CN108195346B - 一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，包括以下步骤：(1)进行相对绝对位移的监测；(2)计算得到沉降槽曲线；(3)横截面上选横向测点阵列；(4)纵剖面上布置纵向测点阵列；(5)在各横、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将保护井放入孔洞中，并注入快凝混凝土，将MEMS倾角传感设备放入其中；(6)各MEMS倾角传感设备自动测量倾斜角度，通网络发送到终端；(7)终端自动无线接收测量数据，解译后再发送给隧道云监测服务器；(8)服务器在线完成监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。本发明的监测方法可实现自动化测量，并且测量精度高，安装简单。

Description

一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法

技术领域

本发明涉及地下空间领域，具体是一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方 法。

背景技术

随着我国经济和社会的不断发展，交通基础设施建设规模逐步扩大，隧道数量和里程 逐渐增多。截止2010年，我国已建铁路隧道总长度超过7000km、公路隧道5000km，地铁线路1400km。预计至2020年，我国还将规划建设隧道5000座，总长度9000公里以上。 我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。

隧道施工特别是掘进过程会产生围岩扰动效应，从而引发隧道拱顶沉降和周边收敛， 地表也会发生沉降和变形。在人口密集、建筑设施密布的城市中进行隧道施工时，由于周 边建筑物及地下管线众多，隧道施工过程中产生的地层沉降易导致地表建构筑物倾斜，甚 至开裂倒塌，存在很多风险隐患，事故频发。因此，隧道地表沉降变形监测已成为隧道信息化施工的重要组成部分，是及时了解隧道施工对地表的影响，进而有效控制隧道安全、保护地上建筑物的重要手段。

传统的隧道地表沉降变形监测方法通常采用几何水准测量方法或三角高程测量方法， 使用全站仪、水准仪和水准尺等测量仪器沿隧道开挖方向逐点、逐断面的测量。这种测量 方法存在以下缺点：1)需要技术人员到现场人工测量，不仅现场操作繁复、耗时费力，而且人为因素对量测精度的影响较大；2)城市隧道通常沿主干公路线修建，路面交通繁忙，环境复杂，影响因素众多，测量场地狭窄，并且常常需要夜间实施外业测量，光线微 弱，导致测量的可靠度和灵敏度不高；3)每个断面仅测量有限几个点位，很难准确反映 整个断面的变形状态；4)通常采用文件管理和人工计算方式处理现场监测数据，无法实 现数据库管理、共享和原始数据追溯，导致分析效率低下，数据真实性得不到保证。因此， 传统监测方法已无法满足现代隧道施工及运营对自动化、信息化监控量测技术的需求。

近年来，随着计算机、物联网及无线通讯技术的不断发展，隧道地表沉降监测正在实 现人工测量到自动化监测的跨越。压阻式静力水准仪、自动全站仪及分布式光纤应变监测 等自动化监测设备已被用于隧道地表沉降自动化监测项目中。但上述监测设备存在成本 高、安装困难等缺点，在实际工程中很少应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，以解决上 述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，是利用分布式MEMS倾角传感设 备阵列在线监测地下多层次空间地表沉降的绝对变形，包括以下步骤：

(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输；

(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；

(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区优选横向 测点阵列；

(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点 和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列；

(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将预制保护井放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土，并将其表面调整满足MEMS倾角 传感设备要求的平整度，待强度满足要求时，将MEMS倾角传感设备放入其中；

(6)各MEMS倾角传感设备自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土 体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；

(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数 据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；

(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、预测、报警、可视化展现功能。

作为本发明进一步的方案：在待开挖地下多层次空间横截面内，优选十处地表倾斜角 度变化剧烈位置作为测点，放置MEMS倾角传感设备。

作为本发明再进一步的方案：所述MEMS倾角传感设备基于地下多层次空间横向沉降 槽倾角曲线公式

进行测点布设，式中：L为地下多层次空间之间的中心矩；

具体布设方法如下：1)两只MEMS倾角传感设备布设隧道中心线两侧-L-i和L+i位置处，该处为沉降漏斗的反弯点，具有最大倾斜角度；2)六只MEMS倾角传感设备布设在 L-i、L+0.5i、L+1.5i、-L+i、-L-0.5i、-L-1.5i位置处，此六处测点为沉降漏斗 的陡降段，具有较大倾斜角度；3)两只MEMS倾角传感设备布设在L+5i、-L-5i位置处， 此处位于沉降漏斗变形区域外，作为基准点。

作为本发明再进一步的方案：根据地下多层次空间横截面内十处测点位置处的地表倾 斜角度测量值，采用最小二乘法拟合单孔隧道横向沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此 解算单孔隧道沉降位移；

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为10个测点的横坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可 用修正的Peck公式进行表征，即

作为本发明再进一步的方案：在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期 按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置 纵向测点阵列，然后采用最小二乘法拟合隧道纵剖面沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以 此解算地下多层次空间沉降位移；

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为N个测点的纵坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角 特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用Yoshikoshi公式进行表征，即

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的监测方法可实现自动化测量，并且 测量精度高，安装简单；能够提供最大分辨率的倾角测量；具有拟合效率高、精度高等特点；能够消除测点附近复杂环境干扰，实现最高精度的倾斜角度测量。

附图说明

图1为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中地下多层次空间地表横截面 MEMS倾角传感阵列设备布置。

图2为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中地下多层次空间地表纵截面 MEMS倾角传感阵列设备布置。

图3为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中涡卷弹簧式离层变形测量仪，

实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中预制一体化基座。

图4为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中地下多层次空间横向地表沉降 测试传感器布置图。

图5为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中考虑道路和地基沉降不均匀的 离层监测中心布置。

图6为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中考虑道路和地基沉降不均匀的 离层监三点测布置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～6，本发明实施例中，一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法， 是利用分布式MEMS倾角传感设备阵列在线监测单孔隧道地表沉降变形的方法，包括以下 步骤：

(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输，如图5、图6；

(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；

(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区优选横向 测点阵列，见图1；

(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点 和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列，如图2；

(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处的原状土1处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形孔洞，将预制保护井2放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土3，并在其内部设 置两个相邻的孔，其中一个完全设置在快凝混凝土内的装置安装孔5，另一个为底部与原 状土接触的测量孔6，MEMS倾角传感设备4安装在安装孔5中，而其测量点设置在测量孔 6内的原状土1上，通过MEMS倾角传感设备4和测量点之间在地形改变时的变化状态，得 到当前位置处的倾斜角度。如图3所示。

(6)各MEMS倾角传感设备3自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；

(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数 据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；

(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。

如图4所示，在待开挖地下多层次空间横截面内，优选十处地表倾斜角度变化剧烈位 置作为测点，放置MEMS倾角传感设备。与同等数量、等间距测点布设方法相比，由于本方法便于传感器扑捉更为细微的沉降槽地表倾斜变化，因此能够获得更高分辨率、更高精度的倾角测量效果。

所述MEMS倾角传感设备基于地下多层次空间横向沉降槽倾角曲线公式

进行测点布设，式中：L为地下多层次空间之间的中心矩；

具体布设方法如下：1)两只MEMS倾角传感设备布设隧道中心线两侧-L-i和L+i位置处，该处为沉降漏斗的反弯点，具有最大倾斜角度；2)六只MEMS倾角传感设备布设在 L-i、L+0.5i、L+1.5i、-L+i、-L-0.5i、-L-1.5i位置处，此六处测点为沉降漏斗 的陡降段，具有较大倾斜角度；3)两只MEMS倾角传感设备布设在L+5i、-L-5i位置处， 此处位于沉降漏斗变形区域外，作为基准点。

根据地下多层次空间横截面内十处测点位置处的地表倾斜角度测量值，采用最小二乘 法拟合单孔隧道横向沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算单孔隧道沉降位移；与传 统斜率积分方法相比，本方法解算出的沉降位移曲线更接近于实际沉降情况，具有更高的 解算精度。

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为10个测点的横坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可 用修正的Peck公式进行表征，即

在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，按一定间距均匀布置纵向测点阵列，然 后采用最小二乘法拟合隧道纵剖面沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算地下多层次 空间沉降位移；与传统斜率积分方法相比，本方法解算出的沉降位移曲线更接近于实际沉 降情况，具有更高的解算精度。

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为N个测点的纵坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角 特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用Yoshikoshi公式进行表征，即

即使用倾角传感器进行倾角测量同时，使用振动加速度传感器进行环境振动误差补 偿，使用温度传感器测量进行环境温度补偿。与传统倾角传感器测量方法相比，该传感器 设计方案能够消除测点附近复杂环境干扰，实现最高精度的倾斜角度测量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从 哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含 一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将 说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可 以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，是利用分布式MEMS倾角传感设备阵列在线监测地下多层次空间地表沉降的绝对变形，包括以下步骤：

(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输；

(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；

(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区选择横向测点阵列；

(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，监测区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列；

其中，MEMS倾角传感设备基于地下多层次空间横向沉降槽倾角曲线公式

进行测点布设，式中：L为地下多层次空间之间的中心矩；

具体布设方法如下：1)两只MEMS倾角传感设备布设隧道中心线两侧-L-i和L+i位置处，该处为沉降漏斗的反弯点，具有最大倾斜角度；2)六只MEMS倾角传感设备布设在L-i、L+0.5i、L+1.5i、-L+i、-L-0.5i、-L-1.5i位置处，此六处测点为沉降漏斗的陡降段，具有较大倾斜角度；3)两只MEMS倾角传感设备布设在L+5i、-L-5i位置处，此处位于沉降漏斗变形区域外作为基准点；

(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将预制保护井放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土，并将其表面调整满足MEMS倾角传感设备要求的平整度，待强度满足要求时，将MEMS倾角传感设备放入其中；

(6)各MEMS倾角传感设备自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；

(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；

(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、预测、报警、可视化展现功能。

2.根据权利要求1所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，在待开挖地下多层次空间横截面内，选择十处地表倾斜角度变化剧烈位置作为测点，放置MEMS倾角传感设备。

3.根据权利要求2所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，根据地下多层次空间横截面内十处测点位置处的地表倾斜角度测量值，采用最小二乘法拟合单孔隧道横向沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算单孔隧道沉降位移；

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为10个测点的横坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用修正的Peck公式进行表征，即

4.根据权利要求1所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，监测区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列，然后采用最小二乘法拟合隧道纵剖面沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算地下多层次空间沉降位移；

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为N个测点的纵坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用Yoshikoshi公式进行表征，即

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