CN104142135A - 基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法及装置，所述的方法包括以下步骤：(1)沿盾构隧道纵向在隧道侧壁上布设管道，并每间隔一定距离将管道与隧道侧壁相同高度处固定连接；(2)监测小车在管道内向前运动，每运行一定距离监测小车对小车所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，并将测量到的倾角数据采用无线传输方式传送至远程数据分析站；(3)远程数据分析站对接收到的倾角数据分析处理，得出隧道纵向水平位移曲线。与现有技术相比，本发明采用无线传感网络进行数据传输，在横断面上不会影响隧道限界，列车运行时也可照常监测，实现了对隧道纵向水平位移的自动、不间断且快速的无线监测，具有简单可行以及成本低廉等优点。

Description

基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道纵向水平位移监测技术领域，尤其是涉及基于无线三轴倾角传感器的不间断快速的盾构隧道纵向水平位移监测方法及装置。

背景技术

我国城市轨道交通建设发展迅速但历史短，结构健康服役问题的严重性还没有得到共识。作为重大地下工程的城市轨道交通地下结构，所处地层条件复杂、周边环境多变、列车运行密度极高，结构自身在多种因素长期综合作用下性能不断下降，而且地下结构一旦损坏不易或不可更换，并将会诱发地下工程灾害，因而对城市轨道交通地下结构健康服役提出了极高的要求。目前运营中的城市轨道交通地下结构健康服役问题已开始显露，其中隧道纵向水平位移问题成为影响城市轨道交通地下结构健康服役的核心问题之一。

鉴于城市中的隧道穿越地层复杂，且受多种地层、施工因素以及地表和周围环境的影响，以及轨道交通健康服役的重要性和隧道纵向水平位移的危害很大，为提高对纵向水平位移的认知水平，为对隧道结构健康状态进行感知和控制提供数据来源，为隧道结构健康状态进行评价和及时维护提供实测依据，避免或预防隧道重大事件、事故、灾难，保护人民生命财产安全，维护社会安定，准确感知地铁隧道纵向水平位移的必要性和重要性毋庸置疑。

此外，随着技术的发展和对监测要求的提高，监测技术必定朝着小型化、自动化、节能化、信息化的趋势发展。近几年，无线传感器网络技术(WSN)和MEMS传感器的快速发展，这一些新兴技术凭借着其自身独特的优势迅速影响并应用于地下建筑监测领域，必将使地下工程监测迎来重大革新。

现有的隧道纵向水平位移监测方法有人工经纬仪测量等。经纬仪测量需要工作人员持仪器进入隧道，因此无法实现运营期隧道的全天候监测，只能用于非运营状态的隧道，并且人工水准测量费时费工，效率低下。近年来，人们研究出了激光扫描法、光纤光栅等隧道纵向水平位移的监测方法，但它们也存在一些难以克服的缺点。激光扫描等方法大多仪器设备成本较高，若要全面检测则需要依靠车辆移动，沿隧道全长检测一次周期较长、效率较低。而分布式光纤及光纤光栅通过光学原理来工作，需要另外配备大型的解调设备，增加额外的成本。因此，针对当前的隧道纵向水平位移问题，需要利用新兴的WSN与MEMS技术，发明一种低成本、并能够长期不间断快速监测隧道纵向水平位移的方法及装置。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供基于无线三轴倾角传感器的不间断快速的盾构隧道纵向水平位移监测方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)沿盾构隧道纵向在隧道侧壁上布设管道，并每间隔第一预定距离将管道与隧道侧壁相同高度处固定连接；

(2)监测小车在管道内向前运动，每运行第二预定距离，监测小车对小车所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，并将测量到的倾角数据采用无线传输方式传送至远程数据分析站；

(3)远程数据分析站对接收到的倾角数据分析处理，得出盾构隧道纵向水平位移曲线。

步骤(3)所述的得出盾构隧道纵向水平位移曲线的具体方法是，假设倾角数据采集点共有n个，点与点之间间距为D₀，监测小车共采集有n个倾角数据，分别为θ_i，(i＝1，2，…，n)，

1)先利用下式求出第i点与起始点之间的纵向水平位移差ΔH为：

$\mathrm{\ΔH}=\underset{1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i,$

其中，h_i表示第i点与第i-1点的纵向水平位移差，即h_i＝D₀sin(θ_i)，

2)再测量起始点的纵向水平位移H₀，并通过下式得到第i点的纵向水平位移H_i，

H_i＝ΔH+H₀，

3)最后根据纵向水平位移差ΔH和第i点的纵向水平位移H_i得出盾构隧道纵向水平位移曲线。

实施基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法的装置，其特征在于，包括管道、监测小车及远程数据分析站，所述的管道沿盾构隧道纵向固定在隧道侧壁上，所述的监测小车置于管道内，所述的监测小车上设有控制单元、动力单元、数据采集单元、无线传输单元以及供电单元，所述的控制单元分别与动力单元和数据采集单元连接，所述的动力单元与小车车轮连接，所述的数据采集单元通过无线传输单元与远程数据分析站连接，所述的供电单元分别与动力单元、数据采集单元及无线传输单元连接。

所述的控制单元包括互相连接的单片机和驱动器。

所述的动力单元包括电机和传动机构，所述的电机分别与单片机和传动机构连接，所述的传动机构与小车车轮连接。

所述的数据采集单元包括依次连接的三轴倾角传感器和信号处理模块，所述的三轴倾角传感器固定在监测小车上，分别与单片机和信号处理模块连接，所述的三轴倾角传感器对监测小车所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，所述的信号处理模块对测量到的倾角数据进行处理，并无线传输至远程数据分析站。

步骤(3)所述的无线传输方式为Zigbee无线传输方式。

所述的电机为步进电机或伺服电机。

所述的供电单元包括锂电池。

与现有技术相比，本发明采用无线传感网络进行数据采集及传输，在横断面上不会影响隧道限界，列车运行时也可照常监测，实现了对隧道纵向水平位移的自动、不间断且快速的无线监测，还可以长期跟踪隧道纵向水平位移的发展，有利于工作人员观察隧道的结构性能演变趋势，具有简单清晰、成本低廉以及容易实现等优点。

附图说明

图1为本发明装置的俯视示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1-2所示，基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测装置，其特征在于，包括管道1、监测小车2及远程数据分析站，所述的管道1沿盾构隧道纵向固定在隧道侧壁上，所述的监测小车2置于管道1内，所述的监测小车2上设有控制单元、动力单元、数据采集单元、无线传输单元以及供电单元，所述的控制单元分别与动力单元和数据采集单元连接，所述的动力单元与小车车轮连接，所述的数据采集单元通过无线传输单元与远程数据分析站连接，所述的供电单元分别与动力单元、数据采集单元及无线传输单元连接。所述的控制单元包括互相连接的单片机和驱动器。所述的动力单元包括电机和传动机构，所述的电机分别与单片机和传动机构连接，所述的传动机构与小车车轮连接。所述的数据采集单元包括依次连接的三轴倾角传感器和信号处理模块，所述的三轴倾角传感器固定在监测小车2上，分别与单片机和信号处理模块连接，所述的三轴倾角传感器对监测小车2所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，所述的信号处理模块对测量到的倾角数据进行处理，并无线传输至远程数据分析站。

基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，沿盾构隧道纵向在隧道侧壁上布设管道1，并每间隔第一预定距离利用固定装置将管道1与隧道侧壁相同高度处固定连接，使得管道1在隧道侧壁上不产生相对移动，并为小车前行提供导向作用；

步骤2，监测小车2在管道1内向前运动，每运行第二预定距离，监测小车2对小车所处位置相对于垂直面的倾角θ进行测量，并将到测量到的倾角θ数据采用无线传输方式传送至远程数据分析站；

该过程具体如下：(a)单片机输出脉冲信号控制步进电机转动，通过传动机构带动小车车轮转动，使得监测小车2在管道1内前行；(b)同时，单片机对监测小车2前进距离进行精确控制，小车每运行一定距离，单片机将控制倾角传感器对监测小车2所处位置相对于垂直面的倾角θ进行测量，如图1中所示，两实线组成的O平面为监测小车所处的平面，两虚线组成Y面为垂直面；(c)信号处理模块对测量到的倾角数据进行处理；(d)信号处理模块将处理后的数据采用Zigbee无线传输方式传送至远程数据分析站。

步骤3，远程数据分析站对接收到的倾角数据进行分析处理，

假设倾角数据采集点共有n个，点与点之间间距为D₀，监测小车共采集有n个倾角数据，分别为θ_i，(i＝1，2，…，n)，

1)先利用下式求出第i点与起始点之间的纵向水平位移差ΔH为：

$\mathrm{\ΔH}=\underset{1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i,$

其中，h_i表示第i点与第i-1点的纵向水平位移差，即h_i＝D₀sin(θ_i)，

2)再测量起始点的纵向水平位移H₀，并通过下式得到第i点的纵向水平位移H_i，

H_i＝ΔH+H₀，

3)最后根据纵向水平位移差ΔH和第i点的纵向水平位移H_i得出盾构隧道纵向水平位移曲线，工作人员根据曲线对隧道纵向水平位移情况进行分析。

Claims (9)

1.基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)沿盾构隧道纵向在隧道侧壁上布设管道，并每间隔第一预定距离将管道与隧道侧壁相同高度处固定连接；

(2)监测小车在管道内向前运动，每运行第二预定距离，监测小车对小车所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，并将测量到的倾角数据采用无线传输方式传送至远程数据分析站；

(3)远程数据分析站对接收到的倾角数据分析处理，得出盾构隧道纵向水平位移曲线。

2.根据权利要求1所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法，其特征在于，步骤(3)所述的得出盾构隧道纵向水平位移曲线的具体方法是，假设倾角数据采集点共有n个，点与点之间间距为D₀，监测小车共采集有n个倾角数据，分别为θ_i，其中i＝1，2，…，n，

1)先利用下式求出第i点与起始点之间的纵向水平位移差ΔH为：

$\mathrm{\ΔH}=\underset{1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i,$

其中，h_i表示第i点与第i-1点的纵向水平位移差，即h_i＝D₀sin(θ_i)，

2)再测量起始点的纵向水平位移H₀，并通过下式得到第i点的纵向水平位移H_i，

H_i＝ΔH+H₀，

3)最后根据纵向水平位移差ΔH和第i点的纵向水平位移H_i得出盾构隧道纵向水平位移曲线。

3.实施权利要求1所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法的装置，其特征在于，包括管道、监测小车及远程数据分析站，所述的管道沿盾构隧道纵向固定在隧道侧壁上，所述的监测小车置于管道内，所述的监测小车上设有控制单元、动力单元、数据采集单元、无线传输单元以及供电单元，所述的控制单元分别与动力单元和数据采集单元连接，所述的动力单元与小车车轮连接，所述的数据采集单元通过无线传输单元与远程数据分析站连接，所述的供电单元分别与动力单元、数据采集单元及无线传输单元连接。

4.根据权利要求3所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测装置，其特征在于，所述的控制单元包括互相连接的单片机和驱动器。

5.根据权利要求4所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测装置，其特征在于，所述的动力单元包括电机和传动机构，所述的电机分别与单片机和传动机构连接，所述的传动机构与小车车轮连接。

6.根据权利要求4所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测装置，其特征在于，所述的数据采集单元包括依次连接的三轴倾角传感器和信号处理模块，所述的三轴倾角传感器固定在监测小车上，分别与单片机和信号处理模块连接，所述的三轴倾角传感器对监测小车所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，所述的信号处理模块对测量到的倾角数据进行处理，并无线传输至远程数据分析站。

7.根据权利要求1所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法，其特征在于，步骤(3)所述的无线传输方式为Zigbee无线传输方式。

8.根据权利要求5所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测装置，其特征在于，所述的电机为步进电机或伺服电机。

9.根据权利要求3所述的基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测装置，其特征在于，所述的供电单元包括锂电池。