CN109458984B - 隧道变形实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道变形实时监测装置及方法，包括设置在隧道顶部的多个水准仪，用于测量隧道的拱顶沉降；还包括设置在隧道侧壁的激光测距仪，用于监测隧道的周边收敛；水准仪和激光测距仪与数据采集装置电连接，数据采集装置与数据基站电连接。使用时，选定隧道变形测点位置安装水准仪、激光测距仪、数据采集装置和数据基站；通过以上步骤，实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的实时监测。通过采用水准仪和激光测距仪分别测量拱顶沉降和周边收敛，实现较为可靠的隧道变形实时监测，设置的数据采集装置和数据基站的监测方式，能够实现无人值守的监控。

Description

隧道变形实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道变形监测领域，特别是一种隧道变形实时监测装置及方法。

背景技术

交通行业的快速发展，隧道工程日益增多。隧道工程属于地下工程，施工条件复杂，风险高，常常因突发事故导致人身伤亡、工期延误，造成巨大的经济损失，因此，隧道监控量测是隧道工程必不可少的环节，是保证隧道工程安全的重要手段。现有技术中，采用全站仪人工方法进行监测，需监测人员定时进隧道取拱顶沉降与拱腰收敛的变化，存在监测频率有限，监测信息反馈不及时，并且可人为修改监测数据等问题。埋下了安全隐患。

中国专利CN102661737A，记载了一种隧道结构沉降变形自动群测系统及其群测方法，在隧道测点位置分别布置激光组件；依次激励所述激光组件向一目标靶发射激光；依次采集各激光组件所发出激光在所述目标靶上的成像位置与入射角度，通过计算得出各激光组件所在测点的水平位置数值与垂直位置数值；比较本次测得的水平位置数值与垂直位置数值与上一次测得的水平位置数值与垂直位置数值，得出所述测点的水平位置偏移与垂直位置偏移。所述主控制器在一个采样周期内处理所述目标靶内采集的图像信息，计算激光在所述目标靶的位置和角度数值并与测点标定值比较，得出隧道结构沉降变形的水平偏差值和垂直偏差值，实现隧道结构沉降变形的数据处理功能。但是对于拱顶沉降，该监测方案却存在较大缺陷，1是由于隧道处于施工状态，如在拱顶设置激光组件，容易受到过往施工车辆和人员的干扰，造成误报。2是现有的激光组件检测精度较低，标称能够达到±1mm，但是实际中的误差在3~5mm以上，而隧洞的事故通常从形变已经开始到完全发生的时间较短。在该误差下，当变形能够被检测，此时离发生最终事故的时间已经较为紧张，不够撤离人员和设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道变形实时监测装置及方法，能够克服现有技术中测量监测频率有限，监测信息反馈不及时，并且可人为修改监测数据等技术问题，实现了隧道变形数据高精度实时自动采集上传、全天候无人监测，并能够实现自动报警，确保隧道的安全施工。优选的方案中，能够提高监测的精度，大幅提高预警处理时间。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隧道变形实时监测装置，包括设置在隧道顶部的多个水准仪，用于测量隧道的拱顶沉降；

还包括设置在隧道侧壁的激光测距仪，用于监测隧道的周边收敛；

水准仪和激光测距仪与数据采集装置电连接，数据采集装置与数据基站电连接。

优选的方案中，所述的数据基站与隧道监控平台电连接。

优选的方案中，数据采集装置与数据基站通过LoRa、WIFI、GPRS、4G或zigbee方式无线连接，数据基站与隧道监控平台通过LoRa、WIFI、GPRS或4G方式无线连接。

优选的方案中，所述的水准仪至少为两个一组，两个水准仪底部之间通过连通管连接，一组的水准仪通过锚杆固定在大致相同的高程；

所述的水准仪中，液体管与测量管之间通过上连接管和下连接管连通，在测量管内设有阻断测量管截面的压力应变膜，压力应变膜与动极板固定连接，动极板周围设有定极板，动极板与定极板构成电容传感器结构。

优选的方案中，所述的电容传感器与电感并联，电容传感器和电感与振荡器电连接，振荡器与限幅放大器电连接，限幅放大器的输出端与数据采集装置电连接。

优选的方案中，所述的水准仪与固定座滑动连接，固定座与锚杆固定连接，水准仪与安装座固定连接，安装座上设有螺母，螺杆与固定座以可转动不可轴向移动的方式连接，螺杆还与安装座的螺母螺纹连接，以通过转动螺杆调节水准仪的高程。

优选的方案中，所述的激光测距仪中，包括发射接收装置和反射装置，发射接收装置安装在隧道内壁的一侧，反射装置安装在隧道内壁的另一侧；

所述的反射装置中，底座上设有球头部，反射座与球头部活动连接，并通过压板限位连接，在压板的四周还设有指向底座的角度调节螺钉，反射座的表面设有反射层。

优选的方案中，所述的发射接收装置中，底座上设有球头部，反射座与球头部活动连接，并通过压板限位连接，在压板的四周还设有指向底座的角度调节螺钉，反射座的表面设有发射反射座，激光发射模块和光接收模块相隔一段距离，在激光发射模块与光接收模块之间设有反射层。

优选的方案中，所述的激光发射模块和光接收模块为可调角度的结构；

以使激光发射模块发射的激光束反射多次后被光接收模块接收。

一种采用上述的隧道变形实时监测装置的方法，包括以下步骤：

S1、选定隧道变形测点位置；

S2、安装水准仪、激光测距仪、数据采集装置和数据基站；

水准仪至少为两个一组，并通过连通管连通，水准仪内设有液体；

一组的水准仪的高程数据求差值后将数据发送至数据采集装置；

S3、数据采集装置将采集的数据发送至数据基站，数据基站将数据发送至隧道监控平台，隧道监控平台分析数据，形成变形~时间曲线，与设置的预警阀值进行对比，对超过预警阈值数据进行报警，并加强报警区域监测频率；

S4、根据现场监测需求设置隧道的变形监测时间间隔；

S5、根据上个步骤中设置的时间间隔，重复步骤S2到步骤S4；

通过以上步骤，实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的实时监测。

本发明提供的一种隧道变形实时监测装置及方法，通过采用水准仪和激光测距仪分别测量拱顶沉降和周边收敛，实现较为可靠的隧道变形实时监测，设置的数据采集装置和数据基站的监测方式，能够实现无人值守的监控，且数据能够实时传输，避免因为各位原因人为修改数据。采用的LoRa传输协议，能够实现超远距离的数据传输，经测试在隧道施工中，最远能够传输到3~5km。确保了数据传输的可靠。采用了改进的水准仪结构，高度占用空间更小，便于在隧道工况下的环境中布置，采用的测量管结构，能够获得更高的测量精度。改进的激光测距仪，能够进一步提高测量精度，减少误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中隧道的横截面布置示意图。

图3为本发明中水准仪的结构示意图。

图4为本发明中测量管内电容传感器检测电路示意图。

图5为本发明中水准仪的可调安装结构示意图。

图6为本发明中激光测距仪的结构示意图。

图7为本发明中发射接收装置的主视图。

图8为本发明方法的控制流程图。

图中：掌子面1，水准仪2，液体管21，液体22，连通管23，测量管24，上连接管25，下连接管26，压力应变膜27，动极板28，定极板29，激光测距仪3，底座31，球头部32，压板33，角度调节螺钉34，调节孔35，反射座36，激光发射模块37，发射反射座38，光接收模块39，数据采集装置4，数据基站5，隧道监控平台6，隧道7，锚杆8，振荡器9，限幅放大器10，固定座11，安装座12，螺杆13。

具体实施方式

实施例1：

如图1~7一种隧道变形实时监测装置，包括设置在隧道7顶部的多个水准仪2，用于测量隧道7的拱顶沉降；

还包括设置在隧道7侧壁的激光测距仪3，用于监测隧道7的周边收敛；

水准仪2和激光测距仪3与数据采集装置4电连接，数据采集装置4与数据基站5电连接。由此结构，采用水准仪2和激光测距仪3联合监测隧道的变形，提高了监测成功率，减少了施工人员和设备对监测装置的干扰。

优选的方案如图1中，所述的数据基站5与隧道监控平台6电连接。由此结构，便于实时将数据传输至隧道监控平台6，以便于在隧道监控平台6对监测的数据进行分析。

优选的方案如图1中，数据采集装置4与数据基站5通过LoRa、WIFI、GPRS、4G或zigbee方式无线连接，本例中优选采用LoRa和zigbee方式；优选的，数据基站5与隧道监控平台6通过LoRa、WIFI、GPRS或4G方式无线连接。本例中优选采用WIFI、GPRS或4G方式。

优选的方案如图3中，所述的水准仪2至少为两个一组，两个水准仪2底部之间通过连通管23连接，一组的水准仪2通过锚杆8固定在大致相同的高程；更多的水准仪2互相连通，能够获得更为精确的对比，便于尽快判断异常位置。

所述的水准仪2中，液体管21与测量管24之间通过上连接管25和下连接管26连通，液体管21内填充有液体，以通过液位的变化，使底部位置的压力发生相应变化，在测量管24内设有阻断测量管24截面的压力应变膜27，压力应变膜27与动极板28固定连接，动极板28周围设有定极板29，动极板28与定极板29构成电容传感器C结构。当拱顶发生沉降，一组中的水准仪2中，至少有一个的液位会相应发生变化，由此变化，测量管24内的压力发生变化，导致压力应变膜27因上下两侧压力不均衡而变形，随着压力应变膜27的变形，动极板28的位置也产生运动，从而导致电容传感器的电容值发生变化。本例中采用了两个动极板28的结构，以补偿动极板28的位置偏移，即便动极板28在运动过程中发生偏移，但是整体的有效面积和间隙大致保持不变。本例中的水准仪2采用密封的结构，不易被外部环境干扰。

优选的方案如图4中，所述的电容传感器C与电感L并联，电容传感器C和电感L与振荡器9电连接，振荡器9与限幅放大器10电连接，限幅放大器10的输出端与数据采集装置4电连接。本例中采用调频电路对电容值的变化量进行测量，调频监测电路具有较高的灵敏度，但是线性度不高，本例中放弃对线性度的要求，追求较高的灵敏度，通过去掉鉴频器的方式进行监测，提高动态响应速度。以和本例中的监测拱顶工况相适应。

优选的方案如图5中，所述的水准仪2与固定座11滑动连接，固定座11与锚杆8固定连接，水准仪2与安装座12固定连接，安装座12上设有螺母，螺杆13与固定座11以可转动不可轴向移动的方式连接，螺杆13还与安装座12的螺母螺纹连接，以通过转动螺杆13调节水准仪2的高程。由此结构，对于部分位于倾斜段的水准仪2，能够通过调整安装高程的方式，确保多个水准仪2均处于 量程内。

优选的方案如图6中，所述的激光测距仪3中，包括发射接收装置和反射装置，发射接收装置安装在隧道7内壁的一侧，反射装置安装在隧道7内壁的另一侧；

所述的反射装置中，底座31上设有球头部32，反射座36与球头部32活动连接，并通过压板33限位连接，在压板33的四周还设有指向底座31的角度调节螺钉34，反射座36的表面设有反射层。由此方案，通过调节角度调节螺钉34，反射座36能够以球头部32的圆心为圆心摆动，以确保反射座36表面的反射层与激光发射模块37大致垂直。且调节方便。本例中的角度调节螺钉34位于反射座36的四角。

优选的方案如图6~7中，所述的发射接收装置中，底座31上设有球头部32，反射座36与球头部32活动连接，并通过压板33限位连接，在压板33的四周还设有指向底座31的角度调节螺钉34，反射座36的表面设有发射反射座38，激光发射模块37和光接收模块39相隔一段距离，在激光发射模块37与光接收模块39之间设有反射层。

优选的方案中，所述的激光发射模块37和光接收模块39为可调角度的结构；由此结构，便于调节发射和入射角度，以使激光发射模块37发射的激光束反射多次后被光接收模块39接收。即使激光束能够在发射接收装置和反射装置之间反射多次，以通过延长检测距离，降低检测误差。以通常的相位式激光测距仪为例，在0-80米范围内，标称检测误差均为±1mm，实测误差在1~3mm之间。通过多次反射后使实测距离L接近极限检测距离80米，例如隧道宽度为10米，则经过7次反射后，实测距离为80m，实际测量精度为：3/80/10，即±0.375mm。通过该方式，大幅提高检测精度。在周边收敛开始时，即可获得精确的连续数据，由此连续数据结合时间的参数，生成变形-时间曲线，从而获得变形率参数。通过对变形率设置阀值，即能够可靠的监控隧道的周边收敛变形，提前发现并解决事故危险。

优选的方案中，在水准仪2和激光测距仪3之外设有防护罩。以防止隧道爆破时飞石损坏仪器，水准仪2和激光测距仪3及保护罩均可拆卸重复使用。

实施例2：

在实施例1的基础上，一种采用上述的隧道变形实时监测装置的方法，包括以下步骤：

S1、选定隧道7变形测点位置；

S2、安装水准仪2、激光测距仪3、数据采集装置4和数据基站5；根据工况设定激光测距仪3中的激光束反射次数，通常应设置为略小于极限量程，以确保可靠性。

水准仪2至少为两个一组，并通过连通管23连通，水准仪2内设有液体；一组的水准仪2要大致设置在相同的高程内。例如高程差不超过量程的1/2。

一组的水准仪2的高程数据求差值后将数据发送至数据采集装置4；沿着隧道可以布置多组的水准仪2。

激光测距仪3和水准仪2的输出导线通过线缆连接至数据采集装置4。

S3、数据采集装置4将采集的数据发送至数据基站5，数据基站5将数据发送至隧道监控平台6，隧道监控平台6分析数据，形成变形~时间曲线，得出变形率参数，与设置的变形率参数的预警阀值进行对比，对超过预警阈值的数据进行报警，并加强报警区域监测频率，发现变形率或者变形量超出危险数值，则组织人员和设备撤离；

S4、根据现场监测需求设置隧道7的变形监测时间间隔；

S5、根据上个步骤中设置的时间间隔，重复步骤S2到步骤S4；

通过以上步骤，实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的实时监测。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道变形实时监测装置，其特征是：包括设置在隧道（7）顶部的多个水准仪（2），用于测量隧道（7）的拱顶沉降；

还包括设置在隧道（7）侧壁的激光测距仪（3），用于监测隧道（7）的周边收敛；

水准仪（2）和激光测距仪（3）与数据采集装置（4）电连接，数据采集装置（4）与数据基站（5）电连接；

所述的水准仪（2）至少为两个一组，两个水准仪（2）底部之间通过连通管（23）连接，一组的水准仪（2）通过锚杆（8）固定在大致相同的高程；

所述的水准仪（2）中，液体管（21）与测量管（24）之间通过上连接管（25）和下连接管（26）连通，在测量管（24）内设有阻断测量管（24）截面的压力应变膜（27），压力应变膜（27）与动极板（28）固定连接，动极板（28）周围设有定极板（29），动极板（28）与定极板（29）构成电容传感器（C）结构；

所述的数据基站（5）与隧道监控平台（6）电连接；

数据采集装置（4）与数据基站（5）通过LoRa、WIFI、GPRS、4G或zigbee方式无线连接；

数据基站（5）与隧道监控平台（6）通过LoRa、WIFI、GPRS或4G方式无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种隧道变形实时监测装置，其特征是：所述的电容传感器（C）与电感（L）并联，电容传感器（C）和电感（L）与振荡器（9）电连接，振荡器（9）与限幅放大器（10）电连接，限幅放大器（10）的输出端与数据采集装置（4）电连接。

3.根据权利要求1所述的一种隧道变形实时监测装置，其特征是：所述的水准仪（2）与固定座（11）滑动连接，固定座（11）与锚杆（8）固定连接，水准仪（2）与安装座（12）固定连接，安装座（12）上设有螺母，螺杆（13）与固定座（11）以可转动不可轴向移动的方式连接，螺杆（13）还与安装座（12）的螺母螺纹连接，以通过转动螺杆（13）调节水准仪（2）的高程。

4.根据权利要求1所述的一种隧道变形实时监测装置，其特征是：所述的激光测距仪（3）中，包括发射接收装置和反射装置，发射接收装置安装在隧道（7）内壁的一侧，反射装置安装在隧道（7）内壁的另一侧；

所述的反射装置中，底座（31）上设有球头部（32），反射座（36）与球头部（32）活动连接，并通过压板（33）限位连接，在压板（33）的四周还设有指向底座（31）的角度调节螺钉（34），反射座（36）的表面设有反射层。

5.根据权利要求4所述的一种隧道变形实时监测装置，其特征是：所述的发射接收装置中，底座（31）上设有球头部（32），反射座（36）与球头部（32）活动连接，并通过压板（33）限位连接，在压板（33）的四周还设有指向底座（31）的角度调节螺钉（34），反射座（36）的表面设有发射反射座（38），激光发射模块（37）和光接收模块（39）相隔一段距离，在激光发射模块（37）与光接收模块（39）之间设有反射层。

6.根据权利要求5所述的一种隧道变形实时监测装置，其特征是：所述的激光发射模块（37）和光接收模块（39）为可调角度的结构；

以使激光发射模块（37）发射的激光束反射多次后被光接收模块（39）接收。

7.一种采用权利要求1~6任一项所述的隧道变形实时监测装置的方法，其特征是包括以下步骤：

S1、选定隧道（7）变形测点位置；

S2、安装水准仪（2）、激光测距仪（3）、数据采集装置（4）和数据基站（5）；

水准仪（2）至少为两个一组，并通过连通管（23）连通，水准仪（2）内设有液体；

一组的水准仪（2）的高程数据求差值后将数据发送至数据采集装置（4）；

S3、数据采集装置（4）将采集的数据发送至数据基站（5），数据基站（5）将数据发送至隧道监控平台（6），隧道监控平台（6）分析数据，形成变形~时间曲线，与设置的预警阀值进行对比，对超过预警阈值数据进行报警，并加强报警区域监测频率；

S4、根据现场监测需求设置隧道（7）的变形监测时间间隔；

S5、根据上个步骤中设置的时间间隔，重复步骤S2到步骤S4；

通过以上步骤，实现对隧道的拱顶沉降和周边收敛的实时监测。