CN107228655A - 一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统及方法，系统包括刚性支架、倾角测量机构、激光标靶机构、激光发射机构和位移分部判识系统，刚性支架与危石连接，所述刚性支架上固定有测量其倾斜角度的倾角测量机构和向外发射激光光源的激光发射机构，激光光源照射于设置在刚性支架外的激光标靶机构，所述位移分部判识系统采集倾斜角度、激光光源照射距离和激光标靶的偏移距，以确定危石的旋转位移和刚性位移。本发明在考虑危石旋转效应的同时，可准确获取危石转动角度及位移变化数据，不仅能够减少对隧道施工的干扰，更能实现危石旋转角度及刚性平移的分部判识，以保证隧道施工安全。

Description

一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统及方法。

背景技术

隧道建设过程中，遭遇大量非连续体，如断层、层理、节理等，因此形成隧道岩体非连续、非均匀、非各向同性的基本特点，非连续体的交切组合关系将导致危石垮落。危石的位移监测是判断其稳定性和指导施工的重要依据。

而目前对于特定危石的监测手段比较单一，传统位移监控量测手段存在以下不足：

(1)不能实时监测，即不能实时反映危石的位移变化；

(2)对施工扰动大，即架设监测仪器严重干扰隧道运输作业；

(3)没有考虑岩石的转动效应，而危石的位移包括旋转产生位移及刚性平移两者矢量和。

因此，裂隙岩体隧道危石位移实时监测及预警，对于保证隧道施工安全、提高作业效率至关重要。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统及方法，本发明在考虑危石旋转效应的同时，可准确获取危石转动角度及位移变化数据，不仅能够减少对隧道施工的干扰，更能实现危石旋转角度及刚性平移的分部判识，以保证隧道施工安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，包括刚性支架、倾角测量机构、激光标靶机构、激光发射机构和位移分部判识系统，其中，所述刚性支架与危石连接，所述刚性支架上固定有测量其倾斜角度的倾角测量机构和向外发射激光光源的激光发射机构；

所述激光光源照射于设置在刚性支架外的激光标靶机构，所述位移分部判识系统采集倾斜角度、激光光源照射距离和激光标靶的偏移距，以确定危石的旋转位移和刚性位移。

进一步的，所述倾角测量机构包括倾角测量传感器和两自由度旋转平台，所述倾角测量传感器设置在两自由度旋转平台上，两自由度旋转平台固定于刚性支架上。

进一步的，所述两自由度旋转平台包括活动连接的水平旋转平台和竖直旋转平台。

进一步的，倾角测量传感器基于三轴重力加速度原理，轴加速度传感器传感方向与重力加速度方向一致时为零倾斜角度，当重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角α，作用为全方位测量危石的转动倾角。

进一步的，所述激光发射机构包括激光发射器、激光定位器装置及激光测距传感器，激光发射器为激光探头，激光定位器分为前部和后部，通过四只可伸缩抓手，从而确定激光发射器前后的初始位置和姿态；激光测距传感器接收反射激光，测量激光发射点至激光标靶之间的距离L。

进一步的，所述刚性支架包括固定装置由开有膨胀螺丝孔的钢框架，通过膨胀螺栓将钢框架和危石连接，形成刚性整体。

进一步的，所述钢框架包括钢板、主轴和连接杆，所述主轴为多根，固定于两个钢板之间，所述连接杆垂直于主轴方向，增加整体刚度和稳定性。

进一步的，所述激光标靶为激光发射器接收装置，设置有不同刻度的圆形位移标识圈，并实时读取激光点至标靶中心的直线距离。

进一步的，所述位移分部判识系统包括总位移读取模块、旋转位移及刚性平移位移计算模块，激光标靶上偏移距通过无线蓝牙同步至总位移读取模块，旋转位移及刚性平移位移计算模块通过倾角测量传感器测得，激光发射点至标靶距离求得计算。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)固定刚性支架与危石，形成刚性整体；

(2)开启激光发射器，调节至激光标靶中心，设置初始总位移为零；

(3)设置危石倾角测量传感器初始读数为零，倾角测量传感器所读取数值即为危石旋转倾角；

(4)位移分部判识系统读取危石旋转角度α和激光发射点至标靶距离L，计算旋转位移；

(5)位移分部判识系统读取激光标靶上偏移距，计算相应的刚性平移距离。

进一步的，旋转位移W即为旋转角度α与激光发射点至标靶距离L乘积。

刚性位移S为激光标靶上偏移距H与旋转位移W的矢量差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明在考虑危石旋转效应的同时，可准确获取危石转动角度及位移变化数据，不仅能够减少对隧道施工的干扰，更能实现危石旋转角度及刚性平移的分部判识，以保证隧道施工安全；

(2)本发明利用角度测量传感器，可实现危石旋转角度的测量，同时采用激光标靶位移测量法，可反求危石的刚性位移；

(3)本发明利用激光测量位移数据，具有更高的测量精度，且监测系统的结构简单，操作简便，提高工作效率；

(4)解决了以往危石位移监测手段单一、对施工扰动大，且不考虑危石旋转效应等问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明结构示意图；

图2为关键部位细部图。

其中1.危石；2.膨胀螺栓；3.固定钢板；4.主轴；5.激光发射器；6.激光测距传感器；7.倾角测量传感器；8.承台钢板；9.水平旋转平台；10.竖直旋转平台；11.激光标靶；12.位移刻度标识圈；13.标靶支撑；14.位移分部判识系统；15.无线蓝牙；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不能实时监测、施工扰动大和没有考虑岩石的转动效应的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统由倾角测量传感器7、激光发射组件、固定装置、激光标靶11及位移分部判识系统14组成。

如图1所示，倾角测量传感器7和激光发射组件在固定装置作用下，与被测危石1形成一个刚性整体，可实时测量危石1的旋转角度及刚性平移位移数据，并通过激光标靶11上位移数据的自动读取，实现危石1旋转角度及刚性平移的分部判识。

倾角测量传感器7是基于三轴重力加速度原理，轴加速度传感器传感方向与重力加速度方向一致时为零倾斜角度，当重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角α，作用为全方位测量危石的转动倾角。

激光发射组件由激光发射器5、激光定位器装置及激光测距传感器6组成。其中，激光发射器5为近似为长圆柱型激光探头，发射激光类型为Class1人眼安全激光，避免位移监测过程中人员伤亡；激光定位器分为水平旋转平台和竖直旋转平台，从而确定激光发射器5前后的初始位置和姿态；激光测距传感器6可接收反射激光，测量激光发射点至激光标靶11之间的距离L。

所述固定装置由开有膨胀螺丝孔的固定钢板3和四根不锈钢主轴4组成。不锈钢板上开有四个膨胀螺栓孔，可通过膨胀螺栓3固定于危石1之上，形成刚性整体；四根不锈钢主轴4焊接于固定钢板3上，主轴4方向垂直于固定钢板2平面，为固定装置主体构件，增加整体刚度和稳定性。

所述激光标靶11为激光发射器5接收装置，设置有不同刻度的圆形位移刻度标识圈12，并可实时读取激光点至标靶中心的直线距离，即标靶偏移距H。

所述位移分部判识系统14包括总位移读取、旋转位移及刚性平移位移求解组成。激光标靶上偏移距即为总位移H，通过数据线同步至位移分部判识系统14；旋转角度α可通过倾角测量传感器7测得，激光发射点至标靶距离L可通过激光测距传感器6测得，并通过无线蓝牙15同步至位移分部判识系统14，旋转位移即为旋转角度α与激光发射点至标靶距离h乘积；刚性位移S为总位移H与旋转位移W的矢量差。

应用上述装置实现考虑旋转效应的隧道危石实时位移监测系统，包括以下步骤：

(1)固定装置于危石1，形成刚性整体。钻进四个膨胀螺栓孔于危石1上，通过膨胀螺栓2将固定装置与危石1形成刚性整体；

(2)开启激光发射器5，调节至激光标靶11中心。打开激光发射器5开关，调节激光发射装置水平旋转平台与竖直方向旋转平台，调节激光发射至激光标靶11中心点位置，即设置初始总位移为零；

(3)设置危石倾角测量传感器7初始读数为零。将安置后的危石倾角测量传感器7初始读数设置为零，之后倾角测量传感器7所读取数值即为危石1旋转倾角；

(4)旋转位移求解。危石1旋转角度α和激光发射点至标靶距离L通过无线蓝牙15读取至位移分部判识系统14，旋转位移W＝L*α，其中L为标量，W、α为矢量；

(5)刚性平移位移求解。激光标靶上偏移距即为总位移H通过数据线读取至位移分部判识系统14，总位移H是危石旋转位移与刚性平移的矢量叠加，即刚性平移距离S＝H-W，其中H、W均为矢量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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 (10)

1.一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：包括刚性支架、倾角测量机构、激光标靶机构、激光发射机构和位移分部判识系统，其中，所述刚性支架与危石连接，所述刚性支架上固定有测量其倾斜角度的倾角测量机构和向外发射激光光源的激光发射机构；

所述激光光源照射于设置在刚性支架外的激光标靶机构，所述位移分部判识系统采集倾斜角度、激光光源照射距离和激光标靶的偏移距，以确定危石的旋转位移和刚性位移。

2.如权利要求1所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：所述倾角测量机构包括倾角测量传感器和两自由度旋转平台，所述倾角测量传感器设置在两自由度旋转平台上，两自由度旋转平台固定于刚性支架上。

3.如权利要求2所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：所述两自由度旋转平台包括活动连接的水平旋转平台和竖直旋转平台。

4.如权利要求2所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：倾角测量传感器基于三轴重力加速度原理，轴加速度传感器传感方向与重力加速度方向一致时为零倾斜角度，当重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角α，作用为全方位测量危石的转动倾角。

5.如权利要求1所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：所述激光发射机构包括激光发射器、激光定位器装置及激光测距传感器，激光发射器为激光探头，激光定位器分为前部和后部，通过四只可伸缩抓手，从而确定激光发射器前后的初始位置和姿态；激光测距传感器接收反射激光，测量激光发射点至激光标靶之间的距离L。

6.如权利要求1所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：所述刚性支架包括固定装置由开有膨胀螺丝孔的钢框架，通过膨胀螺栓将钢框架和危石连接，形成刚性整体；

或，所述钢框架包括钢板、主轴和连接杆，所述主轴为多根，固定于两个钢板之间，所述连接杆垂直于主轴方向，增加整体刚度和稳定性。

7.如权利要求1所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：所述激光标靶为激光发射器接收装置，设置有不同刻度的圆形位移标识圈，并实时读取激光点至标靶中心的直线距离。

8.如权利要求1所述的一种考虑旋转效应的隧道危石位移实时监测系统，其特征是：所述位移分部判识系统包括总位移读取模块、旋转位移及刚性平移位移计算模块，激光标靶上偏移距通过无线蓝牙同步至总位移读取模块，旋转位移及刚性平移位移计算模块通过倾角测量传感器测得，激光发射点至标靶距离求得计算。

9.基于如权利要求1-8中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)固定刚性支架与危石，形成刚性整体；

(2)开启激光发射器，调节至激光标靶中心，设置初始总位移为零；

(3)设置危石倾角测量传感器初始读数为零，倾角测量传感器所读取数值即为危石旋转倾角；

(4)位移分部判识系统读取危石旋转角度α和激光发射点至标靶距离L，计算旋转位移；

(5)位移分部判识系统读取激光标靶上偏移距，计算相应的刚性平移距离。

10.如权利要求9所述的的工作方法，其特征是：旋转位移W即为旋转角度α与激光发射点至标靶距离L乘积；

刚性位移S为激光标靶上偏移距H与旋转位移W的矢量差。