CN104655038A - 模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统及方法，包括：激光发射装置通过支座固定在平衡支架上，激光发射装置和数据传输模块分别与电源模块连接；激光发射装置包括激光发射装置本体以及内部数据采集模块，在激光发射装置本体的前后两个端面分别设置有前置激光炮和后置激光炮，在激光发射装置本体的环向位置铰接有若干环向激光炮。本发明有益效果：通过可以调节角度的激光发射装置及环向激光炮，克服了单纯利用在模型内部埋设多个监测元件以及元件成活率无法保证的问题，也减少了大量埋设监测元件对模拟效果的影响；同时也解决了多个断面全角度实时监测的问题。

Description

模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统及方法

技术领域

本发明涉及一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统及方法。

背景技术

近年来国内经济的飞速发展，地下工程的开发如雨后春笋般兴起，尤其是在地形、地貌及地质背景复杂、水能及矿产资源丰富、陆路交通网密度远低于全国平均水平的中西部地区，随着我国中西部大开发进程的加快，铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等涉及到复杂地层及深部地下空间的开发利用已蓄势待发。深部地下空间及复杂地层的开发利用，带动了相关领域的科技研发和学术研究；随着地下工程兴建，许多的新的力学现象及变形特征有待研究，其中模型试验作为一种科学有效的研究收段，在岩土工程领域起到了重要的作用。

模型试验依据一定的比例尺模拟现场硐室开挖引起的力学现象和变形特征，其中掌子面挤出变形以及全断面的变形收敛规律已成为科研、设计以及施工人员所关注的重点，最好的手段就是通过模型试验进行模拟研究；目前国内外多采用在模型硐室内部布设监测多点位移计、光栅光纤位移传感器，或者在围岩上安装测点钩利用收敛尺人工测量等手段，获取模型硐室掌子面及多个断面变形收敛数据。模型试验中传统的围岩变形测量方法，存在有效数据捕捉困难、元器件成活率低、造价高、不易操作等问题，为解决上述问题，发明一种不在模型试验内部安装元件，而且能同时实现对模型硐室掌子面及多个断面全方位实时动态无接触监测的装置及方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统及方法，该系统及方法无需在硐室内部安装监测元件，解决了模型试验中多断面全方位变形收敛及对向开挖两个掌子面挤出变形无接触实时动态量测的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统，包括：激光发射装置、电源模块、数据传输模块、支座以及平衡支架；所述激光发射装置通过支座固定在平衡支架上，所述激光发射装置和数据传输模块分别与电源模块连接；

所述激光发射装置包括激光发射装置本体以及内部数据采集模块，在所述激光发射装置本体的前后两个端面分别设置有前置激光炮和后置激光炮，在所述激光发射装置本体的环向位置铰接有若干环向激光炮。

所述支座为圆柱支座，所述圆柱支座与激光发射装置以球铰接的形式连接，所述圆柱支座的球形铰接位置设有角度标志，能够量化激光发射装置的倾斜角度。

所述支座上设有水平水准泡和垂直水准泡，用于实现对所述平衡支架的水平和垂直度控制。

所述平衡支架为三角支架，所述三角支架的每一个顶角位置处均设有平衡调节螺栓，用于实现三角支架的调平。

所述数据传输模块能够以任意时间间隔，通过蓝牙或者USB将数据传送至终端设备。

一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统的操作方法，包括以下步骤：

1)根据模型试验硐室开挖工序及现场条件，将所述监控系统固定于设定位置，并通过调整平衡调节螺栓，以安装在圆柱支座上的水平水准泡和垂直水准泡为参考依据，将本发明装置调平；

2)根据硐室轴线走向的倾角，调整圆柱支座与激光发射装置角度，保证激光发射装置中心轴线与硐室走向平行根据所需监测断面与激光发射装置安放的相对位置，调节环向激光炮与激光发射装置的夹角；环向激光炮以一定的排距环向均布于激光发射装置，实现激光发射装置安放位置前后多个断面同时实时动态监测；

3)激光发射装置前后断面处安设的置激光炮和后置激光泡均以同心圆环形均匀布置，实现对硐室开挖前后两个掌子面随时间挤出变形的同时实时动态监测；

4)设定数据传输模块中数据传输时间间隔，将采集到的数据传输到终端设备上。

本发明的有益效果是：

1)通过可以调节角度的激光发射装置及环向激光炮，克服了单纯利用在模型内部埋设多个监测元件以及元件成活率无法保证的问题，也减少了大量埋设监测元件对模拟效果的影响；同时也解决了多个断面全角度实时监测的问题；

2)通过安置在激光发射装置前后断面的多个激光炮，实现了对硐室掌子面随时间的挤出变形的实时动态监测；同时也解决了硐室双向开挖掌子面挤出变形的实时动态监测；

3)圆形支座与激光发射装置以球铰连接，并激光发射装置上刻有角度标示，实现了硐室走向倾斜(如隧道斜井)掌子面的垂直监测；

4)环向激光泡与激光发射装置以球铰连接，并在激光发射装置上刻有角度标示，可以通过调整环向激光泡与激光发射装置轴向角度，实现多个断面全方位实时监测。

附图说明

图1为本发明装置的主体结构三维示意概念图；

图2为本发明装置的主体结构平面示意图；

图3为本发明装置的对应图2的环向激光炮平面示意图；

图4为本发明装置的对应图2的圆柱支座平面示意图；

图5为本发明装置的对应图1的前置激光炮平面示意图；

其中，1.前置激光炮，2.后置激光炮，3.环向激光炮，4.圆柱支座，5.三角支座，6.平衡调节螺栓，7.架腿，8.电源模块，9.开关，10.数据传输模块，11.水平水准泡，12.垂直水准泡，13.激光发射装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统,如图1-图2所示，包括：前置激光炮1，后置激光炮2，环向激光炮3，圆柱支座4，三角支座5，平衡调节螺栓6，架腿7，电源模块8，开关9，数据传输模块10，水平水准泡11，垂直水准泡12，激光发射装置13；其中，前置激光炮1，后置激光炮2和环向激光炮3分别安置在装置的前侧、后侧以及环向，加上嵌置在内部的数据采集模块共同组成激光发射装置13；数据采集模块，能实现无障碍同时多通道采集，数据采集模块数据采集原理同市面常见的单孔激光测距仪相同(如SZSC-H型，USB1616FS型，FlukeTi32型等)。

如图3所示，环向激光炮3与激光发射装置13以球铰形式连接，并在激光发射装置13相应位置标示刻度，以控制环向激光炮3的倾斜角度；如图4所示，圆柱支座4与激光发射装置13以球铰接的形式连接，并刻有角度标志，可以量化激光发射装置13的水平倾斜角度；并通过观察位于圆柱支座4上的水平水准泡11，垂直水准泡12，控制平衡调节螺栓6调节三角支座5水平和垂直度；激光发射装置13与数据传输模块10由电源模块8提供电源。

如图5所示，前置激光炮1和后置激光炮2结构相同，并在激光发射装置13两端头以同心圆环形分布，可以监测地下硐室前后掌子面的挤出变形，尤其应用于隧道横洞进入主洞后两个方向开挖同时引起的掌子面变形，同时可以测量前后掌子面到装置的距离；分布于激光发射装置13周围侧边的环向监测激光炮，可以预先根据要检测收敛变形断面的位置，调整倾角；同时环向监测激光炮可以实现对硐室全断面各个位置的实时监测；圆柱支座4与激光发射装置13以球铰接的形式连接，并刻有角度标志，可以量化激光发射装置13的倾斜角度，以适应硐室走向有倾角的情况，如隧道中的斜井；调节平衡调节螺栓6，通过观察位于圆柱支座4上的水平水准泡11和垂直水准泡12，实现节三角支座5水平和垂直度控制；激光发射装置13与数据传输模块10由电源模块8提供电源；数据传输模块10可以实现以任意时间间隔，通过蓝牙或者USB将数据传向终端设备，终端设备可为移动智能终端，如平板电脑、手机以及台式计算机等。

模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统的操作方法，包括如下步骤：

1)根据模型试验硐室开挖工序及现场条件，将装置通过架腿7固定于特定位置，并通过调整平衡调节螺栓6，以安装在圆柱支座4上的水平水准泡11和垂直水准泡12为参考依据，将本发明装置调平；

2)根据硐室轴线走向的倾角，调整圆柱支座4与激光发射装置13角度，保证激光发射装置13中心轴线与硐室走向平行，本装置可以适应于具有不同轴线倾斜角度的硐室监测；安装在激光发射装置13周身的环向激光炮3与激光发射装置13以球形铰接的形式连接，根据所需监测断面与激光发射装置13安放的相对位置，可以灵活调节环向激光炮3与激光发射装置13的夹角；环向激光炮3以一定的排距环向均布于激光发射装置13，可满足激光发射装置13安放位置前后多个断面同时实时动态监测的需求；

3)激光发射装置13前后断面处安设的前置激光炮1和后置激光泡3，前置激光炮1和后置激光泡3以同心圆环形均匀布置，可以实现硐室同时对向开挖前后两个掌子面随时间挤出变形的同时实时动态监测；

4)设定数据传输模块中数据传输时间间隔，将采集到的数据传输到终端设备上。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统，其特征是，包括：激光发射装置、电源模块、数据传输模块、支座以及平衡支架；所述激光发射装置通过支座固定在平衡支架上，所述激光发射装置和数据传输模块分别与电源模块连接；

所述激光发射装置包括激光发射装置本体以及内部数据采集模块，在所述激光发射装置本体的前后两个端面分别设置有前置激光炮和后置激光炮，在所述激光发射装置本体的环向位置铰接有若干环向激光炮。

2.如权利要求1所述的一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统，其特征是，所述支座为圆柱支座，所述圆柱支座与激光发射装置以球铰接的形式连接，所述圆柱支座的球形铰接位置设有角度标志，能够量化激光发射装置的倾斜角度。

3.如权利要求1所述的一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统，其特征是，所述支座上设有水平水准泡和垂直水准泡，用于实现对所述平衡支架的水平和垂直度控制。

4.如权利要求1所述的一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统，其特征是，所述平衡支架为三角支架，所述三角支架的每一个顶角位置处均设有平衡调节螺栓，用于实现三角支架的调平。

5.如权利要求1所述的一种模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统，其特征是，所述数据传输模块能够以任意时间间隔，通过蓝牙或者USB将数据传送至终端设备。

6.一种如权利要求1所述的模型试验中围岩及掌子面变形无接触实时监控系统的操作方法，其特征是，包括以下步骤：

1)根据模型试验硐室开挖工序及现场条件，将所述监控系统固定于设定位置，并通过调整平衡调节螺栓，以安装在圆柱支座上的水平水准泡和垂直水准泡为参考依据，将本发明装置调平；

2)根据硐室轴线走向的倾角，调整圆柱支座与激光发射装置角度，保证激光发射装置中心轴线与硐室走向平行根据所需监测断面与激光发射装置安放的相对位置，调节环向激光炮与激光发射装置的夹角；环向激光炮以一定的排距环向均布于激光发射装置，实现激光发射装置安放位置前后多个断面同时实时动态监测；

3)激光发射装置前后断面处安设的置激光炮和后置激光泡均以同心圆环形均匀布置，实现对硐室开挖前后两个掌子面随时间挤出变形的同时实时动态监测；

4)设定数据传输模块中数据传输时间间隔，将采集到的数据传输到终端设备上。