CN108489449B - 一种用于连续监测隧道收敛的测量系统及方法 - Google Patents

一种用于连续监测隧道收敛的测量系统及方法 Download PDF

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CN108489449B CN201810106225.3A CN201810106225A CN108489449B CN 108489449 B CN108489449 B CN 108489449B CN 201810106225 A CN201810106225 A CN 201810106225A CN 108489449 B CN108489449 B CN 108489449B
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Abstract

本发明提出了一种用于连续监测隧道收敛的测量系统及方法，用以解决现有隧道监测手段操作复杂，效率不高，难以保证监测质量和确保施工安全的问题。测量系统包括滑轮、导线、数据采集模块、数据采集站和存储模块，滑轮固定在隧道的监测点上，监测点组成开放多边形，导线的一端固定在开放多边形的一端，导线依次设在各个监测点的滑轮上，导线的末端固定有将导线保持拉近状态的配重块；设置在监测点上的数据采集模块用于检测开放多边形的各段边长距离和角度，数据采集模块与数据采集站相连接，数据采集站与存储模块相连接，存储模块与上位机相连接；根据测量系统可以实现确定隧道收敛的测量方法。

Description

一种用于连续监测隧道收敛的测量系统及方法
技术领域
本发明涉及隧道监测的技术领域，尤其涉及一种用于连续监测隧道收敛的测量系统及方法。
背景技术
随着我国基础设施建设的快速发展，隧道建设数量和规模在不断扩大。隧道属于地下隐蔽工程，地下地质条件复杂，其存在许多潜在、无法预知的地质因素。有的隧道规模较大，可长达几公里数十公里，往往穿越许多不同的环境空域和时域，稍有不慎，就会造成塌方、沉陷、突泥涌水、支护结构变形、人员伤害等，进而影响隧道安全。为了确保隧道工程安全、及时预报险情，监控量测已成为隧道施工中保证施工质量、施工安全的重要技术措施。但目前隧道安全监测技术手段、标准建设等方面仍处于探索阶段，使用的监测手段操作复杂，效率不高，且难以保证监测质量和确保施工安全。
发明内容
针对现有隧道监测手段操作复杂，效率不高，难以保证监测质量和确保施工安全的技术问题，本发明提出一种用于连续监测隧道收敛的测量系统及方法，实现隧道连续性全覆盖的实时监测，操作简单快捷，适用于不同隧道截面，且工作过程中不影响其有效横截面，不会阻碍隧道周边工程的正常施工。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于连续监测隧道收敛的测量系统，包括滑轮、导线、数据采集模块、数据采集站和存储模块，所述滑轮固定在隧道的监测点上，监测点组成开放多边形，导线的一端固定在开放多边形的一端，导线依次设在各个监测点的滑轮上，导线的末端固定有将导线保持拉近状态的配重块；设置在监测点上的数据采集模块用于检测开放多边形的各段边长距离和角度，数据采集模块与数据采集站相连接，数据采集站与存储模块相连接，存储模块与上位机相连接。
所述数据采集模块包括箱体、第一编码器、第二编码器、第三编码器和PIC微处理器，箱体通过膨胀螺栓固定在隧道上，箱体下部的两侧设有导线出口和导线进口；所述第一编码器、第二编码器和第三编码器均与PIC微处理器相连接，PIC微处理器与数据采集站相连接；第一编码器、第二编码器、第三编码器和PIC微处理器均固定在箱体内，第一编码器和第二编码器位于滑轮的两侧、用于测量每个滑轮旋转的角度及每个相邻监测点之间导线相对于垂直线形成的角度，第三编码器位于滑轮的上部、用于测量每个相邻监测点之间导线的位移。
所述导线出口和导线进口为长条形开口；所述监测点设置在弓形的隧道的横截面上；监测点的个数根据隧道横截面的大小来确定。
所述PIC微处理器与电子电路相连接，电子电路和PIC微处理器相配合监视第一编码器、第二编码器和第三编码器的上升沿和下降沿。
所述存储模块通过RS485网络端口与上位机相连接，存储模块通过RS485网络端口与数据采集站相连接。
所述监测点的数量设有5个、包括监测点P1、P2、P3、P4和P5，配重块的质量为4kg。
确定隧道收敛的测量方法为：
步骤一：对所有监测点Pi点的初始位置进行初步调查：确定在瞬时t＝0相邻监测点之间各段导线的初始长度
Figure BDA0001567837020000021
并以监测点P1为参考点，确定其余各监测点的位置长度
Figure BDA0001567837020000022
步骤二：确定每个监测点Pi的笛卡尔坐标：
Figure BDA0001567837020000023
Figure BDA0001567837020000024
其中，
Figure BDA0001567837020000025
为监测点Pi在t时刻x方向的坐标，
Figure BDA0001567837020000026
为监测点Pi-1在t时刻x方向的坐标，
Figure BDA0001567837020000027
为监测点Pi-1在t时刻的角度，
Figure BDA0001567837020000028
监测点Pi在t时刻y方向的坐标，
Figure BDA0001567837020000029
为监测点Pi-1在t时刻y方向的坐标；
步骤三：由计算得到的监测点Pi在t时刻的坐标，与初始时间监测点Pi的坐标进行对比，从而得到在监测点Pi的相对位移，来确定隧道是否发生变形。
所述确定其余各监测点的位置长度
Figure BDA00015678370200000210
的方法为：
由第一监测点P1知：
Figure BDA00015678370200000211
其中，
Figure BDA00015678370200000212
为监测点P1在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000213
的角度，
Figure BDA00015678370200000214
监测点P1在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000215
的角度；
其余各监测点Pi的角度为：
Figure BDA00015678370200000216
其中，
Figure BDA00015678370200000217
为监测点Pi在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000218
的角度，
Figure BDA00015678370200000219
为监测点Pi在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000220
的角度；
记录相邻时刻之间各角度产生的变化：
Figure BDA00015678370200000221
其中，
Figure BDA00015678370200000222
为监测点Pi在t-1时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000223
的角度，
Figure BDA00015678370200000224
为监测点Pi在t时刻和t-1时刻相对于位置长度Li-1的角度增量，
Figure BDA0001567837020000031
为监测点Pi在t时刻和t-1时刻相对于位置长度Li的角度增量；
角度增量
Figure BDA0001567837020000032
和
Figure BDA0001567837020000033
的值与相应编码器的计数成正比：
Figure BDA0001567837020000034
Figure BDA0001567837020000035
Figure BDA0001567837020000036
其中，f为开放几何体的形状系数，Δα为用导线测量的监测点角度增量，Δα*为监测点围成的开放多边形变形增加的几何相关因数，且：
Figure BDA0001567837020000037
计数
Figure BDA0001567837020000038
和计数
Figure BDA0001567837020000039
的初始值分别在第一编码器和第二编码器上，分辨率kA、kB是恒定的，并且取决于每个编码器的精度，当编码器类型相同时：
Figure BDA00015678370200000310
通过对地形调查测量的初步值
Figure BDA00015678370200000311
以及两个连续监测点间导线的弧度角增量和第三编码器间的差值，给出了第三编码器旋转增加与导线截面长度之间的关系图，每段导线的长度由下式给出：
Figure BDA00015678370200000312
其中，r为第三编码器中导线旋转滑轮的半径；
Figure BDA00015678370200000313
Figure BDA00015678370200000314
为第i-1个监测点上测量的在t时刻相对于t-1时刻的角度增量，
Figure BDA00015678370200000315
为第i个监测点上在t时刻相对于t-1时刻的角度增量，计数
Figure BDA00015678370200000316
的初始值在第三编码器上，kC为第三编码器的分辨率。
本发明的有益效果：本发明能实现隧道连续性全覆盖的实时监测，可适用于不同隧道的截面；工作过程中不影响其有效横截面，不会阻碍隧道周边工程的正常施工；不需人工实时现场监测，节省人力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明数据采集模块的结构示意图。
图3为本发明在某一时刻记录在编码器的角度。
图4为本发明两个连续数据采集模块之间的角关系图。
图5为本发明第三编码器旋转增加与导线截面长度之间关系的示意图。
图6为本发明的流程图。
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付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。
如图1所示，一种用于连续监测隧道收敛的测量系统，包括滑轮1、导线2、数据采集模块3、数据采集站和存储模块，所述滑轮1固定在隧道的监测点4上，监测点4组成开放多边形，导线2的一端固定在开放多边形的一端，导线2依次设在各个监测点4的滑轮1上，导线2的末端固定有将导线2保持拉近状态的配重块5；设置在监测点4上的数据采集模块3用于检测开放多边形的各段边长距离和角度，数据采集模块3通过传感器或编码器进行数据的实时测量。数据采集模块3与数据采集站相连接，数据采集站与存储模块相连接，存储模块与上位机相连接。数据采集站为数据采集模块提供稳定的电压，并监控数据采集模块中传感器测量的信号和管理编码器值的通信。所述存储模块通过RS485网络端口与上位机相连接，存储模块通过RS485网络端口与数据采集站相连接。监测点4设置在弓形的隧道的横截面上；监测点4的个数根据隧道横截面的大小来确定。如图1所示，监测点4的数量设有5个、包括监测点P1、P2、P3、P4和P5，配重块5的质量为4kg。如图5所示，本发明通过在在隧道的横截面布置监测点，在监测点处安装数据采集模块，即位移传感器和角度传感器实现位移和角度的测量；数据采集模块将采集的数据通过数据采集站传送至存储模块，存储模块按预定的间隔进行读数，存储模块把数据传送至上位机，最终上位机进行数据的智能分析和整合。
本发明通过对附接在隧道周边的导线构成的开放多边形进行连续监测，即在隧道的横断面上布置5个监测点(P1、P2、P3、P4、P5)，将导线固定在作为球窝接头的监测点P1处的滑轮上，并将导线依次搁置在其它监测点的滑轮的导轨上，在导线末端监测点P5处放有4kg的重物，通过重力保持导线始终处于拉紧状态，并阻止导线离开滑轮导轨。而在每个监测点处均有3个编码器，通过编码器来监测多边形的各段边长距离和角度，从而达到连续监测隧道收敛的目的。
如图2所示，每个数据采集模块通过柔性导线依次连接，所述数据采集模块3包括箱体31、第一编码器32、第二编码器33、第三编码器34和PIC微处理器，箱体31通过膨胀螺栓6固定在隧道上，箱体31的大小为200mm×150mm×70mm。在所选定的隧道横断面布置多个锚固点作为监测点，在每个监测点均有一个用膨胀螺栓固定在隧道上的箱体31。膨胀螺栓6深入隧道内壁岩石层50cm。箱体31下部的两侧设有导线出口35和导线进口36；所述导线出口35和导线进口36为长条形开口，方便导线通过并允许入和出口的角度自由地变化。所述第一编码器32、第二编码器33和第三编码器34均与PIC微处理器相连接，PIC微处理器与数据采集站相连接；第一编码器32、第二编码器33、第三编码器34和PIC微处理器均固定在箱体31内，第一编码器32和第二编码器33位于滑轮的两侧、用于测量每个滑轮1旋转的角度及每个相邻监测点之间导线2相对于垂直线形成的角度，第三编码器34位于滑轮1的上部、用于测量每个相邻监测点之间导线2的位移。
所述PIC微处理器与电子电路相连接，电子电路和PIC微处理器相配合监视第一编码器32、第二编码器33和第三编码器34的上升沿和下降沿，从而记录产生的角运动。若箱体31有局部移动，则电子电路会将移动信息传输到数据采集站，最终汇总到上位机中。本发明中滑轮半径为4mm，3个传感器的精度为±0.5mm。
如图6所示，本发明通过用于连续监测隧道收敛的测量系统确定隧道收敛的测量方法为：
步骤一：对所有监测点Pi点的初始位置进行初步调查：确定在瞬时t＝0相邻监测点之间各段导线的初始长度
Figure BDA0001567837020000051
并以监测点P1为参考点，确定其余各监测点的位置长度
Figure BDA0001567837020000052
各个编码器一旦安装完毕，就对所有监测点Pi点的初始位置进行初步调查。为了更好说明两个相邻数据采集模块之间的角关系，如图3、图4所示这一过程。
所述确定各监测点的位置长度
Figure BDA0001567837020000053
的方法为：
由图3第一监测点P1知：
Figure BDA0001567837020000054
其中，
Figure BDA0001567837020000055
监测点P1在t时刻相对于位置长度
Figure BDA0001567837020000056
的角度；
Figure BDA0001567837020000057
监测点P1在t时刻相对于位置长度
Figure BDA0001567837020000058
的角度。
其余各监测点Pi角度为：
Figure BDA0001567837020000059
其中，
Figure BDA00015678370200000510
监测点Pi在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000511
的角度；
Figure BDA00015678370200000512
监测点Pi在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000513
的角度；
Figure BDA00015678370200000514
监测点Pi-1在t时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000515
的角度。
记录的增量值的初始校准t＝0和t时刻之间，在角度产生的变化将在图4(b)所示。记录相邻时刻之间各角度产生的变化如图4(b)所示：
Figure BDA00015678370200000516
其中，
Figure BDA00015678370200000517
监测点Pi在t-1时刻相对于位置长度
Figure BDA00015678370200000518
的角度；
Figure BDA00015678370200000519
监测点Pi在t时刻和t-1时刻相对于位置长度Li-1的角度增量；
Figure BDA0001567837020000061
监测点Pi在t时刻和t-1时刻相对于位置长度Li的角度增量。
角增量
Figure BDA0001567837020000062
和
Figure BDA0001567837020000063
的值与相应编码器的计数成正比：
Figure BDA0001567837020000064
Figure BDA0001567837020000065
Figure BDA0001567837020000066
其中，f为开放几何体的形状系数，Δα为用导线测量的监测点角度增量，Δα*为监测点围成的开放多边形变形增加的几何相关因数，且：
Figure BDA0001567837020000067
计数
Figure BDA0001567837020000068
和
Figure BDA0001567837020000069
的初始值分别为第一编码器32和第二编码器33上，第一编码器32和第二编码器33均是16位，而分辨率kA、kB是恒定的，并且取决于每个编码器的精度，当编码器类型相同时：
Figure BDA00015678370200000610
通过对地形调查测量的初步值
Figure BDA00015678370200000611
以及两个连续监测点间导线的弧度角增量和相邻两个第三编码器34间的差值，给出了第三编码器34旋转增加与导线截面长度之间的关系图，如图5所示，每段导线的长度由下式给出：
Figure BDA00015678370200000612
其中，r＝4mm为是第三编码器34中导线旋转滑轮的半径；且
Figure BDA00015678370200000613
计数
Figure BDA00015678370200000614
的初始值在第三编码器34上，kC为第三编码器34的分辨率。
步骤二：确定每个检测点Pi的笛卡尔坐标：
Figure BDA00015678370200000615
Figure BDA00015678370200000616
其中，
Figure BDA00015678370200000617
为监测点Pi在t时刻x方向的坐标；
Figure BDA00015678370200000618
为监测点Pi-1在t时刻x方向的坐标；
Figure BDA00015678370200000619
为监测点Pi-1在t时刻的角度；
Figure BDA00015678370200000620
为监测点Pi在t时刻y方向的坐标；
Figure BDA00015678370200000621
为监测点Pi-1在t时刻y方向的坐标。
步骤三：由计算得到监测点Pi在t时刻的坐标，与监测点Pi在初始时间的坐标进行对比，从而得到隧道在监测点Pi的相对位移，查看隧道相对位移数据是否超过当地隧道要求的最大容许变形量。若未超出变形量，则由上位机继续监测隧道位移收敛变化，如果超出允许值，证明隧道在此处的收敛变形过大，需要进行隧道修复处理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于连续监测隧道收敛的测量系统，其特征在于，包括滑轮(1)、导线(2)、数据采集模块(3)、数据采集站和存储模块，所述滑轮(1)固定在隧道的监测点(4)上，监测点(4)组成开放多边形，导线(2)的一端固定在开放多边形的一端，导线(2)依次设在各个监测点(4)的滑轮(1)上，导线(2)的末端固定有将导线(2)保持拉紧状态的配重块(5)；设置在监测点(4)上的数据采集模块(3)用于检测开放多边形的各段边长距离和角度，数据采集模块(3)与数据采集站相连接，数据采集站与存储模块相连接，存储模块与上位机相连接；
所述数据采集模块(3)包括箱体(31)、第一编码器(32)、第二编码器(33)、第三编码器(34)和PIC微处理器，箱体(31)通过膨胀螺栓(6)固定在隧道上，箱体(31)下部的两侧设有导线出口(35)和导线进口(36)；所述第一编码器(32)、第二编码器(33)和第三编码器(34)均与PIC微处理器相连接，PIC微处理器与数据采集站相连接；第一编码器(32)、第二编码器(33)、第三编码器(34)和PIC微处理器均固定在箱体(31)内，第一编码器(32)和第二编码器(33)位于滑轮的两侧、用于测量每个滑轮(1)旋转的角度及每个相邻监测点之间导线(2)相对于垂直线形成的角度，第三编码器(34)位于滑轮(1)的上部、用于测量每个相邻监测点之间导线(2)的位移；
确定隧道收敛的测量方法为：
步骤一：对所有监测点Pi点的初始位置进行初步调查：确定在瞬时t＝0相邻监测点之间各段导线的初始长度
Figure FDA0002829468330000011
其中，i＝1，2，…，n；n为设置的监测点个数，并以监测点P1为参考点，确定其余各监测点的位置长度
Figure FDA0002829468330000012
步骤二：确定每个监测点Pi的笛卡尔坐标，其中，i＝2，…，n；n为设置的监测点个数：
Figure FDA0002829468330000013
Figure FDA0002829468330000014
其中，
Figure FDA0002829468330000015
为监测点Pi在t时刻x方向的坐标，
Figure FDA0002829468330000016
为监测点Pi-1在t时刻x方向的坐标，
Figure FDA0002829468330000017
为监测点Pi-1在t时刻相对于位置长度
Figure FDA0002829468330000018
的角度，
Figure FDA0002829468330000019
为监测点Pi在t时刻y方向的坐标，
Figure FDA00028294683300000110
为监测点Pi-1在t时刻y方向的坐标；
步骤三：由计算得到的监测点Pi在t时刻的坐标，与初始时间监测点Pi的坐标进行对比，从而得到在监测点Pi的相对位移，来确定隧道是否发生变形；
所述以监测点P1为参考点，确定其余各监测点的位置长度
Figure FDA0002829468330000021
为，其中，i＝2,……，n-1：
由第一监测点P1知：
Figure FDA0002829468330000022
其中，
Figure FDA0002829468330000023
为监测点P1在t时刻相对于位置长度
Figure FDA0002829468330000024
的角度，
Figure FDA0002829468330000025
为监测点P1在t时刻相对于位置长度
Figure FDA0002829468330000026
的角度；
其余各监测点Pi的角度为：
Figure FDA0002829468330000027
其中，
Figure FDA0002829468330000028
为监测点Pi在t时刻相对于位置长度
Figure FDA0002829468330000029
和位置长度
Figure FDA00028294683300000210
的角度，
Figure FDA00028294683300000211
为监测点Pi在t时刻相对于位置长度
Figure FDA00028294683300000212
的角度；
记录相邻时刻之间各角度产生的变化：
Figure FDA00028294683300000213
其中，
Figure FDA00028294683300000214
为监测点Pi在t-1时刻相对于位置长度
Figure FDA00028294683300000215
和位置长度
Figure FDA00028294683300000216
的角度，
Figure FDA00028294683300000217
为监测点Pi在t时刻和t-1时刻相对于位置长度Li-1的角度增量，
Figure FDA00028294683300000218
为监测点Pi在t时刻和t-1时刻相对于位置长度Li的角度增量；
角度增量
Figure FDA00028294683300000219
和
Figure FDA00028294683300000220
的值与相应编码器的计数成正比：
Figure FDA00028294683300000221
Figure FDA00028294683300000222
Figure FDA00028294683300000223
其中，f为开放几何体的形状系数，Δα是角度增量
Figure FDA00028294683300000224
和
Figure FDA00028294683300000225
的统称，Δα*是
Figure FDA00028294683300000226
的统称，且
Figure FDA00028294683300000227
为监测点围成的开放多边形变形增加的几何相关因数，且：
Figure FDA00028294683300000228
计数
Figure FDA00028294683300000229
和计数
Figure FDA00028294683300000230
的初始值分别为第一编码器(32)和第二编码器(33)测量的，kA、kB是第一编码器(32)和第二编码器(33)的分辨率，为恒定值，并且取决于每个编码器的精度，当编码器类型相同时：
Figure FDA00028294683300000231
通过对地形调查测量的初步值
Figure FDA00028294683300000232
以及两个连续监测点间由第三编码器(34)测得的弧度角增量的差值，得到旋转后每段导线的长度，即各监测点的位置长度
Figure FDA0002829468330000031
由下式给出：
Figure FDA0002829468330000032
其中，r为第三编码器(34)中导线旋转滑轮(1)的半径；
Figure FDA0002829468330000033
Figure FDA0002829468330000034
为旋转后第i-1个监测点在t时刻相对于t-1时刻的由第三编码器(34)测得的弧度角增量，
Figure FDA0002829468330000035
为旋转后第i个监测点在t时刻相对于t-1时刻的由第三编码器(34)测得的弧度角增量；
计数
Figure FDA0002829468330000036
的初始值测量显示在第三编码器(34)上，kC为第三编码器(34)的分辨率；
所述监测点(4)的数量设有5个，包括监测点P1、P2、P3、P4和P5，配重块(5)的质量为4kg。
2.根据权利要求1所述的用于连续监测隧道收敛的测量系统，其特征在于，所述导线出口(35)和导线进口(36)为长条形开口；所述监测点(4)设置在弓形的隧道的横截面上，监测点(4)的个数根据隧道横截面的大小来确定。
3.根据权利要求1所述的用于连续监测隧道收敛的测量系统，其特征在于，所述PIC微处理器与电子电路相连接，电子电路和PIC微处理器相配合监视第一编码器(32)、第二编码器(33)和第三编码器(34)的上升沿和下降沿。
4.根据权利要求1或3所述的用于连续监测隧道收敛的测量系统，其特征在于，所述存储模块通过RS485网络端口与上位机相连接，存储模块通过RS485网络端口与数据采集站相连接。
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