CN108225262B - 基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法 - Google Patents

基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降测量装置、系统及方法，装置包括在隧道断面上沿衬砌环向均匀或不均匀设置的两个或两个以上的凹槽滑轮、沿凹槽滑轮布设的至少一根张紧钢丝，以及在张紧钢丝一端设置的亚毫米位移传感器，张紧钢丝的另一端固定于一个凹槽滑轮上；凹槽滑轮通过滑轮支座固定在隧道断面衬砌上。本发明采用低成本的亚毫米位移传感器，将其应用到隧道断面的变形监测中，通过缩小监测传感器的测量量程，从而提高了测量的精度。本发明利用张紧钢丝传递隧道变形量，将隧道变形量转换为张紧钢丝的移动位移，装置结构简单，占用隧道拱顶空间小，不会入侵列车通行限界，不影响通车高度，反应灵敏，测量精度高，不受隧道弯道等环境影响，成本低。

Description

基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法
技术领域
本发明涉及一种隧道断面沉降监测装置，特别是涉及基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降测量装置、系统及方法。
背景技术
随着我国国民经济的不断增长，为方便人们出行，降低路上消耗时间，城市轨道作为一种特殊的交通方式已逐步成为主流出行方式，因此为保证人民大众的生命财产安全，有必要对隧道进行全天候安全监测。
隧道受周边地面建筑施工、地下水位升降和环境温度变化等各种因素的影响，在运营期间可能发生几何形变，如下沉和位移等。现有隧道安全监测系统，大都采用测量机器人自动化监测的方案，这种激光测量的方式在隧道沉降概率较大的区域布设棱镜，采用轮询扫描的方式测量各个断面的变形情况。但是这种方案会受到环境条件的限制：
第一、测量距离受限，光电的测量方式需要满足被监测点与激光发射点之间通视，因此，在隧道出现转弯过程中，或者在隧道仪器阻挡的过程中，激光的测量方式将不适用。
第二，测量机器人的测量精度相对振弦传感器较低，一般徕卡TM30标称测量机器人测量精度在有棱镜下的测量精度为0.6mm，无棱镜下的测量精度为2mm。
第三、项目成本较高，测量机器人是高精密测量仪器，硬件成本较高，一台测量机器人的价格在30万元以上。
还有部分项目采用人工监测，采用每半年或者是每个季度人工监测的方式，该种方式在隧道进入运营期后办理进场作业手续相当困难，采集的数据间隔周期大，容易造成漏测对隧道造成影响的一些异常情况，同时人工监测采用传统全站仪或水准仪监测，其精度相对该方式较低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降测量装置、系统及方法。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降测量装置，包括在隧道断面上沿衬砌环向均匀或不均匀设置的两个或两个以上的凹槽滑轮、沿凹槽滑轮布设的至少一根张紧钢丝，至少一根张紧钢丝通过全部或者部分的凹槽滑轮且所有凹槽滑轮均有至少一根张紧钢丝通过，在张紧钢丝一端设置重锤和亚毫米位移传感器，所述张紧钢丝的另一端固定于一个凹槽滑轮上；
所述凹槽滑轮通过滑轮支座固定在隧道断面衬砌上。
监测传感器采用低成本的亚毫米位移传感器，将其应用到隧道断面的变形监测中，通过缩小监测传感器的测量量程，从而提高了测量的精度。利用张紧钢丝传递隧道变形量，将不易检测的隧道变形量转换为易测量的张紧钢丝的移动位移，降低了测量难度。该装置结构简单，占用隧道拱顶空间小，不会入侵列车通行限界，不影响通车高度和隧道通行，反应灵敏，测量精度高，不受隧道弯道等环境影响，成本低。
在本发明的另一种优选实施方式中，所述张紧钢丝沿凹槽滑轮分段设置，每段张紧钢丝至少跨越两个凹槽滑轮，在每段张紧钢丝的一端设置重锤和亚毫米位移传感器，另一端固定于一个凹槽滑轮上。
实现该断面的多区域变形监测，能检测出断面上每个区域的具体变形量，同时也可根据检测需要，只在某些区域设置隧道端面沉降测量装置，降低成本和人力投入。
在本发明的再一种优选实施方式中，所述亚毫米位移传感器为振弦式位移计、激光位移传感器、拉绳传感器之一。亚毫米位移传感器选用成本低精度高的亚毫米传感器，降低成本，其中振弦式位移计测量精度高，不易受环境影响，价格相对便宜。
在本发明的再一种优选实施方式中，还包括数据采集器，所述数据采集器的信号输入端与振弦式位移计的信号输出端相连。
通过数据采集器将模拟信号转换为数字位移信号，便于传输和处理。
根据本发明的第二个方面，提供了一种隧道断面沉降监测系统，包括设置在隧道断面监测区域的单个或多个断面上的隧道断面沉降测量装置，位于断面监测区域的工控机，以及无线组网装置；
所述无线组网装置包括无线协调器模块，以及设置在各断面处反馈变形量的无线路由模块；所述无线协调器模块输出端与工控机输入端连接，无线协调器模块无线输入端分别与各无线路由模块无线输出端无线连接；所述无线路由模块输入端与该断面的隧道断面沉降测量装置中的数据采集器输出端连接。
能实时监测多个断面沉降变形，通过工控机接收并分析断面变形数据，自动化程度高，无线组网能够减少硬件投入，不影响隧道通行。反应灵敏，测量精度高，不受隧道弯道等环境影响，成本低。
在本发明的再一种优选实施方式中，还包括远程服务器，所述远程服务器与工控机通信连接。
便于相关部门及时获取隧道端面变形信息，以便提前作出应对措施。
根据本发明的第三个方面，提供了一种隧道断面沉降监测方法，包括如下步骤：
S1，在断面监测区域选择监测断面，在每个断面上布设至少一个隧道断面沉降测量装置，使张紧钢丝处于张紧状态；
S2，调整断面拱顶上凹槽滑轮螺旋伸缩机构处于中间位置或者同一根张紧钢丝的中间位置，记录数据采集器输出的张紧钢丝移动位移；
S3，调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构的位置，使其基于中间位置以Δi为步进，记录每上升Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至上升总距离为I1；再以Δi为步进，记录每下降Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至回到中间位置；重复执行上述操作n次，所述n为正整数；
S4，调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构的位置，使其基于中间位置以Δi为步进，记录每下降Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至下降总距离为I2；再以Δi为步进，记录每上升Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至回到中间位置；重复执行上述操作m次，所述m为正整数；
S5，依次或同步在每个断面处或者每个断面的每个区域处执行S2,S3和S4，对n次测量数据和m次测量数据进行滤波和均值处理，对离散数据点进行线性化处理，建立每个断面隧道变形量与张紧钢丝移动位移量的映射关系，并将映射关系存储于工控机中；
S6，对各隧道断面进行沉降监测，工控机接收各断面处的数据采集器输出张紧钢丝移动位移，根据映射关系获得断面变形量；
若断面变形量达到预设的变形报警阈值，发出报警信息；同步上传隧道变形量至远程服务器。
在隧道断面沉降测量装置量程范围内反复多次实验标定测量，能有效消除随机误差对建立映射关系的影响，每个隧道断面或者每个隧道端面各区域上隧道断面沉降测量装置单独测试，分别建立映射关系，消除个体差异性影响，提高测量精度。当隧道断面变形或变形速率异常时，能及时上传并报警。
附图说明
图1是本发明隧道断面沉降测量装置的一具体实施方式的结构示意图；
图2是本发明隧道断面沉降监测系统的一具体实施方式的结构示意图；
图3时本发明一优选实施方式中凹槽滑轮螺旋伸缩机构的结构示意图。
附图标记：
1凹槽滑轮；2张紧钢丝；3亚毫米位移传感器；31伸出杆；32拉力弹簧；33固定杆；4重锤；5数据采集器；6衬砌；100隧道断面沉降测量装置；200无线路由模块；300工控机；400无线协调器模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
图1所示为隧道断面沉降测量装置的一具体实施方式的结构示意图，包括在隧道断面上沿衬砌6环向均匀或不均匀设置的两个或两个以上的凹槽滑轮1、沿凹槽滑轮1布设的至少一根张紧钢丝2，至少一根张紧钢丝2通过全部或者部分的凹槽滑轮1且所有凹槽滑轮均有至少一根张紧钢丝2通过，在张紧钢丝2一端设置的重锤4和亚毫米位移传感器3，张紧钢丝2的另一端固定于一个凹槽滑轮1上；凹槽滑轮1通过滑轮支座固定在隧道断面衬砌6上。
在本实施方式中，凹槽滑轮1可布置在整个隧道断面的环形拱顶上，也可以布置部分圆弧，数量至少为两个；张紧钢丝2为单根钢丝，或者是两根或两根以上钢丝缠绕形成，张紧钢丝2选用经过退火处理的钢丝，其无弹性可随意折弯，不会因为自身弹性形变对隧道端面沉降变形测量带来误差；张紧钢丝2的另一端即起始端也可固定在预先设置好的位于隧道断面衬砌6上的膨胀螺柱上，可焊接固定，或者缠绕加锁紧装置固定。优选的，为减小张紧钢丝2与凹槽的摩擦力，可在凹槽上涂抹润滑油。凹槽滑轮1可为U槽滑轮，也可选用V行槽滑轮。重锤4可选用任何高密度材质制成的任意形状的重量物体，如可为铜吊锤，张紧钢丝2可以通过焊接方式与铜吊锤连接，也可通过在铜吊锤上开设栓孔或设置挂钩实现连接。
在本实施方式中，隧道断面变形的测量原理为：张紧钢丝2在另一端，即起始端固定后，依次穿过所有凹槽滑轮1中的凹槽后，一端即末端设置有亚毫米位移传感器3和重锤4，重锤4悬空设置并通过自身重力使张紧钢丝2处于张紧状态，当隧道发生沉降变形时，张紧钢丝2会产生对应的移动位移，亚毫米位移传感器3对张紧钢丝2的移动位移进行测量，可根据测得的位移量大小确定隧道断面沉降变形量的大小。
将低成本的亚毫米精度位移传感器3(如振弦式位移传感器、激光位移传感器等)应用到隧道断面的变形监测中，通过张紧钢丝2传递隧道变形量，缩小监测传感器的测量量程，从而提高了测量的精度。譬如，隧道断面宽度一般约为5米，变形量在10mm左右需要发出预警；若采用非接触激光测距的监测方式，现有工程技术方案中，长距离量程的激光测距传感器监测精度为1mm，若如本方案的通过钢丝绳将隧道变形量传递到末端后，可采用短距离量程的激光测距传感器实现监测精度为0.07mm的监测精度。
在本发明的一种优选实施方式中，张紧钢丝2沿凹槽滑轮1分段设置，每段张紧钢丝2至少跨越两个凹槽滑轮1，在每段张紧钢丝2的一端设置重锤4和亚毫米位移传感器3，另一端固定于一个凹槽滑轮1上。
在本实施方式中，对于变形敏感断面的张紧钢丝2可至少设置为两段，并设置与张紧钢丝2段数对应数量的亚毫米位移传感器3和重锤4，便于获知断面上各区域的变形情况。
在本发明的一种优选实施方式中，亚毫米位移传感器3为振弦式位移计。
在本实施方式中，振弦式位移计包括可自由伸缩的伸出杆31、固定杆33、以及连接伸出杆31和固定杆33的拉力弹簧32，固定杆33通过螺杆固定在衬砌6上；张紧钢丝2的一端依次穿过所有凹槽滑轮1后与伸出杆31连接。张紧钢丝2在起始端固定后，末端穿过凹槽滑轮1后分为两端，第一端与重锤4连接；第二端与伸出杆31连接，且在伸出杆31拉力作用下张紧钢丝2处于张紧状态，当隧道发生沉降变形时，张紧钢丝2的张紧状态改变，受拉力弹簧作用伸出杆31带动张紧钢丝2第二端产生移动位移，直到张紧钢丝2重新处于张紧状态，伸出杆31的移动位移使振弦式位移计输出频率发生变化，通过输出频率的变化大小可以反推隧道断面沉降变形的大小。利用两个膨胀螺栓穿过固定杆33上的固定孔，将振弦式位移计固定在衬砌6壁上。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括数据采集器5，数据采集器5的信号输入端与亚毫米位移传感器3的信号输出端相连。
在本实施方式中，数据采集器5包括高精度模数转换器，对亚毫米位移传感器3输出模拟信号进行采集和处理，转换为数字信号。
在本实施方式中，在重锤4与最后一个凹槽滑轮1之间设置有联动标靶，感应隧道变形时张紧钢丝2产生移动位移。
在本发明的一种优选实施方式中，亚毫米位移传感器3为拉绳传感器。
在本实施方式中，可将拉绳传感器设置在重锤4上，将张紧钢丝2末端与拉绳传感器的传感绳索连接。
图2所示为本发明中隧道断面沉降监测系统的一具体实施方式的结构示意图，监测系统包括设置在隧道断面监测区域的单个或多个断面上的隧道断面沉降测量装置100，位于断面监测区域的工控机300，以及无线组网装置；
无线组网装置包括无线协调器模块400，以及设置在断面处反馈变形量信息的无线路由模块200；无线协调器模块400输出端与工控机300输入端连接，无线协调器模块400无线输入端分别与各无线路由模块200无线输出端无线连接；无线路由模块200输入端与该断面的隧道断面沉降测量装置100中的数据采集器5输出端连接。
在本实施方式中，无线组网装置的组网方式可采用WIFI组网方式，无线协调器模块400为WIFI接收单元，与工控机300通过串口或者SDIO接口连接。无线路由模块200为WIFI发送单元，数据采集器5中包含处理器，无线路由模块200与处理器串口连接进行数据传输。工控机300可布设于断面监测区域的中心位置。无线协调器模块400设置在工控机300附近，无线路由模块200设置在每个断面处。
在本发明的一种优选实施方式中，还包括远程服务器，远程服务器与工控机300通信连接。
在本实施方式中，远程服务器与工控机300可选用有线或无线通信连接，无线通信连接可选用GSM模式，在工控机300中设置GSM通信模块进行通信。远程服务器可为云端服务器，其上存储有隧道所有端面的变形数据，相关部门通过客户端访问这些数据。
在本发明的一种隧道断面沉降监测方法的一种优选实施方式中，该测量方法包括如下步骤：
S1，在断面监测区域选择监测断面，在每个断面上布设至少一个隧道断面沉降测量装置，使张紧钢丝处于张紧状态；
断面可均匀分布或不均匀分布在隧道监测区域内，依据监测需求而定，张紧钢丝穿过最后一个凹槽滑轮后与悬空的重锤连接，使张紧钢丝处于张紧状态。S2，调整断面拱顶上凹槽滑轮螺旋伸缩机构处于中间位置或者同一根张紧钢丝的中间位置，记录数据采集器输出的张紧钢丝移动位移；通过调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构，可改变凹槽距离隧道拱顶面的距离，中间位置可选择为凹槽滑轮螺旋伸缩机构的行程中心点。在一种优选实施方式中，凹槽滑轮螺旋伸缩机构的结构示意图如图3所示，其一端固定在拱顶，另一端设置有螺纹的螺柱，以及带有标尺且套设于螺柱螺纹端的千分尺套筒，千分尺套筒的一端开设螺纹孔与螺柱螺纹连接，另一端固定凹槽滑轮，顺时针旋转千分尺套筒，凹槽滑轮上升，逆时针旋转千分尺套筒，凹槽滑轮下降。
S3，调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构的位置，使其基于中间位置以Δi为步进，记录每上升Δi距离时数据采集器输出张紧钢丝移动位移，直至上升总距离为I1；再以Δi为步进，记录每下降Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至回到中间位置；重复执行上述操作n次，n为正整数；
I1优选为隧道断面沉降测量装置的变形测量量程的80％，为8mm，优选的，Δi小于隧道断面沉降测量装置的精度，优选的n为10次。
S4，调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构的位置，使其基于中间位置以Δi为步进，记录每下降Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至下降总距离为I2；再以Δi为步进，记录每上升Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至回到中间位置；重复执行上述操作m次，m为正整数；
I2优选为隧道断面沉降测量装置的变形测量量程的80％，为8mm，优选的，Δi小于隧道断面沉降测量装置的精度，优选的m为10次。
S5，依次或同步在每个断面处或者每个断面的每个区域处执行S2,S3和S4，对n次测量数据和m次测量数据进行滤波和均值处理，对离散数据点进行线性化处理，建立每个断面隧道变形量与张紧钢丝移动位移量的映射关系，并将映射关系存储于工控机中；
利用凹槽滑轮的上升或下降来模拟隧道断面的变形，凹槽滑轮每个位置点对应隧道断面的一个变形，先剔除位移数据中的粗大误差，进行平滑滤波处理，再对剩余位移数据求取平均值作为该位置点对应变形产生的张紧钢丝的移动位移。所有位置点获取张紧钢丝的移动位移后，以位置点为x轴，张紧钢丝的移动位移为y轴，分段进行线性归一化处理，可采用三次样条插值法进行拟合，获得该断面隧道变形量与张紧钢丝移动位移量的映射关系。
S6，对各隧道断面进行沉降监测，工控机接收各断面处的数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，根据映射关系获得断面变形量；
若断面变形量达到预设的变形报警阈值，发出报警信息；同步上传隧道变形量至远程服务器。
报警信息可通过工控机上传异常事件至远程服务器，或者工控机的GSM模块直接发送通知短信至相关人员手机，同时还可以在隧道进出口增加可无限通信的声光报警设备，通过声光警示车辆和行人隧道危险，需改道。可全天监测，也可设定每日每个断面轮流周期监测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在断面监测区域选择监测断面，在每个断面上布设至少一个隧道断面沉降测量装置，使张紧钢丝处于张紧状态；
S2，调整断面拱顶上凹槽滑轮螺旋伸缩机构处于中间位置或者同一根张紧钢丝的中间位置，记录数据采集器输出的张紧钢丝移动位移；
S3，调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构的位置，使其基于中间位置以Δi为步进，记录每上升Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至上升总距离为I1；再以Δi为步进，记录每下降Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至回到中间位置；重复执行上述操作n次，所述n为正整数；
S4，调整凹槽滑轮螺旋伸缩机构的位置，使其基于中间位置以Δi为步进，记录每下降Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至下降总距离为I2；再以Δi为步进，记录每上升Δi距离时数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，直至回到中间位置；重复执行上述操作m次，所述m为正整数；
S5，依次或同步在每个断面处或者每个断面的每个区域处执行S2,S3和S4，对n次测量数据和m次测量数据进行滤波和均值处理，对离散数据点进行线性化处理，建立每个断面隧道变形量与张紧钢丝移动位移量的映射关系，并将映射关系存储于工控机中；
S6，对各隧道断面进行沉降监测，工控机接收各断面处的数据采集器输出的张紧钢丝移动位移，根据映射关系获得断面变形量；
若断面变形量达到预设的变形报警阈值，发出报警信息；同步上传隧道变形量至远程服务器。
2.如权利要求1所述的一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法，其特征在于，所述S1中，隧道断面沉降测量装置包括在隧道断面上沿衬砌(6)环向均匀或不均匀设置的两个或两个以上的凹槽滑轮(1)、沿凹槽滑轮(1)布设的至少一根张紧钢丝(2)，至少一根张紧钢丝(2)通过全部或者部分的凹槽滑轮(1)且所有凹槽滑轮均有至少一根张紧钢丝(2)通过，在张紧钢丝(2)一端设置的重锤(4)和亚毫米位移传感器(3)，所述张紧钢丝(2)的另一端固定于一个凹槽滑轮(1)上；
所述凹槽滑轮(1)通过滑轮支座固定在隧道断面衬砌(6)上。
3.如权利要求2所述的一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法，其特征在于，所述张紧钢丝(2)沿凹槽滑轮(1)分段设置，每段张紧钢丝(2)至少跨越两个凹槽滑轮(1)，在每段张紧钢丝(2)的一端设置重锤(4)和亚毫米位移传感器(3)，另一端固定于一个凹槽滑轮(1)上。
4.如权利要求2或3所述的一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法，其特征在于，所述亚毫米位移传感器(3)为振弦式位移计、激光位移传感器、拉绳传感器之一。
5.如权利要求2或3所述的一种基于亚毫米位移传感器的隧道断面沉降监测的方法，其特征在于，还包括数据采集器(5)，所述数据采集器(5)的信号输入端与亚毫米位移传感器(3)的信号输出端相连。
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