CN105953740A - 一种隧道变形监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种隧道变形监测装置，包括：扫描仪，通过激光方式对当前隧道进行漫反射式扫描，以获取当前隧道的变形信息；固定座，用于将所述扫描仪安装在隧道内；安平控制台，设置在所述扫描仪和所述固定座之间，自动调整所述扫描仪处于水平状态；姿态监测模块，用于检测所述固定座相对隧道发生的位置变化信息；控制单元，控制并接收所述扫描仪、所述安平控制台、所述姿态监测模块的工作过程和产生的信息数据。本发明利用姿态监测装置可以对隧道变形监测装置的安装点的横滚变形进行监测，在分析扫描仪的监测数据时，即可进行结合分析，从而得到更精确的隧道变形数据。
Description
技术领域
本发明涉及地下采矿领域，特别是涉及一种能够全面监测隧道变形的激光式监测装置。
背景技术
现在，在隧道开挖施工过程中，随着围岩应力的重新分布，围岩在开挖卸荷后会向隧道内部产生变形，常规监控量测包括拱顶下沉和围岩收敛，以往的监测技术主要分为收敛尺法、多点位移计式伸长仪、雷达扫描、巴赛特收敛系统和勉棱镜全站仪法等。上述几类方法是目前隧道收敛变形监测中应用的主要技术方法及手段，虽然能够实现一定的监测目的，但均存在监测效率低下、自动化程度不高或安装不便等缺点，特别是不能够处理监测设备本身的位置变形所导致的监测结果偏差的问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够在精确检测隧道变形的同时，还能够考虑监测装置本身位移所带来的偏差，进而得到更准确的隧道变形信息的监测装置。
特别地，本发明提供一种隧道变形监测装置，包括：
扫描仪，通过激光方式对当前隧道进行漫反射式扫描，以获取当前隧道的变形信息；
固定座，用于将所述扫描仪安装在隧道内；
安平控制台，设置在所述扫描仪和所述固定座之间，自动调整所述扫描仪处于水平状态；
姿态监测模块，用于检测所述固定座相对隧道发生的位置变化信息；
控制单元，控制并接收所述扫描仪、所述安平控制台、所述姿态监测模块的工作过程和产生的信息数据。
进一步地，所述控制单元设置有连接扩展设备的连接接口和向外界发出报警信息的声光预警装置，所述扩展设备包括检测隧道内应力、应变、透水状况的传感器。
进一步地，所述扫描仪包括免棱镜漫反射式激光测距仪，和测量所述激光测距仪是否偏移的倾斜传感器，以及通过减速箱驱动所述激光测距仪在180度的一维平面内转动的伺服马达，所述控制单元收集所述倾斜传感器和所述激光测距仪的测量数据，并在两者之间依据时间点建立对应关系，从而确定隧道随时间流逝而产生的变形量。
进一步地，所述倾斜传感器内置MEMS的双轴倾斜传感芯片和电子罗盘芯片，在监测全断面隧道变形的同时可检测自动安装位是否变形。
进一步地，所述控制单元确定隧道随时间流逝而产生变形量的方法如下：
步骤10，在同一时间内，收集所述激光测距仪每道激光测量出的与当前隧道不同位置处的距离值；和
所述倾斜传感器获取的每一距离值时，该道激光与垂直方向上的角度值；
步骤20，将相应的角度值和距离值进行配对，并形成阶段数据；
步骤30，按预定时间间隔重复上述步骤，对每次收集的阶段数据进行对比，即可得到随时间流逝隧道的变形量。
进一步地，所述扫描仪还包括激光清洗器，所述激光清洗器包括清洁马达和清洁头，当所述激光测距仪在控制单元的控制下转动至清洁位置时，所述激光测距仪的激光头与所述清洁头接触，同时所述清洁马达驱动所述清洁头旋转以对所述激光头进行清洁。
进一步地，所述姿态监测模块包括移动检测单元、方向单元和一维收敛检测单元；所述移动检测单元采用MEMS传感器，以检测所述固定座是否发生俯仰或横滚动作；所述方向单元采用PSD传感器，通过与水平位置时激光点的相对距离值确定当前所述激光测距仪是否发生方位变化；所述一维收敛检测单元通过当前位置与检测点之间的相对位移，来检测所述固定座是否发生绝对变形现象。
进一步地，所述一维收敛单元为线位移传感器，所述线位移传感器固定在所述固定座上，在与所述线位移传感器相邻的隧道侧壁处开有深入隧道侧壁深处的水平孔，所述线位移传感器的位移拉线的伸出端固定在所述水平孔内。
进一步地，所述安平控制台包括支撑连接所述扫描仪的上活动板，和与所述固定座连接的下固定板，以轴连接的方式垂直连接在所述上活动板和所述下活动板之间的支撑轴，以及安装在所述下固定板上，以所述支撑轴为基点调整所述上活动板四周边沿与中心水平的横向电机和纵向电机。
进一步地，还包括局域无线链路和广域无线模块，所述控制单元连接有向外界发送信息的无线模块，所述局域无线链路分布在隧道的不同位置处，以将各监测点的数据传送至所述广域无线模块，所述广域无线模块用于将接收的信号传送至地面，或将接收的地面信号传送给所述局域无线链路。
本发明中的扫描仪为漫反射式激光扫描，无需在目标点设置反射棱镜，因此，在扫描过程中的扫描点可以无限细密，从而能够对隧道的细微变形进行监测。通过安平控制台可以随时调整扫描仪的俯仰角度，使其不受环境变形的影响，始终保持在预定的扫描位置。利用姿态监测装置可以对隧道变形监测装置的安装点的横滚变形进行监测，在分析扫描仪的监测数据时，即可进行结合分析，从而得到更精确的隧道变形数据。通过姿态监测装置完全可以避免现有技术中，由于监测设备本身位移所导致的监测结果误差。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的隧道变形监测装置结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的一维收敛单元的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个实施例的隧道变形监测装置100一般性地包括：通过激光方式对当前隧道70进行漫反射式扫描，以获取当前隧道70变形信息的扫描仪10；用于将扫描仪10安装在隧道70内的固定座20；设置在扫描仪10和固定座20之间，以自动调整扫描仪10处于水平状态的安平控制台60；用于检测固定座20相对隧道70发生位置变化信息的姿态监测装置30；以及控制并接收扫描仪10、安平控制台60、姿态监测模块30的工作过程和产生的信息数据，进行分析以得到结果的控制单元40。
本实施例中的扫描仪10为漫反射式激光扫描，无需在目标点设置反射棱镜，因此，在扫描过程中的扫描点可以无限细密，从而能够对隧道70的细微变形进行监测。通过安平控制台60可以随时调整扫描仪10的俯仰角度，使其不受环境变形的影响，始终保持在预定的扫描位置。利用姿态监测装置30可以对隧道变形监测装置100的安装点的横滚变形进行监测，在分析扫描仪10的监测数据时，即可进行结合分析，从而得到更精确的隧道变形数据。通过姿态监测装置30完全可以避免现有技术中，由于监测设备本身位移所导致的监测结果误差。本实施例中的隧道变形监测装置10不但可以应用于地下隧道、巷道或洞室，也可以应用于地面上的隧道、巷道或洞室的变形监测。
控制单元40内设置有专门为监测系统开发的基于大型数据库及远程预警控制的数据管理软件系统RDMS(Remote Data Management System)，RDMS集数据接收、管理、智能分析、安全预警、网络发布为一体(取得授权的用户可通过internet网络浏览器在计算机、手机、PAD上输入用户名及密码即可查看、修改参数)。整个RDMS由接收设备管理、项目管理、数据库管理、数据管理、智能分析、报警、系统功能、数据检索及输出、脚本支持与功能扩展、网络发布等十个功能模块构成，集中了目前安全监测领域几乎所有的管理及数据检索功能，为用户提供多种数据管理途径，可轻松完成数据管理及日常数据处理工作，更进一步，可做为后续监测项目的监测数据管理平台，实现综合安全监测项目一体化管理。
RDMS的程序主体框架使用Delphi进行编写，部分功能模块使用C++生成DLL函数库，使用功能模块化设计理念，整个程序更加易于维护升级及功能增加扩展。使用SQL、ACCESS或Excel进行数据存储及管理，同时开发支持多种脚本语言对程序进行动态功能扩展(对于简单的功能扩展，用户可根据需要使用自己熟悉的较本语言完成个性化功能添加)，各功能模块采用独立线程技术，程序的响应速度和用户体验优良。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该扫描仪10可以包括安装框架，和安装在框架上的免棱镜漫反射式激光测距仪11，和测量激光测距仪11是否偏移的倾斜传感器12，以及通过减速箱驱动激光测距仪11在180度一维平面内转动的伺服马达13。具体的免棱镜漫反射式激光测距仪11可以采用任意一种现有技术中能够实现该目的的激光测距仪，如Wk-ds0120激光器。
倾斜传感器12随时检测激光测距仪11在转动过程中的位置信息，同时将检测数据传递给控制单元40，控制单元40根据检测数据与预定数据的对比，即可确认激光测距仪11是否偏移，进而通过安平控制台60对当前激光测距仪11的位置状态进行调整。或是将倾斜传感器12的检测数据与激光测距仪11获取的检测数据进行组合，来判断当前隧道70的变形量。
具体的判断方式还可以是由控制单元40收集倾斜传感器12和激光测距仪11的测量数据，并在两者之间依据时间点建立对应关系，从而确定隧道70随时间流逝而产生的变形量。具体步骤如下
步骤10，在同一时间内，收集激光测距仪每道激光测量出的与当前隧道不同位置处的距离值；和倾斜传感器获取的每一距离值时，该道激光与垂直方向上的角度值。
该距离值即测量点至隧道壁不同位置之间的距离。
步骤20，将相应的角度值和距离值进行配对，并形成阶段数据；
配对后的每组距离值与角度值可通过极坐标法计算出一组坐标数据(xi,yi)，通过连续测量即可获取被测断面的的多组坐标值。
步骤30，按预定时间间隔重复上述步骤，对每次收集的阶段数据进行对比，即可得到随时间流逝隧道的变形量。
收集的数据可以本地存储，由控制单元40直接完成变形量的计算，也可以上传至远程控制中心进行处理。
进一步地，本实施例中的倾斜传感器12可以内置MEMS的双轴倾斜传感芯片和电子罗盘芯片，该结构使得倾斜传感器12不但可以监测全断面隧道变形，还可以同时检测自身安装位是否变形。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该扫描仪还可以包括用于清洗激光测距仪11的激光头的激光清洗器50，该激光清洗器50包括清洁马达51和清洁头52。激光清洗器50安装在不影响激光测距仪11工作的位置处，如激光测距仪11可转动的最大角度处，当激光测距仪11在控制单元40的控制下转动至激光清洗器50的位置处时，该激光测距仪11的激光头与激光清洗器50的清洁头52接触，此时，控制清洁马达51带动清洁头52旋转，即可对激光头进行清洁，清洁完毕后的激光测距仪11再转回至正常扫描位置处。本实施例中的清洁头可以由带有绒毛的材料制成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该姿态监测模块30可以包括移动检测单元、方向单元和一维收敛检测单元。
其中，移动检测单元可以采用MEMS传感器，其通过角度值来检测固定座20是否发生俯仰或横滚动作。
该方向单元可以采用PSD传感器31，其通过与水平位置时激光点的相对距离值确定当前激光测距仪11是否发生方位变化。
PSD传感器(Position Sensitive Device)31属于半导体器件,采用非接触位置监测技术。一般做成PN结构，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，可以实现监测激光测距仪安装处隧道壁的方位变形监测。
其工作原理是基于横向光电效应，工作时，将PSD传感器31安装于激光测距仪11水平时激光点在对侧隧道壁上光斑的中心附近位置，并记录下实际的光斑在PSD传感器31上的坐标值(PSD传感器在激光照射作用下所输出的光斑坐标值)，当PSD传感器31的表面接收到入射光斑时，PSD传感器31的X两方向和Y两方向会有电流流出，流出电流的多少与光斑在接收板上的位置呈线性关系。根据这一特性，由各方向电流流出的比值即可确定光斑的位置，从而确定当前激光测距仪11发出的激光是否出现位移，根据前后位移的偏差，可计算出隧道变形量的大小。在监测过程中，每将激光测距仪11水平移动时，均需要对此值进行重新读取，当发现此值发生变化时则认为激光测距仪11发生了方位变化。
PSD传感器31在激光照射下产生的电流，该电流可以被吸收，故整个PSD传感器31功耗极低，可使用自带电池供电，并加装无线模块，以实现与控制单元40的无线通讯。
该一维收敛检测单元通过当前位置与检测点之间的相对位移，来检测固定座20是否发生绝对变形现象。主要是检测设备安装处隧道壁在周围岩石围压作用下，产生向隧道70空间的位移。
如图2所示，具体的一维收敛单元可以为线位移传感器32，该线位移传感器32固定在固定座20上，在与线位移传感器32相邻的隧道侧壁处开有深入隧道侧壁深处的水平孔35，线位移传感器32的位移拉线34的伸出端固定在水平孔35内。
水平孔35最好是深入隧道70侧壁的变形稳定区72，而固定座20则固定于隧道外侧壁71处，当隧道外侧壁71相对变形稳定区72产生变形时，即可通过位移接线34的变化检测到。该线位移传感器32检测的收敛变形量为绝对变形，隧道其它点的变形是基于设备点的相对变形，通过此绝对变形均可转换为绝对变形，从而实现了隧道全断面绝对变形监测的目的，这一功能不但起到了隧道70收敛变形的检测作用，同时也可检测到隧道70各方向上的不同区域的绝对变形，对进一步分析隧道周围应力、位移场分布提供了科学依据。
进一步地，在本发明的一个实施例中，该安平控制台60包括支撑连接扫描仪的上活动板，和与固定座连接的下固定板，以轴连接的方式垂直连接在上活动板和下活动板之间的支撑轴，以及安装在下固定板上，以支撑轴为基点调整上活动板四周边沿与中心水平的横向电机和纵向电机。
安平控制台60可以动态调整上活动板处于水平状态，从而调整安装在上活动板上的扫描仪的水平，支撑轴至少与上活动板连接的一端可以采用万向节结构，使上活动板的四边相对支撑柱的连接点，可以任意升降、旋转。调整过程中以支撑柱为轴，使其四周与中心位置水平，即中心位置保持高度不变，抬高或降低上活动板四周的边沿来使上活动板整体保持水平。扫描仪10的中心位置与上活动板的中心位置对应，即扫描仪11的旋转轴14水平投影与上活动板的中心位置重合。调节时，横向电机和纵向电机可以安装在相应的轨道上，横向电机控制纵向电机在轨道上移动，并可达到上活动板的任意一处，纵向电机再对相应位置处的上活动板倾斜角度进行调整。纵向电机可以通过驱动轴与相应的液压举伸机构连接，以通过驱动轴的正反转来实现液压举伸机构的升降。此外，还可以是相应的齿条传动机构。为检测当前上活动板的水平状态，可以在安平控制台60上设置相应的水平检测仪，以测量上活动板是否调整到位，或出现倾斜。
进一步地，为方便数据传送，在本发明的一个实施例中，还可以设置局域无线链路和广域无线模块，而控制单元40上设置有无线单元41。控制单元40可以通过无线单元41与无线链路建立连接，进行数据的接收和发送。局域无线链路用于将控制单元40的数据传送至广域无线模块，广域无线模块再将接收的信号传送至地面远程控制中心，或将接收的地面信号传送给局域无线链路。局域无线链路可以分散地布置在整个隧道中，以接收各扫描仪的扫描信息。而广域无线模块可以设置在靠近隧道出口的位置，以统一接收所有局域无线链路的信息。具体的局部无线模块可以是基于Zigbee技术的网络节点模块，负责与PSD传感器41通讯以及其它控制单元40中包含的zigbee节点、中断组成的无线网络进行数据通讯，完成数据由隧道内至隧道外广域网络模块之间的通讯工作。而广域无线模块可以是GSM、GPRS、北斗等模块。
为提高应用范围，在本发明的一个实施例中，该控制单元40可以设置有连接扩展设备的连接接口和向外界发出报警信息的声光预警装置。
隧道变形是由于隧道开挖隧道壁周边岩石应力重分布引起的一系列问题的最直观表面，本装置预留了用于连接传统应力、应变、透水等类型传感器的接口，例如用于测量隧道变形影响范围的多点位移计、围岩压力计、隧道支护结构应力应变计、地下水位、水压传感器。
声光预警装置可分为两种，一为测量点处的直接连接的喇叭声音报警，另一种是利用采发模块内部的局域无线网络，通过发送报警指令，使安装于射频有效范围内的自建网络报警器发出报警。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种隧道变形监测装置，其特征在于，包括：
扫描仪，通过激光方式对当前隧道进行漫反射式扫描，以获取当前隧道的变形信息；
固定座，用于将所述扫描仪安装在隧道内；
安平控制台，设置在所述扫描仪和所述固定座之间，自动调整所述扫描仪处于水平状态；
姿态监测模块，用于检测所述固定座相对隧道发生的位置变化信息；
控制单元，控制并接收所述扫描仪、所述安平控制台、所述姿态监测模块的工作过程和产生的信息数据。
2.根据权利要求1所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述控制单元设置有连接扩展设备的连接接口和向外界发出报警信息的声光预警装置，所述扩展设备包括检测隧道内应力、应变、透水状况的传感器。
3.根据权利要求1所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述扫描仪包括免棱镜漫反射式激光测距仪，和测量所述激光测距仪是否偏移的倾斜传感器，以及通过减速箱驱动所述激光测距仪在180度的一维平面内转动的伺服马达，所述控制单元收集所述倾斜传感器和所述激光测距仪的测量数据，并在两者之间依据时间点建立对应关系，从而确定隧道随时间流逝而产生的变形量。
4.根据权利要求3所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述倾斜传感器内置MEMS的双轴倾斜传感芯片和电子罗盘芯片，在监测全断面隧道变形的同时可检测自动安装位是否变形。
5.根据权利要求3所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述控制单元确定隧道随时间流逝而产生变形量的方法如下：
步骤10，在同一时间内，收集所述激光测距仪每道激光测量出的与当前隧道不同位置处的距离值；和
所述倾斜传感器获取的每一距离值时，该道激光与垂直方向上的角度值；
步骤20，将相应的角度值和距离值进行配对，并形成阶段数据；
步骤30，按预定时间间隔重复上述步骤，对每次收集的阶段数据进行对比，即可得到随时间流逝隧道的变形量。
6.根据权利要求3所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述扫描仪还包括激光清洗器，所述激光清洗器包括清洁马达和清洁头，当所述激光测距仪在控制单元的控制下转动至清洁位置时，所述激光测距仪的激光头与所述清洁头接触，同时所述清洁马达驱动所述清洁头旋转以对所述激光头进行清洁。
7.根据权利要求1所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述姿态监测模块包括移动检测单元、方向单元和一维收敛检测单元；所述移动检测单元采用MEMS传感器，以检测所述固定座是否发生俯仰或横滚动作；所述方向单元采用PSD传感器，通过与水平位置时激光点的相对距离值确定当前所述激光测距仪是否发生方位变化；所述一维收敛检测单元通过当前位置与检测点之间的相对位移，来检测所述固定座是否发生绝对变形现象。
8.根据权利要求7所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述一维收敛单元为线位移传感器，所述线位移传感器固定在所述固定座上，在与所述线位移传感器相邻的隧道侧壁处开有深入隧道侧壁深处的水平孔，所述线位移传感器的位移拉线的伸出端固定在所述水平孔内。
9.根据权利要求1所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
所述安平控制台包括支撑连接所述扫描仪的上活动板，和与所述固定座连接的下固定板，以轴连接的方式垂直连接在所述上活动板和所述下活动板之间的支撑轴，以及安装在所述下固定板上，以所述支撑轴为基点调整所述上活动板四周边沿与中心水平的横向电机和纵向电机。
10.根据权利要求1所述的隧道变形监测装置，其特征在于，
还包括局域无线链路和广域无线模块，所述控制单元连接有向外界发送信息的无线模块，所述局域无线链路分布在隧道的不同位置处，以将各监测点的数据传送至所述广域无线模块，所述广域无线模块用于将接收的信号传送至地面，或将接收的地面信号传送给所述局域无线链路。
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