CN108050952A - 一种隧道断面变形监测系统及监测方法 - Google Patents

一种隧道断面变形监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道断面变形监测系统，包括主控制器和设置在隧道内的多个子监测装置，主控制器通信连接有主机，多个所述子监测装置沿隧道的长度方向布设，所述子监测装置包括与主控制器通信连接的子控制器、第一激光测距传感器、第二激光测距传感器和存储器。本发明还公开了一种隧道断面变形监测方法。本发明通过子控制器计算隧道拱顶的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值，并将子控制器计算的得到的隧道拱顶的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值对应转化为隧道沉降语言评判值、隧道拱顶收敛语言评判值和隧道侧壁收敛语言评判值，能为施工提供预警，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，对其存在的安全隐患提前进行排查。

Description

一种隧道断面变形监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于隧道监测技术领域，具体涉及一种隧道断面变形监测系统及监 测方法。
背景技术
我国从上世纪八十年代开始对隧道的安全监测进行分析和研究。1988年初， 西南交通大学和广州公路局共同研究并制定了《公路运营隧道衬砌安全等级评 定暂行规定》，作为隧道安全监测的指导规范。在工程监测方面，近年来主要还 是采取人工检测的方法。监测人员定期通过检测仪器例如全站仪、水准仪、收 敛尺等对隧道关键点位进行测量，将所得数据上报隧道管理部门，隧道管理部 门组织专家对数据进行定期分析，得到隧道的损伤信息
在隧道安全监测中，变形监测是一个非常关键的监测因素。目前国内测量 隧道拱顶沉降主要通过全站仪、水准仪和三维激光扫描仪等仪器，需要人工进 行多次测量，无法实现自动化测量。国内外目前在进行相关危险隧道监测没有 一个完成的解决方案，对于相关隧道在进行监测需要长时间理论分析以及现场 工程勘探，效率低、花费大量人力物力，并且没有检测数据来验证理论分析是 否准确，以此隧道危害不能及时处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种隧 道断面变形监测系统和监测方法，其结构简单、设计合理，通过子控制器计算 隧道拱顶的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值，并将子控制器计 算的得到的隧道拱顶的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值对应转 化为隧道沉降语言评判值、隧道拱顶收敛语言评判值和隧道侧壁收敛语言评判 值，能为施工提供预警，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，对其存在的 安全隐患提前进行排查，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使 用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种隧道断面变形监测 系统，其特征在于：包括主控制器和设置在隧道内的多个子监测装置，所述主 控制器通信连接有主机，多个所述子监测装置沿隧道的长度方向布设，所述子 监测装置包括与主控制器通信连接的子控制器、以及与子控制器相接的第一激 光测距传感器、第二激光测距传感器和用于存储隧道沉降变化区间、隧道拱顶 收敛变化区间和隧道侧壁收敛变化区间的存储器，所述第一激光测距传感器和 第二激光测距传感器均安装在隧道拱腰同一侧的监测点位置处，所述第一激光 测距传感器的激光束朝向隧道拱顶，所述第二激光测距传感器的激光束朝向隧 道拱腰的另一侧。
上述的一种隧道断面变形监测系统，其特征在于：所述子控制器接有显示 器和声光报警模块。
上述的一种隧道断面变形监测系统，其特征在于：所述第二激光测距传感 器的个数为多个，多个所述第二激光测距传感器的激光束朝向不同。
一种隧道断面变形监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取激光测距仪的激光飞行时间：第一激光测距传感器检测得到 第一激光飞行时间，并将检测得到的第一激光飞行时间存储在存储器的第一检 测时间集T1中,T1＝[t11，t12,...，t1i,t1-i+1,...t1-j,]，其中t1i表示所述第一激光 测距传感器第i次检测得到的第一激光飞行时间，所述第二激光测距传感器检 测得到第二激光飞行时间，并将检测得到的第二激光飞行时间存储在存储器的 第二检测时间集T2中,T2＝[t21，t22,...，t2i,t2-i+1,...t2j,]，其中t2i表示所述第 二激光测距传感器第i次检测得到的第二激光飞行时间，j为不小于3的正整数， i＝1,2,...j-1；
步骤二、隧道沉降值计算：子控制器根据公式计算隧道沉降 值Δhi-(i+1)，其中h表示隧道拱顶与激光发射模块(5-1)之间的垂直距离，s1i表示 根据第一激光测距传感器第i次检测结果得到的隧道拱顶与隧道拱腰一侧的监 测点之间的距离，s1-i+1表示根据第一激光测距传感器第i+1次检测结果得到的隧 道拱顶与隧道拱腰一侧的监测点之间的距离，C表示光速；
步骤三、隧道收敛值计算：子控制器根据公式计算 隧道拱顶收敛值和隧道侧壁收敛值其中θ1表示第一激光测距传感器 的激光束与水平面之间的夹角，θ2表示第二激光测距传感器的激光束与水平面之 间的夹角；
步骤四、建立隧道变形指标监测集：在子控制器内建立隧道变形指标监测 集，隧道变形指标监测集由隧道沉降监测集U1、隧道拱顶收敛监测集U2和隧道侧 壁收敛监测集U3组成，具体建立过程为：
步骤401、建立隧道沉降监测集：定义v个隧道沉降语言评判值，将隧道沉 降变化区间[Δhmin，Δhmax]划分为v个区间，将v个隧道沉降语言评判值映射到 v个区间上，得到隧道沉降监测集U1，其中Δhmin表示最小隧道沉降值，Δhmax表 示最大隧道沉降值；
步骤402、建立隧道拱顶收敛监测集：定义w个隧道收敛语言评判值，将隧 道拱顶收敛变化区间[Δd1min，Δd1max]划分为w个区间，将w个隧道收敛语言评 判值映射到w个区间上，得到隧道拱顶收敛监测集U2，其中Δd1min表示最小隧道 拱顶收敛值，Δd1max表示最大隧道拱顶收敛值；
步骤403、建立隧道侧壁收敛监测集：定义z个隧道收敛语言评判值，将隧 道侧壁收敛变化区间[Δd2min，Δd2max]划分为z个区间，将z个隧道收敛语言评 判值映射到z个区间上，得到隧道收敛监测集U3，其中Δd2min表示最小隧道侧壁 收敛值，Δd2max表示最大隧道侧壁收敛值；
步骤五、监测结果输出：
步骤501、隧道沉降监测结果输出：子控制器根据步骤二计算得到的隧道沉 降值Δhi-(i+1)在隧道沉降监测集U1的区间位置，得到隧道沉降监测结果，并将隧道 沉降监测结果发送给主控制器；
步骤502、隧道拱顶收敛监测结果输出：子控制器根据步骤三计算得到的隧 道拱顶收敛值在隧道拱顶收敛监测集U2的区间位置，得到隧道拱顶收敛监 测结果，并将隧道拱顶收敛监测结果发送给主控制器；
步骤503、隧道侧壁收敛监测结果输出：子控制器根据步骤三计算得到的隧 道侧壁收敛值在隧道侧壁收敛监测集U3的区间位置，得到隧道侧壁收敛监 测结果，并将隧道侧壁收敛监测结果发送给主控制器。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单，设计合理，实现及使用操作方便。
2、本发明设置有第一激光测距传感器和第二激光测距传感器，第一激光测 距传感器用于监测隧道拱顶的位移，第二激光测距传感器用于监测隧道侧壁的 位移，子控制器用于计算隧道拱顶的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的 收敛值，能为施工提供预警，将隧道的运营风险降到最低，克服了传统人工监 测费时、费力、实时性差、易受恶劣天气影响等不足，能够更好地为隧道安全 施工和运营提供必要保障，加快智能交通的发展步伐。
3、本发明建立了隧道变形指标监测集，将子控制器计算的得到的隧道拱顶 的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值对应转化为隧道沉降语言评 判值、隧道拱顶收敛语言评判值和隧道侧壁收敛语言评判值，便于工作人员实 时了解隧道的安全状况，对其存在的安全隐患提前进行排查。
综上所述，本发明结构简单、设计合理，通过子控制器计算隧道拱顶的沉 降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值，并将子控制器计算的得到的隧 道拱顶的沉降值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值对应转化为隧道沉降 语言评判值、隧道拱顶收敛语言评判值和隧道侧壁收敛语言评判值，能为施工 提供预警，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，对其存在的安全隐患提前 进行排查，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明隧道断面变形监测系统的电路原理框图。
图2为本发明的方法流程图。
附图标记说明:
1—主控制器； 2—主机； 3—子监测装置；
4—子控制器； 5—第一激光测距传感器；
6—第二激光测距传感器； 7—显示器；
8—存储器； 9—声光报警模块。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明包括主控制器1和设置在隧道内的多个子监 测装置3，所述主控制器1通信连接有主机2，多个所述子监测装置3沿隧道 的长度方向布设，所述子监测装置3包括与主控制器1通信连接的子控制器 4、以及与子控制器4相接的第一激光测距传感器5、第二激光测距传感器6 和用于存储隧道沉降变化区间、隧道拱顶收敛变化区间和隧道侧壁收敛变化 区间的存储器8，所述第一激光测距传感器5和第二激光测距传感器6均安 装在隧道拱腰同一侧的监测点位置处，所述第一激光测距传感器5的激光 束朝向隧道拱顶，所述第二激光测距传感器6的激光束朝向隧道拱腰的另一 侧。
实际使用时，第一激光测距传感器5用于监测隧道拱顶的位移，第二激光 测距传感器6用于监测隧道侧壁的位移，子控制器4用于计算隧道拱顶的沉降 值、隧道拱顶的收敛值和隧道拱腰的收敛值，并将隧道拱顶的沉降值与存储器8 内的隧道沉降变化区间进行比较，将隧道拱顶的收敛值与存储器8内的隧道拱 顶收敛变化区间进行比较，将隧道侧壁的收敛值与存储器8内的隧隧道侧壁收 敛变化区间进行比较，能为施工提供预警，将隧道的运营风险降到最低，克服 了传统人工监测费时、费力、实时性差、易受恶劣天气影响等不足，能够更好 地为隧道安全施工和运营提供必要保障，加快智能交通的发展步伐。
需要说明的是，采用第一激光测距传感器5和第二激光测距传感器6进行 非接触测量方式，且第一激光测距传感器5和第二激光测距传感器6均采用附 壁安装，设置在隧道拱腰位置处，不影响现场施工和运营工作的正常开展。
如图1所示，本实施例中，所述子控制器4接有显示器7和声光报警模块9。
实际使用时，显示器7用于显示第一激光测距传感器5的检测值和第二激 光测距传感器6的检测值。当隧道拱顶的沉降值位于存储器8内的隧道沉降变 化区间的危险区间、隧道拱顶的收敛值位于存储器8内的隧道拱顶收敛变化区 间的危险区间或隧道侧壁的收敛值位于存储器8内的隧隧道侧壁收敛变化区间 的危险区间时，子控制器4同时发送控制信号给主控制器1和声光报警模块9， 声光报警模块9报警，主控制器1将报警信息传输给主机2，通知相关工作人员 及时赶到或撤离现场，以最大化的减少现场损失。
本实施例中，所述第二激光测距传感器6的个数为多个，多个所述第二激 光测距传感器6的激光束朝向不同。
实际使用时，多个第二激光测距传感器6的激光束分别射向隧道拱腰的不 同位置处，可用于检测隧道拱腰的不同位置处的位移变化，为隧道断面监测提 供数据支持。
如图2所示，一种隧道断面变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取激光测距仪的激光飞行时间：第一激光测距传感器5检测得 到第一激光飞行时间，并将检测得到的第一激光飞行时间存储在存储器7的第 一检测时间集T1中,T1＝[t11，t12,...，t1i,t1-i+1,...t1-j,]，其中t1i表示所述第一 激光测距传感器5第i次检测得到的第一激光飞行时间，所述第二激光测距传 感器6检测得到第二激光飞行时间，并将检测得到的第二激光飞行时间存储在 存储器7的第二检测时间集T2中,T2＝[t21，t22,...，t2i,t2-i+1,...t2j,]，其中t2i表示所述第二激光测距传感器6第i次检测得到的第二激光飞行时间，j为不小 于3的正整数，i＝1,2,...j-1；
步骤二、隧道沉降值计算：子控制器4根据公式计算隧道沉 降值Δhi-(i+1)，其中h表示隧道拱顶与激光发射模块5-1之间的垂直距离，s1i表示 根据第一激光测距传感器5第i次检测结果得到的隧道拱顶与隧道拱腰一侧的 监测点之间的距离，s1-i+1表示根据第一激光测距传感器5第i+1次检测结果得到 的隧道拱顶与隧道拱腰一侧的监测点之间的距离，C表示光速；
步骤三、隧道收敛值计算：子控制器4根据公式计 算隧道拱顶收敛值和隧道侧壁收敛值其中θ1表示第一激光测距传感 器5的激光束与水平面之间的夹角，θ2表示第二激光测距传感器6的激光束与水 平面之间的夹角；
步骤四、建立隧道变形指标监测集：在子控制器4内建立隧道变形指标监 测集，隧道变形指标监测集由隧道沉降监测集U1、隧道拱顶收敛监测集U2和隧道 侧壁收敛监测集U3组成，具体建立过程为：
步骤401、建立隧道沉降监测集：定义v个隧道沉降语言评判值，将隧道沉 降变化区间[Δhmin，Δhmax]划分为v个区间，将v个隧道沉降语言评判值映射到 v个区间上，得到隧道沉降监测集U1，其中Δhmin表示最小隧道沉降值，Δhmax表 示最大隧道沉降值；
步骤402、建立隧道拱顶收敛监测集：定义w个隧道拱顶收敛语言评判值， 将隧道拱顶收敛变化区间[Δd1min，Δd1max]划分为w个区间，将w个隧道收敛语 言评判值映射到w个区间上，得到隧道拱顶收敛监测集U2，其中Δd1min表示最小 隧道拱顶收敛值，Δd1max表示最大隧道拱顶收敛值；
步骤403、建立隧道侧壁收敛监测集：定义z个隧道侧壁收敛语言评判值， 将隧道侧壁收敛变化区间[Δd2min，Δd2max]划分为z个区间，将z个隧道收敛语 言评判值映射到z个区间上，得到隧道收敛监测集U3，其中Δd2min表示最小隧道 侧壁收敛值，Δd2max表示最大隧道侧壁收敛值；
步骤五、监测结果输出：
步骤501、隧道沉降监测结果输出：子控制器4根据步骤二计算得到的隧道 沉降值Δhi-(i+1)在隧道沉降监测集U1的区间位置，得到隧道沉降监测结果，并将隧 道沉降监测结果发送给主控制器1；
步骤502、隧道拱顶收敛监测结果输出：子控制器4根据步骤三计算得到的 隧道拱顶收敛值在隧道拱顶收敛监测集U2的区间位置，得到隧道拱顶收敛 监测结果，并将隧道拱顶收敛监测结果发送给主控制器1；
步骤503、隧道侧壁收敛监测结果输出：子控制器4根据步骤三计算得到的 隧道侧壁收敛值在隧道侧壁收敛监测集U3的区间位置，得到隧道侧壁收敛 监测结果，并将隧道侧壁收敛监测结果发送给主控制器1。
实际使用时，子控制器4对测量值和理论设定值进行对比，得到隧道的实 际状态变化，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，对其存在的安全隐患提 前进行排查。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本 发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均 仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种隧道断面变形监测系统，其特征在于：包括主控制器(1)和设置在隧道内的多个子监测装置(3)，所述主控制器(1)通信连接有主机(2)，多个所述子监测装置(3)沿隧道的长度方向布设，所述子监测装置(3)包括与主控制器(1)通信连接的子控制器(4)、以及与子控制器(4)相接的第一激光测距传感器(5)、第二激光测距传感器(6)和用于存储隧道沉降变化区间、隧道拱顶收敛变化区间和隧道侧壁收敛变化区间的存储器(8)，
所述第一激光测距传感器(5)和第二激光测距传感器(6)均安装在隧道拱腰同一侧的监测点位置处，所述第一激光测距传感器(5)的激光束朝向隧道拱顶，所述第二激光测距传感器(6)的激光束朝向隧道拱腰的另一侧。
2.按照权利要求1所述的一种隧道断面变形监测系统，其特征在于：所述子控制器(4)接有显示器(7)和声光报警模块(9)。
3.按照权利要求1所述的一种隧道断面变形监测系统，其特征在于：所述第二激光测距传感器(6)的个数为多个，多个所述第二激光测距传感器(6)的激光束朝向不同。
4.一种利用权利要求1的隧道断面变形监测系统进行隧道断面变形监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取激光测距仪的激光飞行时间：第一激光测距传感器(5)检测得到第一激光飞行时间，并将检测得到的第一激光飞行时间存储在存储器(7)的第一检测时间集T1中,T1＝[t11，t12,...，t1i,t1-i+1,...t1-j,]，其中t1i表示所述第一激光测距传感器(5)第i次检测得到的第一激光飞行时间，所述第二激光测距传感器(6)检测得到第二激光飞行时间，并将检测得到的第二激光飞行时间存储在存储器(7)的第二检测时间集T2中,T2＝[t21，t22,...，t2i,t2-i+1,...t2j,]，其中t2i表示所述第二激光测距传感器(6)第i次检测得到的第二激光飞行时间，j为不小于3的正整数，i＝1,2,...j-1；
步骤二、隧道沉降值计算：子控制器(4)根据公式计算隧道沉降值Δhi-(i+1)，其中h表示隧道拱顶与激光发射模块(5-1)之间的垂直距离，s1i表示根据第一激光测距传感器(5)第i次检测结果得到的隧道拱顶与隧道拱腰一侧的监测点之间的距离，s1-i+1表示根据第一激光测距传感器(5)第i+1次检测结果得到的隧道拱顶与隧道拱腰一侧的监测点之间的距离，C表示光速；
步骤三、隧道收敛值计算：子控制器(4)根据公式计算隧道拱顶收敛值和隧道侧壁收敛值其中θ1表示第一激光测距传感器(5)的激光束与水平面之间的夹角，θ2表示第二激光测距传感器(6)的激光束与水平面之间的夹角；
步骤四、建立隧道变形指标监测集：在子控制器(4)内建立隧道变形指标监测集，隧道变形指标监测集由隧道沉降监测集U1、隧道拱顶收敛监测集U2和隧道侧壁收敛监测集U3组成，具体建立过程为：
步骤401、建立隧道沉降监测集：定义v个隧道沉降语言评判值，将隧道沉降变化区间[Δhmin，Δhmax]划分为v个区间，将v个隧道沉降语言评判值映射到v个区间上，得到隧道沉降监测集U1，其中Δhmin表示最小隧道沉降值，Δhmax表示最大隧道沉降值；
步骤402、建立隧道拱顶收敛监测集：定义w个隧道拱顶收敛语言评判值，将隧道拱顶收敛变化区间[Δd1min，Δd1max]划分为w个区间，将w个隧道收敛语言评判值映射到w个区间上，得到隧道拱顶收敛监测集U2，其中Δd1min表示最小隧道拱顶收敛值，Δd1max表示最大隧道拱顶收敛值；
步骤403、建立隧道侧壁收敛监测集：定义z个隧道侧壁收敛语言评判值，将隧道侧壁收敛变化区间[Δd2min，Δd2max]划分为z个区间，将z个隧道收敛语言评判值映射到z个区间上，得到隧道收敛监测集U3，其中Δd2min表示最小隧道侧壁收敛值，Δd2max表示最大隧道侧壁收敛值；
步骤五、监测结果输出：
步骤501、隧道沉降监测结果输出：子控制器(4)根据步骤二计算得到的隧道沉降值Δhi-(i+1)在隧道沉降监测集U1的区间位置，得到隧道沉降监测结果，并将隧道沉降监测结果发送给主控制器(1)；
步骤502、隧道拱顶收敛监测结果输出：子控制器(4)根据步骤三计算得到的隧道拱顶收敛值在隧道拱顶收敛监测集U2的区间位置，得到隧道拱顶收敛监测结果，并将隧道拱顶收敛监测结果发送给主控制器(1)；
步骤503、隧道侧壁收敛监测结果输出：子控制器(4)根据步骤三计算得到的隧道侧壁收敛值在隧道侧壁收敛监测集U3的区间位置，得到隧道侧壁收敛监测结果，并将隧道侧壁收敛监测结果发送给主控制器(1)。
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