CN106050307A - 自发射便携式隧道施工安全预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自发射便携式隧道施工安全预警系统，包括位移计、压力计、无线发射元件和便携式预警设备；所述无线发射元件分别与位移计和压力计电连接，用于发射采集的压力信息和位移信息；所述便携式预警设备包括无线模块和数据分析模块，所述无线模块与无线发射元件通信，用于接收采集的压力信息和位移信息；所述数据分析模块与无线模块通信，用于分析采集的压力信息和位移信息。

Description

自发射便携式隧道施工安全预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种自发射便携式隧道施工安全预警系统及方法。

背景技术

隧道工程是在地下进行施工，施工过程具有极大的未知性和不确定性。因此，隧道施工中，对隧道围岩变形和支护结构内力进行监测预警，是了解隧道变形情况、保障施工人员安全的重要手段。目前，隧道施工中的监控量测，主要采用人工作业方式，利用水准仪、全站仪等仪器，定时定点读取预埋测点的位移计等数据，再进行室内作业，绘制隧道变形的图表，根据变形、内力等监测值，对隧道安全状态进行预警。这一过程耗时较长，不能实时反映隧道的变形等稳定状态，而隧道的坍塌破坏可能发生在较短的时间内，并且人工作业较多，在恶劣的地下施工环境中，容易出现错误与误差，可靠性差，难以起到有效的预警作用。利用无线发射元件将位移计和压力计的监测数据进行传输，通过人员佩戴便携式预警设备，接受无线测试元件发出的监测数据，在便携式预警设备内设有隧道变形和压力等预警值，在接受到监测数据后自动判断预警等级，并发出相应的用颜色和文字表示的预警信息，可起到实时、无线、高效的隧道施工安全预警效果。

通过检索，中国发明专利申请号：201110208350.3，发明名称：基于三维数字隧道平台的隧道施工安全预警方法与系统，中国发明专利申请号：201210569572.2，发明名称：基于连续波雷达的隧道围岩形变量测预警系统及方法。针对隧道施工安全预警问题，分别建立了后台三维数字预警系统和利用连续波雷达测试围岩变形的预警系统，上述发明系统成本较高，并且不能实时监控隧道断面内实时发生的险情，为解决上述问题，有必要设计一种自发射便携式隧道施工安全预警系统及方法。

发明内容

本发明提供一种自发射便携式隧道施工安全预警系统及方法，以解决目前监测隧道围岩变形和支护结构内力预警不及时、预警信息可靠性差，以及现有技术和系统成本高、系统安装复杂等问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种自发射便携式隧道施工安全预警系统,包括位移计和压力计，还包括用于发送压力信息、位移信息和定位信息的无线发射元件和与无线发射元件组成无线局域网络的便携式预警设备；所述便携式预警设备包括接收无线信号的无线模块和分析采集信息的数据分析模块，所述数据分析模块包括构建有限元数值模型的隧道施工安全预警系统软件和存储根据不同断面设置预警阈值的预警数据库。所述无线发射元件前端与位移计和压力计电连接，后端通过无线局域网与便携式预警设备无线连接。

其中，无线发射元件分别与位移计和压力计通讯，用于收集压力信息和位移信息；

无线模块与无线发射元件通讯，用于接收无线发射元件通过无线局域网发射的压力信息、位移信息和定位信息；

数据分析模块与无线模块通讯，用于分析压力信息和位移信息得出预警等级，分析定位信息得出监测点位置。

进一步地，所述便携式预警设备还包括处理器、报警指示灯、显示屏和操作按钮，所述处理器分别与数据分析模块、报警指示灯、显示屏和操作按钮电电连接，用于综合控制各器件之间的联动；所述报警指示灯用于根据分析得到的预警等级闪烁不同颜色的报警灯光和不同频率的声音提示；所述显示屏用于显示压力计和位移计编号、压力、位移数值和预警等级信息；所述操作按钮用于移动显示屏内选项来选择相应的展示信息。

进一步地，所述系统设有多个相互之间有一定距离的监测断面，在同一个监测断面的上拱顶和两侧拱脚与边墙相交处分别设置监测点，所述每个监测点设有压力计、位移计和无线发射元件。

一种自发射便携式隧道施工安全预警方法，所述方法包括如下步骤：

S1)根据隧道地质情况、开挖支护方式和围岩级别，确定隧道监测断面的位置；

S2)在监测断面上的拱顶、隧道两侧拱脚与边墙相交处布置监测点；

S3)根据监测断面的地质情况、开挖支护方式和围岩级别，建立有限元数值模型，将采集数据与有限元数值模型进行匹配，确定预警等级；

S4)便携式预警设备根据预警等级闪烁不同颜色的报警灯和不同频率的声音提示，并在显示屏上显示压力计和位移计编号、压力、位移数值和预警等级等信息。

进一步地，所述步骤S3)前还包括S2.1)：将每个监测点的压力计、位移计及无线发射元件通过电源集线器接入电源。

进一步地，所述步骤S3)还包括步骤S3.1)：有限元数值模型的建立采用强度折减法，通过计算隧道变形过程绘制折减系数-位移图和折减系数-压力图。

本发明的有益效果是：

本发明在压力计和位移计上接入无线发射元件，将压力计和位移计监测的信息通过无线发射元件发射至巡检人员携带的便携式预警设备上，预警设备上设有数据分析模块，数据分析模块设有隧道施工安全预警系统软件和数据库，通过计算隧道变形过程得到折减系数-位移图和折减系数-压力图，在施工安全预警系统软件构建有限元数值模型，通过将采集的信息与有限元数值模型进行对比，根据设定的阈值范围，人员在携带便携式预警设备行走过程中，获取压力计和位移计的监测数值，转化为预警等级，并产生预警信息和声光提示；便携式预警设备的无线模块与无线发射元件形成局域网，可以识别所接收的信息来自的位移计和压力计编号和位置，使人员在巡检过程中，能实时检查每个监测点的监测情况，可起到实时、无线、高效的隧道施工安全预警效果。

附图说明

图1是本发明自发射便携式隧道施工安全预警系统及方法的一个实施例示意图；

图2是本发明便携式预警设备的一个结构示意图；

图3是本发明拱顶监测点的折减系数-位移图；

图4是本发明拱顶监测点的折减系数-压力图；

图5是本发明两侧拱脚与边墙相交处监测点的折减系数-位移图；

图6是本发明两侧拱脚与边墙相交处监测点的折减系数-压力图；

图中：1-移计、2-压力计、3-无线发射元件和4-便携式预警设备。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

参见图1，包括位移计1、压力计2、无线发射元件3和便携式预警设备4；位移计1布置在监测点的墙壁内，通过人工在监测点墙壁钻孔，将位移计布置在孔洞内，使位移计的传感器与孔洞的内壁和底部贴合，位移计采用振弦方式具有自动识别功能，可以自动获取监测点的位移信息；压力计2布置在监测点的墙壁外，与监测点的墙壁表面贴合，压力计2采用钢弦方式，具有自动识别功能，可以自动获取监测点的压力信息；无线发射元件3布置在监测点墙壁外，通过螺栓固定在位移计和压力计旁边，通过信号线与位移计和压力计电连接，无线发射元件是位移计和压力计传输信息的中枢，位移计和压力计将监测的位移信息和压力信息传送给无线发射元件，无线发射元件通过电磁波将位移信息和压力信息发射至空中，无线发射元件采用标准的数据通信TCP/IP协议以及无线局域网协议；便携式预警设备4包括无线模块41和数据分析模块42，无线模块同样遵循TCP/IP协议以及无线局域网协议，无线模块通过事先发射局域网建立信号，通过对每一个无线发射元件分配IP地址建立无线局域网，这样每个无线发射元件发射出的压力信息和位移信息都有标识，通过设定特定的编号和位置来进行区分，无线模块可以将对应编号和位置的位移信息和压力信息进行归类接收；数据分析模块包括隧道施工安全预警系统软件和存储根据不同断面设置预警阈值的预警数据库，隧道施工安全预警系统软件构建有限元数值模型，预警数据库存储根据不同断面设置预警阈值，有限元数值模型采用强度折减法，通过计算隧道变形过程绘制折减系数-位移图和折减系数-压力图，数据分析模块与无线模块通信，将接收的位移信息和压力信息与有限元数值模型进行对比，得出预警等级。

参考图2，便携式预警设备4还包括处理器46、报警指示灯43、显示屏44和操作按钮45，处理器分别与数据分析模块、报警指示灯、显示屏和操作按钮电连接，综合调度各器件之间的联动；报警指示灯根据分析得到的预警等级闪烁不同颜色的报警灯光和不同频率的声音提示，在折减系数-位移图、折减系数-压力图上，曲线拐点所对应的值为临界变形值U0和临界压力值P0；当监测位移值U＞3U0/4或监测压力值P＞3P0/4时，为红色预警并发出短暂且急促的报警声；当1U0/2＜U≤3U0/4或1P0/2＜P≤3P0/4时，为橙色预警并发出间隔均匀的报警声；当U0/4≤U≤1U0/2或P0/4≤P≤1P0/2时，为黄色预警并发出间隔较长的报警声；当U＜U0/4或P＜P0/4时，为绿色预警并不发出报警声；报警指示灯采用led技术，具有亮度高，辨识度大，使用寿命长等特点；显示屏用于显示压力计和位移计编号、压力、位移数值和预警等级等信息，显示屏同样采用led技术，led显示屏成本低廉、稳定性好；操作按钮45设有左移、右移、上移、下移、确定、返回和数字键盘等，用于根据巡检人员需要移动屏幕内选项来选择相应的展示信息。

在本实施例中，设有多个相互之间有一定距离的监测断面，在同一个监测断面的上拱顶和两侧拱脚与边墙相交处分别设置监测点；在设置监测点之前，需要判断监测断面的距离，检测断面的距离根据隧道，围岩的等级来设置不同的长度，围岩等级分为：VI级、V级、IV级、III级、II级和I级；对于V级和VI级围岩，监测断面间距取5～10m；对IV级围岩，监测断面间距取10～20m；对III级围岩，监测断面间距取20～30m；对I～II级围岩，监测断面间距取30～50m；每个监测点设置1个压力计、1个位移计和1个无线发射元件组成。

作为本发明的进一步改进，每个检测点设置1个压力计、1个位移计和2个无线发射元件，1个压力计对应1个无线发射元件，1个位移计对应1个无线发射元件，在本实施例中，由于压力计和位移计各自对应不同的无线发射元件，其安装的位置不会应为需要连接同一个无线发射元件而局限，可以根据断面的实际情况，可以从拱顶至两侧拱脚与边墙相交处的180度幅度内调整压力计或位移计的位置。

参考图3、图4、图5和图6，在围岩级别为V级，监测断面距离设置为5米时的折减系数-位移图和折减系数-压力图，在图中，折减系数为2时为拐点，对应的临界沉降值为0.2cm、临界拱顶压应力值为0.7MPa、临界边墙位移为0.8cm、临界边墙压应力值为1MPa；当拱顶沉降U＜0.05cm时、压力P＜0.175MPa、边墙位移U’＜0.2cm、边墙压力P’＜0.25MPa，为绿色预警并不发出报警声；当拱顶沉降0.05cm≤U≤0.1cm、压力0.175MPa≤P≤0.35MPa、边墙位移U’0.2cm≤U’≤0.4cm、边墙压力P’0.25MPa≤P’≤0.5MPa时，为黄色预警并发出间隔较长的报警声；当拱顶沉降0.1cm＜U≤0.15cm、压力P0.35MPa＜P≤0.525MPa、边墙位移U’0.4cm＜U’≤0.6cm、边墙压力P’0.5MPa＜P’≤0.75MPa时，为橙色预警并发出间隔均匀的报警声；当拱顶沉降U＞0.15cm、压力P＞0.525Mpa、边墙位移U’＞0.6cm、边墙压力P’＞0.75MPa，为红色预警并发出短暂且急促的报警声。

一种自发射便携式隧道施工安全预警方法，包括如下步骤：

S1)在隧道施工过程中进行勘察，得到隧道地质情况、开挖支护方式和围岩级别，收集隧道设计资料、施工图纸和开挖方式等，根据勘察和收集的资料确定隧道监测断面的位置和监测断面的距离；

S2)利用钻孔工具和登高车在监测断面上的拱顶和隧道两侧拱脚与边墙相交处布置监测点，每个监测点包括位移计、压力计和无线发射元件，将每个监测点的压力计、位移计及无线发射元件通过电源集线器接入电源，位移计用于采集位移信息，压力计用于采集压力信息，无线发射元件用于将采集的信息发射给便携式预警设备；

S3)根据监测断面的地质情况、开挖支护方式和围岩级别，建立有限元数值模型，有限元数值模型的建立采用强度折减法，通过计算隧道变形过程绘制折减系数-位移图和折减系数-压力图，将采集数据与有限元数值模型进行匹配，确定预警等级。

S4)便携式预警设备根据预警等级闪烁不同颜色的报警灯和不同频率的声音提示，并在显示屏上显示压力计和位移计编号、压力、位移数值和预警等级等信息。

由上述实施例可见，本发明在压力计和位移计上接入无线发射元件，将压力计和位移计监测的信息通过无线发射元件发射至巡检人员携带的便携式预警设备上，预警设备上设有数据分析模块，数据分析模块设有隧道施工安全预警系统软件和数据库，通过计算隧道变形过程得到折减系数-位移图和折减系数-压力图，在施工安全预警系统软件构建有限元数值模型，通过将采集的信息与有限元数值模型进行对比，根据设定的阈值范围，人员在携带便携式预警设备行走过程中，获取压力计和位移计的监测数值，转化为预警等级，并产生预警信息和声光提示；便携式预警设备的无线模块与无线发射元件形成局域网，可以识别所接收的信息来自的位移计和压力计编号和位置，使人员在巡检过程中，能实时检查每个监测点的监测情况，可起到实时、无线、高效的隧道施工安全预警效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种自发射便携式隧道施工安全预警系统,包括位移计(1)和压力计(2)，其特征在于：还包括用于发送压力信息、位移信息和定位信息的无线发射元件(3)和与无线发射元件(3)组成无线局域网络的便携式预警设备(4)；所述便携式预警设备(4)包括接收无线信号的无线模块(41)和分析采集信息的数据分析模块(42)，所述数据分析模块(42)包括构建有限元数值模型的隧道施工安全预警系统软件和存储根据不同断面设置预警阈值的预警数据库；所述无线发射元件(3)前端与位移计(1)和压力计(2)电连接，后端通过无线局域网与便携式预警设备(4)无线连接；

其中，无线发射元件(3)分别与位移计(1)和压力计(2)通讯，用于收集压力信息和位移信息；

无线模块(41)与无线发射元件(3)通讯，用于接收无线发射元件(3)通过无线局域网发射的压力信息、位移信息和定位信息；

数据分析模块(42)与无线模块(41)通讯，用于分析压力信息和位移信息得出预警等级，分析定位信息得出监测点位置。

2.根据权利要求1所述的一种自发射便携式隧道施工安全预警系统，其特征在于：所述便携式预警设备(4)还包括处理器(46)、报警指示灯(43)、显示屏(44)和操作按钮(45)，所述处理器(46)分别与数据分析模块(42)、报警指示灯(43)、显示屏(44)和操作按钮电(45)电连接，用于综合控制各器件之间的联动；所述报警指示灯(43)用于根据分析得到的预警等级闪烁不同颜色的报警灯光和不同频率的声音提示；所述显示屏(44)用于显示压力计和位移计编号、压力、位移数值和预警等级信息；所述操作按钮(45)用于移动显示屏(44)内选项来选择相应的展示信息。

3.根据权利要求1所述的一种自发射便携式隧道施工安全预警系统，其特征在于：所述系统设有多个相互之间有一定距离的监测断面，在同一个监测断面的上拱顶和两侧拱脚与边墙相交处分别设置监测点，所述每个监测点设有压力计(1)、位移计(2)和无线发射元件(3)。

4.一种自发射便携式隧道施工安全预警方法，所述方法包括如下步骤：

S1)根据隧道地质情况、开挖支护方式和围岩级别，确定隧道监测断面的位置；

S2)在监测断面上的拱顶、隧道两侧拱脚与边墙相交处布置监测点；

S3)根据监测断面的地质情况、开挖支护方式和围岩级别，建立有限元数值模型，将采集数据与有限元数值模型进行匹配，确定预警等级；

S4)便携式预警设备根据预警等级闪烁不同颜色的报警灯和不同频率的声音提示，并在显示屏上显示压力计和位移计编号、压力、位移数值和预警等级等信息。

5.根据权利要求5所述的一种自发射便携式隧道施工安全预警方法，其特征在于：所述步骤S3)前还包括S2.1)：将每个监测点的压力计、位移计及无线发射元件通过电源集线器接入电源。

6.根据权利要求5所述的一种自发射便携式隧道施工安全预警方法，其特征在于：所述步骤S3)还包括步骤S3.1)：有限元数值模型的建立采用强度折减法，通过计算隧道变形过程绘制折减系数-位移图和折减系数-压力图。