CN108709535A - 基于惯性测量原理的隧道变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，通过预先埋设惯性测量装置，引出传输端口，并采用数据采集终端采集三维坐标数据，由PC端整理汇总分析，实现对隧道周边围岩变形监控量测的目的。使隧道监控量测作业能达到高安全性、作业自由、数据连续和低人力成本，且能满足较高频次观测的要求。

Description

基于惯性测量原理的隧道变形监测方法

技术领域

本发明属于隧道变形监测技术领域，具体涉及基于惯性测量原理的隧道变形监测方法。

背景技术

为了解开挖后围岩稳定状态和初期支护、衬砌结构的可靠度，确保隧道施工安全性和结构的长期稳定性，监控量测作为关键工序纳入现场施工管理。围岩变形是围岩力学形态变化最直接的表现，通常为拱顶沉降变形、净空收敛变形和空间位置移动等项目。

目前，隧道变形监测主要采用接触量测和非接触量测两种方法，其中接触量测主要用收敛计进行量测，非接触量测主要用全站仪进行。两种方法均存在一定弊端，(1)隧道施工条件恶劣，工作面环境复杂，人员和仪器需经常进入现场进行量测作业，安全风险高。(2)日常量测作业需要测站与测点间通视，对作业环境要求较高。(3)现场施工过程中，经常性发生测点破坏现象，导致监控量测数据不连续，影响监控量测结果的准确分析。(4)测点埋设、维护、数据采集、数据处理等一系列工作均需人为完成，人工成本高，且难以实现高频次监测要求。

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的不足，提供一种基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，使隧道监控量测作业能达到高安全性、作业自由、数据连续和低人力成本，且能满足较高频次观测的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，该检测方法如下：

步骤a、在新工作面的预测量位置埋设惯性测量装置，并将其固定，惯性测量装置所在位置的X轴正方向指向隧道掘进方向，Z轴正方向竖直向上；

步骤b、使用数据采集终端采集惯性测量装置位置的三维坐标数据，将所述惯性测量装置当前所在的位置作为初始位置，将所述数据传输至PC端，并定义该位置为(0，0，0)；

步骤d、需要监测时，使用数据采集终端再次定时或者不定时的采集惯性测量装置位置的三维坐标数据，测试数据为(x，y，z)，将所述数据传输至PC端，与初始位置数据(0，0，0)进行比对，其各轴坐标差值即为该惯性测量装置对应位置三个坐标轴方向的围岩变形量。

进一步地，还包括步骤e，步骤e、在不同时刻，所述数据采集终端多次采集惯性测量装置位置的三维坐标数据，并传输至PC端，将围岩变形量进行汇总分析，达到停测标准后，不再监测。

进一步地，采用三台阶开挖法形成上台阶1、中台阶2和下台阶3的新工作面7，在新工作面7的预测量位置埋设惯性测量装置5，并将其固定。

本发明还公开了基于惯性测量原理的隧道变形监测装置，包括数据采集终端、PC端和用于放置于新工作面的预测量位置的惯性测量装置，所述惯性测量装置、数据采集终端和PC端依次相连接；所述数据采集终端用于定时或者不定时的采集惯性测量装置位置的三维坐标数据，并将数据传输至PC端。

本发明基于惯性测量原理的隧道变形监测方法具有如下优点：通过预先埋设惯性测量装置，引出传输端口，并采用数据采集终端采集三维坐标数据，由PC端整理汇总分析，实现对隧道周边围岩变形监控量测的目的。该方法安全性较高、作业自由、数据连续、人力成本低，且能实现高频次的测试作业要求。

附图说明

图1为测量装置埋设位置横剖面图；

图2为测量装置埋设位置纵剖面图；

图3为围岩变形量测量原理示意图；

图4为基于惯性测量原理的隧道变形监测装置的结构示意图；

其中：1、上台阶，2、中台阶，3、下台阶，5、惯性测量装置，6、传输端口，7、新工作面，8、数据采集终端，9、PC端。

具体实施方式

本发明基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，该检测方法如下：以三台阶开挖法为例：

步骤a、如图1、2和3所示，在上台阶1、中台阶2和下台阶3的新工作面7的预测量位置埋设惯性测量装置5，并将其固定，惯性测量装置5所在位置的X轴正方向指向隧道掘进方向，Z轴正方向竖直向上。新工作面7，即是在隧道掘进时，随掘进进度而不断产生的前端施工作业活动空间。惯性测量装置5是以陀螺仪、加速度计为主要敏感器件，解算出物体在垂直和水平面的运动轨迹的装置，市售的有多种规格，本发明中，要求陀螺仪零偏稳定性优于0.5″/h，加速度计零偏稳定性优于1mg，测量精度优于3mm。

步骤b、使用数据采集终端8采集惯性测量装置5位置的三维坐标数据，将惯性测量装置5当前所在的位置作为初始位置，将数据传输至PC端9，并定义该位置为0，0，0。

步骤d、需要监测时，使用数据采集终端8再次定时或者不定时的采集惯性测量装置5位置的三维坐标数据，测试数据为x，y，z，将数据传输至PC端9，与初始位置数据0，0，0进行比对，其各轴坐标差值即为该惯性测量装置5对应位置三个坐标轴方向的围岩变形量。

步骤e、在不同时刻，数据采集终端8多次采集惯性测量装置5位置的三维坐标数据，并传输至PC端9，将围岩变形量进行汇总分析，达到停测标准后，不再监测。

用于上述监测方法的基于惯性测量原理的隧道变形监测装置，如图4所示，包括数据采集终端8、PC端9和用于放置于新工作面7的预测量位置的惯性测量装置5，所述惯性测量装置5、数据采集终端8和PC端9依次相连接；所述数据采集终端8用于定时或者不定时的采集惯性测量装置5位置的三维坐标数据，并将数据传输至PC端9。

本实施例中，将该监测方法用于三台阶法开挖的隧道施工中，对未开挖围岩进行开挖施工，形成新工作面7，然后对新工作面7进行修整、立拱、钻设锚杆等必要的安全防护工作；

在上述新工作面7的预测量位置，埋设惯性测量装置5，惯性测试装置5的X轴正方向指向隧道掘进方向，Z轴正方向竖直向上，并将其固定，引出传输端口6；

使用数据采集终端8采集惯性测量装置5的三维坐标数据，将惯性测量装置5当前所在的位置作为初始位置，将数据传输至PC端9，并定义该位置为0，0，0；可采用超宽带传输。数据采集终端8可采用现有市售的装置，没有特殊要求。

对新工作面7进行喷射混凝土作业，使惯性测量装置5埋入初期支护背后，将传输端口6外露；采用数据采集终端8，对惯性测试装置5的位置进行数据采集，并将数据采集终端8的采集数据汇总至PC端9，测试数据(x，y，z)与初始坐标(0，0，0)进行比对，其各轴坐标差值即为该测试装置5对应位置三个坐标轴方向的围岩变形量；

根据现场需求，可在不同时刻重复操作监测，并将变形量进行整理汇总分析，即可完成隧道变形的监控量测工作；待监控量测数据达到停测标准后，可人为去除传输端口6，去除传输端口6的惯性量测装置5将不再测试该位置围岩的变形情况。惯性测量装置5可根据自身需求取出或不取出。

本发明中隧道变形监测方法中采用惯性测量装置5，惯性测量多应用于动态测量，如高速运动的物体，并没用应用到相对静态的客体，而根据实践，该测量方法满足隧道变形监测的要求，并且，监测方便。

Claims (4)

1.基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，其特征在于，该检测方法如下：

步骤a、在新工作面(7)的预测量位置埋设惯性测量装置(5)，并将其固定，所述惯性测量装置(5)所在位置的X轴正方向指向隧道掘进方向，Z轴正方向竖直向上；

步骤b、使用数据采集终端(8)采集惯性测量装置(5)位置的三维坐标数据，将所述惯性测量装置(5)当前所在的位置作为初始位置，将所述数据传输至PC端(9)，并定义该位置为(0，0，0)；

步骤d、需要监测时，使用数据采集终端(8)再次定时或者不定时的采集惯性测量装置(5)位置的三维坐标数据，测试数据为(x，y，z)，将所述数据传输至PC端(9)，与初始位置数据(0，0，0)进行比对，其各轴坐标差值即为该惯性测量装置(5)对应位置三个坐标轴方向的围岩变形量。

2.根据权利要求1所述的基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，其特征在于，还包括步骤e，步骤e、在不同时刻，所述数据采集终端(8)多次采集惯性测量装置(5)位置的三维坐标数据，并传输至PC端(9)，将围岩变形量进行汇总分析，达到停测标准后，不再监测。

3.根据权利要求1或2所述的基于惯性测量原理的隧道变形监测方法，其特征在于，采用三台阶开挖法形成上台阶1、中台阶2和下台阶3的新工作面7，在新工作面7的预测量位置埋设惯性测量装置5，并将其固定。

4.基于惯性测量原理的隧道变形监测装置，其特征在于，包括数据采集终端(8)、PC端(9)和用于放置于新工作面(7)的预测量位置的惯性测量装置(5)，所述惯性测量装置(5)、数据采集终端(8)和PC端(9)依次相连接；所述数据采集终端(8)用于定时或者不定时的采集惯性测量装置(5)位置的三维坐标数据，并将数据传输至PC端(9)。