CN107703801A - 全天候隧道初期支护塌陷预警系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其主要包括UPS电源、电控单元、中央控制单元、声光报警器开关控制模块、声光报警器、智能终端、四台姿态可调激光监测模块等，其中姿态可调激光监测模块由激光测距传感器、两自由度的云台、微控制器和蓝牙模块组成，各模块与模块之间通过导线连接，电控单元上装有3个按钮，分别是电源按钮、复位按钮和运行按钮，电源按钮用于控制整个系统的供电，按下电源按钮，整个系统接通电源，按下复位按钮，四台姿态可调激光监测模块工作在复位模式下，按下运行按钮，四台姿态可调激光监测模块处于正常工作模式下，该系统在监测到隧道初期支护下沉变形较大发生塌陷事故时，通过声光报警器发出预警信息。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统及使用方法，属于隧道施工安全领域。
背景技术
随着我国经济社会的飞速发展，高速公路、铁路等基础设施建设的投资越来越大，隧道是高速公路和铁路的重要组成部分，隧道具有改善路网走向和分布、节约土地等优点，可以极大缩短路网里程、减少弯道。
隧道由于空间狭窄、结构封闭、视线差、地形复杂，因此施工难度大，并且因为地质条件复杂、应力应变不均匀、施工过程中产生的冲击波等原因，在隧道施工过程中，容易出现隧道坍塌的情况。
随着隧道施工技术的进展，隧道挖掘出来后，会迅速用工字钢加固和混凝土初浇筑，并在随后用混凝土进行再加固，安全性大幅提高。但初期支护(再加固之前的隧道部分)墙体由于隧道地质条件复杂引起的应力、应变，总会在挖掘后发生一定量的变形，通常小于5cm的变形不会造成隧道初期支护面墙体的垮塌，但当变形量大于5cm时，容易导致隧道初期支护面墙体的急速突然垮塌，造成隧道“关门”现象，将在掌子面施工的人员困在里面。一旦发生“关门”事故，施工人员生命面临巨大威胁，救援工作复杂困难，容易引起灾难性的后果。因此，保证隧道施工安全至关重要。
传统的隧道初期支护变形安全监控主要依赖现场安全员的定期观察，主要观察隧道初期支护墙体顶部和腰部的变形情况，但安全员在隧道光线较暗的环境下难以观察相对较小的、不突出的变形和变化缓慢的累积变形，而且安全员只能间隔一定时间监测一次，不能实时监测，人在疲劳情况下监测的准确度也大为下降，从而造成严重的安全隐患。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术不足，提供一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统及使用方法，它通过安装在距离隧道初期支护一定尺寸的姿态可调激光监测模块，实现隧道初期支护墙体下沉变形的全天候实时监测，并且在初期支护墙体下沉变形超过一定量时，发出安全预警信息，提示作业人员马上撤离。
本发明的技术方案是：主要包括UPS电源(1)、电控单元(2)、中央控制单元(3)、声光报警器开关控制模块(5)、声光报警器(6)、智能终端(4)、四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)等。其特征在于：四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)由4个激光测距传感器(20、25、30、35)、4个两自由度云台(16、21、26、31)、4个激光监测模块壳体(17、22、27、32)、4个微控制器(19、24、29、34)和4个蓝牙模块(18、23、28、33)等组成，电控单元(2)由开关电源(14)、电控单元壳体(15)、电源按钮(13)、复位按钮(12)、运行按钮(11)等组成；UPS电源(1)和电控单元(2)连接，电控单元(2)和中央控制单元(3)连接，中央控制单元(3)与四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)连接，激光监测模块(7、8、9、10)中的激光测距传感器(20、25、30、35)通过螺丝分别固定在4个两自由度云台上(16、21、26、31)，四台激光监测模块(7、8、9、10)分别与声光报警器开关控制模块(5)连接，声光报警器开关控制模块(5)与声光报警器(6)连接。
所述的UPS电源(1)输出220V的交流电给电控单元(2)，电控单元(2)输出12V的直流电给四台两自由度云台(16、21、26、31)、中央控制单元(3)和声光报警器开关控制模块(5)，中央控制单元(3)将12V的直流电供给四台激光测距传感器(20、25、30、35)和微控制器(19、24、29、34)。
所述的电控单元(2)上有三个按钮，电源按钮(13)，该按钮控制着中央控制单元(3)电源的通断，当电源开关按下时，中央控制单元(3)电源接通；复位按钮(12)，当按下该按钮后，四台激光监测模块(7、8、9、10)同时上电，并进入复位模式下；运行按钮(11)，当按下该按钮后，四台激光监测模块(7、8、9、10)进入正常工作模式下。
所述的激光测距传感器(20、25、30、35)与微控制器(19、24、29、34)通过串行口连接，激光测距传感器(20、25、30、35)把测量得到的距离数据分别发送给微控制器(19、24、29、34)。
所述的蓝牙模块(18、23、28、33)安装在微控制器(19、24、29、34)上，微控制器(19、24、29、34)通过蓝牙模块(18、23、28、33)与智能终端(4)连接。
所述的智能终端(4)可以是带有蓝牙的智能手机、平板电脑等设备，其通过蓝牙配对可分别与四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)连接、通讯，显示激光测距传感器(20、25、30、35)测得的数据，并可以通过软件界面控制激光监测模块(7、8、9、10)的运行模式。
所述的激光测距传感器(20、25、30、35)、微控制器(19、24、29、34)、工作指示灯等都安装在激光监测模块壳体(17、22、27、32)内，激光监测模块壳体(17、22、27、32)通过螺栓螺母安装在两自由度云台(16、21、26、31)上。
本发明工作原理是：四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)是本系统的核心，主要功能有监测距离变化、判断是否达到触发报警条件、触发声光报警器(6)发出报警和姿态调整等，四台激光监测模块(7、8、9、10)中的程序是一样的、且可以互换、每台激光监测模块(7、8、9、10)都能独立工作。四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)分别安装在距离隧道初期支护墙面5cm的顶部和腰部，其中顶部两台，根据其安装位置分别称为顶左和顶右，左右两个腰部分别安装一台，根据其安装位置分别称为腰左、腰右。四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)安装好之后，通过两自由度的云台(16、21、26、31)调整其发出的激光束与隧道初期支护墙壁平行，此时激光束打在掌子面(作业面)上，当隧道初期支护墙体某一部分下沉变形量超过5cm时，打在掌子面(作业面)上的激光束将会被下沉的墙体挡住，激光测距传感器(20、25、30、35)测得的数据就会变小，经过微控制器(19、24、29、34)中程序的判断确认不是误报警后，微控制器(19、24、29、34)通过声光报警器开关控制模块(5)打开声光报警器，发出声光报警提示作业人员快速撤离隧道。
激光监测模块(7、8、9、10)判断是否是需要进行？主要依据是距离其本身1米至参考值减去15米范围内是否有遮挡物，如果在此范围内有遮挡物，说明初期支护面的变形超过5cm或是在这段区间有其他遮挡物，就会触发报警；激光监测模块(7、8、9、10)上有指示灯，该指示灯会根据不同的工况显示不同的颜色来提醒用户，触发报警时，指示灯的颜色为红色，系统在复位模式下，指示灯的颜色为蓝色，系统在运行模式下，指示灯的颜色为绿色，当测量的距离为0时或是测量距离小于1米，指示灯的颜色为黄色，已提示用户测量仪器本身工作不正常。
中央控制单元(3)控制四台激光监测模块的工作状态和工作时间。工作状态：分为复位模式和正常工作模式。当按下电控单元(2)的复位按钮(12)时，中央控制单元(3)给四台激光监测模块(7、8、9、10)上电，并是其处于复位模式下，此时，激光监测模块(7、8、9、10)中的激光测距传感器(20、25、30、35)不断测量距离，调试好四台激光监测模块(7、8、9、10)的姿态之后，四台激光监测模块(7、8、9、10)将稳定后测量的距离作为各自的参考值，参考值用来和系统正常工作模式时的测量值进行比较，并作为判断是否触发预警的重要依据。
按下电控单元(2)的运行按钮(11)，系统进入正常工作模式，四台激光监测模块(7、8、9、10)每隔1秒对掌子面(工作面)测量一次，如果中间的初期支护面发生较大的下沉，激光监测模块发出的激光会被中途当到，则激光监测模块测量到的数据与参考值相比就会变小，则系统经过判断认定不是误触发后，即发出预警信息。
为了延长系统使用寿命，并避免程序产生过大累积误差，本系统设置了两两循环间歇工作的策略：首先开机运行后，四台激光监测模块(7、8、9、10)先同时工作5分钟，5分钟后，关闭顶右和腰右的两台激光监测模块(9、10)，每间隙55分钟后自动打开顶右和腰右两台激光监测模块(9、10)，四台激光监测模块(7、8、9、10)再同时工作5分钟，5分钟后再关闭顶左和腰左的两台激光监测模块(7、8)，只保留顶右和腰右的两台激光监测模块(9、10)工作，55分钟后，再打开顶左和腰左的两台激光监测模块(7、8)，如此循环往复运行，直到系统按下复位键或关闭电源。
智能终端负责与蓝牙模块(18、23、28、33)通信，智能终端发送指令给蓝牙模块(18、23、28、33)，蓝牙模块(18、23、28、33)将指令传给微控制器(19、24、29、34)，微控制器(19、24、29、34)根据接收到的指令控制激光监测模块(7、8、9、10)的正常工作模式，当接收到的指令值是49时，激光监测模块(7、8、9、10)工作在复位模式下，并将当前测量的值为作为参考值，通过蓝牙模块(18、23、28、33)发送给智能终端，智能终端软件界面上显示实时测量值；当接收到的指令是48时，激光监测模块(7、8、9、10)工作在正常工作模式下，将复位模式下获得的参考值和正常工作模式下的测量值一起通过蓝牙模块(18、23、28、33)发送给智能终端，智能终端软件界面上显示实时测量值和参考值。
本系统工作流程如下：首先给系统接通电源，按下电控单元(2)的复位按钮(12)，中央控制单元(3)和激光监测模块(7、8、9、10)开始处于复位模式，分别通过两自由度云台(16、21、26、31)调整激光监测模块的姿态，使激光束入射到掌子面(工作面)上并距离顶面5cm，获取参考值，调整完毕后，按下电控单元(2)的运行按钮(11)，系统进入正常工作模式，按照设定运行模式对隧道初期支护面变形进行实施监测，当被监测的初期支护面在四个监测点的下沉变形超过5cm时，系统的声光报警器发出警报，提示作业人员马上撤离。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以全天候对隧道初期支护的变形进行监测，变形了超过设定量，立即发出声光警报，提示工作人员撤离，保障了工作人员的人身安全。
2、本发明对隧道初期支护的四个点进行监测，监测点分布合理，预警的准确性高。
3、本发明采用两自由度云台遥控调整激光监测模块的姿态，灵活性好、安全易用，操作简单方便、智能化程度高。
4、智能终端APP，可以通过智能终端APP查看每台设备的当前监测的距离，以方便调节设备光束。并且可以通过智能终端APP发送指令给蓝牙模块调节每台激光测距传感器的正常工作模式。
附图说明
图1是本发明的安装示意图；
图2是本发明的系统组成；
图3是本发明的电控单元系统组成图；
图4是本发明的姿态可调激光监测模块(顶左)系统组成图；
图5是本发明的姿态可调激光监测模块(腰左)系统组成图；
图6是本发明的姿态可调激光监测模块(顶右)系统组成图；
图7是本发明的姿态可调激光监测模块(腰右)系统组成图；
图8是本发明的姿态可调激光监测模块的等轴使用状态示意图；
图9是本发明的姿态可调激光监测模块的内部结构示意图；
图10是本发明的电控单元的等轴结构示意图；
图11是本发明的中央控制单元的等轴结构示意图；
图中：1-UPS电源、2-电控单元、3-中央控制单元、4-智能终端、5-声光报警器开关控制模块、6-声光报警器、7、8、9、10-四台姿态可调激光监测模块、11-运行按钮、12-复位按钮、13-电源按钮、14-开关电源、15-电控单元壳体、16、21、26、31-云台、17、22、27、32-激光监测模块壳体、18、23、28、33-蓝牙模块、19、24、29、34-微控制器、20、25、30、35-激光测距传感器。
具体实施方式
实施例1：如图1-5，一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，包括UPS电源1、电控单元2、中央控制单元3、声光报警器开关控制模块5、声光报警器6、智能终端4、四台姿态可调激光监测模块7、8、9、10，四台姿态可调激光监测模块7、8、9、10由四个激光测距传感器20、25、30、35、四个两自由度云台16、21、26、31、四个激光监测模块壳体17、22、27、32、四个微控制器19、24、29、34和四个蓝牙模块18、23、28、33等组成，电控单元2由开关电源14、电控单元壳体15、电源按钮13、复位按钮12、运行按钮11等组成；UPS电源和电控单元2连接，电控单元2和中央控制单元3连接，中央控制单元3与四台姿态可调激光监测模块7、8、9、10连接，激光监测模块7、8、9、10中的激光测距传感器20、25、30、35通过螺丝分别固定在四个两自由度云台上16、21、26、31，四台激光监测模块7、8、9、10分别与声光报警器开关控制模块5连接，声光报警器开关控制模块5与声光报警器6连接。
所述的UPS电源1输出220V的交流电给电控单元2，电控单元2输出12V的直流电给四台两自由度云台16、21、26、31、中央控制单元3和声光报警器开关控制模块5，中央控制单元3将12V的直流电供给四台激光测距传感器20、25、30、35和微控制器19、24、29、34。
所述的电控单元2上有三个按钮，电源按钮13，该按钮控制着中央控制单元3电源的通断，当电源开关按下时，中央控制单元3电源接通；复位按钮12，当按下该按钮后，四台激光监测模块7、8、9、10同时上电，并进入复位模式下；运行按钮11，当按下该按钮后，四台激光监测模块7、8、9、10进入正常工作模式下。
所述的激光测距传感器与微控制器通过串行口连接，激光测距传感器把测量得到的距离数据发送给微控制器。
所述的蓝牙模块安装在微控制器上，微控制器通过蓝牙模块与智能终端连接。
所述的智能终端可以是带有蓝牙的智能手机、平板电脑等设备，其通过蓝牙配对可分别与四台姿态可调激光监测模块连接、通讯，显示激光测距传感器测得的数据，并可以通过软件界面控制激光监测模块的运行模式。
所述的激光测距传感器、微控制器、工作指示灯等都安装在激光监测模块壳体内，激光监测模块壳体通过螺栓螺母安装在两自由度的云台上。
使用具体步骤如下：四台姿态可调激光监测模块7、8、9、10分别安装在隧道初期支护的顶部和腰部，根据其安装位置分别称为顶左、顶右、腰左、腰右，距离隧道初期支护墙面5cm，通过激光测距传感器来监测隧道初期支护四个监测点的墙体下沉变形是否超过5cm，当其中有一个监测点的下沉变形超过5cm时，则表明隧道初期支护可能将发生垮塌，并造成“关门”事故。
使用前，首先给系统接通电源，按下电控单元2的复位按钮12，中央控制单元3和可调激光监测模块7、8、9、10开始处于复位模式，分别通过两自由度的云台16、21、26、31调整激光监测模块的姿态，使激光束入射到掌子面即工作面上并距离顶面5cm，获取一个参考值，调整完毕后，按下电控单元2的运行按钮11，系统进入正常工作模式，按照设定运行模式对隧道初期支护面变形进行实施监测，当被监测的初期支护面在四个监测点的下沉变形超过5cm时，系统的声光报警器发出警报，提示作业人员马上撤离。本预警系统在隧道初期支护下沉变形超过一定设置量后，通过声光报警器发出预警信息，提示正在作业的人员马上撤离。本系统操作简单方便、智能化程度高，可实现全天候实时隧道初期支护安全监测预警
实施例2：如图1-5，一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，包括UPS电源1、电控单元2、中央控制单元3、声光报警器开关控制模块5、声光报警器6、智能终端4、四台姿态可调激光监测模块7、8、9、10等。姿态可调激光监测模块7、8、9、10由激光测距传感器20、25、30、35、两自由度云台16、21、26、31、激光监测模块壳体17、22、27、32、微控制器19、24、29、34和蓝牙模块18、23、28、33等组成，电控单元2由开关电源14、电控单元壳体15、电源按钮13、复位按钮12、运行按钮11等组成；UPS电源1和电控单元2连接，电控单元2和中央控制单元3连接，中央控制单元3与四台激光监测模块7、8、9、10连接，激光监测模块7、8、9、10中的激光测距传感器20、25、30、35通过螺丝分别固定在四个两自由度云台上16、21、26、31，四台激光监测模块7、8、9、10分别与声光报警器开关控制模块5连接，声光报警器开关控制模块5与声光报警器6连接。
使用具体步骤如下：四台姿态可调激光监测模块分别安装在隧道初期支护的顶部和腰部，根据其安装位置分别称为顶左、顶右、腰左、腰右，距离隧道初期支护墙面5cm，通过激光测距传感器来监测隧道初期支护四个监测点的墙体下沉变形是否超过5cm，当其中有一个监测点的下沉变形超过5cm时，则表明隧道初期支护可能将发生垮塌，并造成“关门”事故。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其特征在于：预警系统主要包括UPS电源(1)、电控单元(2)、中央控制单元(3)、声光报警器开关控制模块(5)、声光报警器(6)、智能终端(4)、四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)，其中四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)分别由四个激光测距传感器(20、25、30、35)、四个具有两自由度的云台(16、21、26、31)、四个激光监测模块壳体(17、22、27、32)、四个微控制器(19、24、29、34)和四个蓝牙模块(18、23、28、33)组成且各自独立工作，四个可调激光监测模块(7、8、9、10)中的四个激光测距传感器(20、25、30、35)各自通过螺丝分别固定在四个具有两自由度的云台上(16、21、26、31)，四台激光监测模块(7、8、9、10)分别与声光报警器开关控制模块(5)连接，声光报警器开关控制模块(5)与声光报警器(6)连接；电控单元(2)由开关电源(14)、电控单元壳体(15)、电源按钮(13)、复位按钮(12)、运行按钮(11)组成，UPS电源(1)与电控单元(2)连接，电控单元(2)与中央控制单元(3)连接，中央控制单元(3)与四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)连接，各模块与模块之间通过导线连接。
2.根据权利要求1所述的一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其特征在于：所述云台(16、21、26、31)具有两个自由度，且每个云台(16、21、26、31)能通过遥控调整姿态，电控单元上装有3个按钮，分别是电源按钮、复位按钮和运行按钮，电源按钮用于控制整个系统的供电，按下电源按钮，整个系统接通电源，按下复位按钮。
3.根据权利要求1所述的一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其特征在于：每个激光监测模块(7、8、9、10)的姿态都可以调整，以使激光束与被监测初期支护面平行。
4.根据权利要求1所述的一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其特征在于：该系统有两种工作模式：复位模式和正常工作模式。
5.根据权利要求1所述的一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其特征在于：左右两边的激光监测模块(7、8、9、10)两两循环间歇工作，以延长设备的使用寿命，并避免程序产生过大累积误差。
6.根据权利要求1所述的一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统，其特征在于：该系统既可以用按钮控制(11、12)，也可以用智能终端(4)控制。
7.一种全天候隧道初期支护塌陷预警系统的监控、预警使用方法，其特征在于：预警系统四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)分别安装在距离隧道初期支护墙面5cm的顶部和腰部，其中顶部安装两台和腰部安装两台，顶部安装位置分别称为支护墙面的顶左和顶右，腰部安装位置分别称为支护墙面的腰左、腰右，四台姿态可调激光监测模块(7、8、9、10)安装好之后，通过两自由度的云台(16、21、26、31)调整确认其发出的激光束与隧道初期支护墙壁平行，激光束打在掌子面(作业面)上，当隧道初期支护墙体某一部分下沉变形量超过5cm时，打在掌子面(作业面)上的激光束将会被下沉的墙体挡住，激光测距传感器(20、25、30、35)测得的数据就会变小，经过微控制器(19、24、29、34)中程序的判断确认后，则发出预警信号。
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