活动时隧道底部的脱空范围，及时采取预防和补救措施，对地铁的安全运行具有巨大的技术保障作用。因而，确定隧道底部脱空范围成为地铁隧道安全运行监控亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪及监测方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪，该监测仪包括设置于隧道底部近地裂缝处的云台以及设置于云台上的激光测距仪。

所述监测仪还包括脱空监控系统，脱空监控系统包括与云台相连的转向控制器、与激光测距仪相连的数据处理系统以及用于控制激光测距仪启停的激光控制开关，转向控制器以及激光控制开关分别与数据处理系统相连。

所述监测仪还包括设置于云台上的摄像头，摄像头与数据处理系统相连。

一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测方法，包括以下步骤：

1）在跨地裂缝的分段隧道的底部中心位置预埋连接件，连接件位于所述分段隧道的近地裂缝端，在连接件上安装云台，然后将激光测距仪安装于云台上；

2）利用数据处理系统控制激光测距仪对脱空监测数据进行定时自动采集。

所述脱空监测数据包括纵向脱空范围以及横向脱空范围。

所述纵向脱空范围的采集方法为：通过云台使激光测距仪沿隧道轴向测量脱空区域的延伸距离。

所述横向脱空范围的采集方法为：通过云台使激光测距仪由原点向左旋转α°，测得距离l₁，然后使激光测距仪由原点向右旋转α°，测得距离l₂，利用公式计算两次测量距离端点之间的距离l得横向脱空范围，两次测量距离端点的连线与隧道横截面平行。

本发明所述监测仪利用激光测距仪的测距原理（采用激光三角测量法或激光回波分析法的测量原理），利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点实现高精度的无接触远距离测量，不仅结构简单，容易操作、成本低廉，而且可以对脱空区域进行实时的监测，及时获得脱空区域的变化情况。

本发明采用了由云台、激光测距仪与脱空监控系统组成的分体式监测结构，云台以及激光测距仪安装在隧道底部，可以利用激光反射原理监控隧道底部隐蔽部位，如脱空区域，同时，通过控制云台的转动，可以对监测范围进行调整，不仅可以获取纵向脱空范围，而且可以得到横向脱空范围的监测结果，可以为工程保障提供全面、准确、可靠的参考数据。

附图说明

图1为本发明所述监测仪的结构原理框图；

图2为本发明所述激光测距仪的安装示意图之一；

图3为本发明所述激光测距仪的安装示意图之二；

图4为本发明所述横向脱空范围示意图；

图中：1为云台，2为脱空监测装置，21为激光发射装置，22为激光接收装置，23为位移传感器，3为脱空监控系统，31为激光控制开关，32为数据处理系统，33为转向控制器，4为摄像头，5为Ω型连接件，6为纵向脱空范围，7为横向脱空范围，8为分段隧道，A为分段隧道沉降前位置，B为分段隧道沉降后前位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测仪，该监测仪包括设置于隧道底部近地裂缝处的云台1以及设置于云台1上的激光测距仪；所述监测仪还包括脱空监控系统3，脱空监控系统3包括与云台1相连的转向控制器33、与激光测距仪相连的数据处理系统32以及用于控制激光测距仪启停的激光控制开关31，转向控制器33以及激光控制开关31分别与数据处理系统32相连；所述监测仪还包括设置于云台1上的摄像头4，摄像头4与数据处理系统32相连。

一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测方法，包括以下步骤：

1）在跨地裂缝的分段隧道的底部中心位置预埋连接件，连接件位于所述分段隧道的近地裂缝端，在连接件上安装云台1，然后将激光测距仪安装于云台1上；

2）利用安装于数据处理系统32内的数据控制软件控制激光测距仪对脱空监测数据进行定时自动采集；所述脱空监测数据包括纵向脱空范围以及横向脱空范围。

所述纵向脱空范围的采集方法为：通过云台1使激光测距仪沿隧道轴向测量脱空区域的延伸距离。（参见图2）

所述横向脱空范围的采集方法为：通过云台1使激光测距仪由原点向左旋转α°，测得距离l₁，然后使激光测距仪由原点向右旋转α°，测得距离l₂，利用公式计算两次测量距离端点之间的距离l得横向脱空范围，两次测量距离端点的连线与隧道横截面平行。（参见图3-图4）

实施例

本发明的目的是设计一款使用方法简单、测量精度较高、数据自动化处理的用于实时监测地裂缝活动时隧道底部的脱空范围的监测仪器。其结构、测试原理如图1-图4所示。

1.仪器组成

监测仪器由脱空监测装置2和脱空监控系统3两部分构成：

脱空监测装置2安装在分段隧道8底部近地裂缝处，由UT391型激光测距仪、摄像头4及云台1组成。UT391型激光测距仪承担激光发射、接收和数据交换的功能。当激光发射装置21发射的激光束接触到脱空区域的土层表面时，激光束将立即反射回激光接收装置22，位移传感器23进行数据处理。利用云台控制激光测距仪上下、左右运动，实现对整个脱空区的监测。利用摄像头，了解脱空区内的地下水的影响范围。

脱空监控系统由激光控制开关31、转向控制器33和数据处理系统32构成。

2.安装方法：

在跨地裂缝的分段隧道的底部中心位置预埋50mm×30mm的Ω型连接件5，用于安装云台（可遥控转向器），并将激光测距仪等安放于云台之上，见图3。数据线以及控制线从隧道的预留孔洞中引出，与脱空监控系统相连。

3.监测方法：

1）纵向脱空范围的测试：当仪器开始工作时，激光发射装置工作，发出激光束，当隧道底部出现脱空时，激光被土体反射回来，经过信号处理，经数据线，脱空值将显示在与数据处理系统相连的数字显示仪上。

2）横向脱空范围的测试：同理，当测量横向脱空范围时，控制转向器，使激光发射器向左水平旋转α°，测得l₁，向右水平旋转α°，测得l₂，利用公式 $l=\sqrt{l_1^2+l_2^2-2l_1{l}_2\cos 2\mathrm{\α}}$ 可得横向脱空范围。

3）利用数据控制软件对数据进行定时自动采集。

4.主要参数：

激光类型、等级：635nm，<1mW，ClassⅡ

测量长度：0.1m~60m，精度±1.5mm

电源：220V

机身尺寸：109×49×28mm

本技术方案带来的有益效果

1、激光发射装置采用220v交流电提供动力，避免更换电池的麻烦。

2、激光发射和接收装置为隐蔽仪器，埋于隧道下面，而控制开关和数据监测装置可放置于室内，便于实时监测。

3、通过遥控，可控制仪器的转向，既可以横向转动，亦可以上下转动，实现对隧道底部纵向和横向范围内的全方位监测。

4、利用数据处理软件处理数据，监测数据可精确到0.01mm。

5、仪器防尘、防水，不受地下水的影响，适宜地下环境。

Claims (1)

1.一种穿越地裂缝带隧道底部脱空监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在跨地裂缝的分段隧道的底部中心位置预埋连接件，连接件位于所述分段隧道的近地裂缝端，在连接件上安装云台，然后将摄像头以及激光测距仪安装于云台上；

2)利用数据处理系统控制激光测距仪对脱空监测数据进行定时自动采集；利用摄像头，了解脱空区内的地下水的影响范围；

所述脱空监测数据包括纵向脱空范围以及横向脱空范围；

所述纵向脱空范围的采集方法为：通过云台使激光测距仪沿隧道轴向测量脱空区域的延伸距离；

所述横向脱空范围的采集方法为：通过云台使激光测距仪由原点向左旋转α°，测得距离l₁，然后使激光测距仪由原点向右旋转α°，测得距离l₂，利用公式计算两次测量距离端点之间的距离l得横向脱空范围，两次测量距离端点的连线与隧道横截面平行。