CN110567431A - 一种水底土体沉降监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种水底土体沉降监测系统及监测方法。包括：测量仪、目标标靶、后视标靶、上位机和支撑结构；测量仪，与上位机通信连接，用于向目标标靶发出第一光信号，接收目标标靶反射的第一反射光信号，向后视标靶发出第二光信号，接收后视标靶反射的第二反射光信号，根据接收到的第一反射光信号和第二反射光信号，向上位机发送本次数据信息，目标标靶固定设置在支撑结构的顶端，支撑结构固定在待监测水底中。本发明实施例通过使用支撑结构将水底的沉降反映到水面上，利用自动监测系统进行监测，解决施工过程中低精度、低实时性的问题，实现水底土体沉降实时反馈，便于及时调整施工参数，提高监测数据的精度级别的效果。

Description

一种水底土体沉降监测系统及监测方法

技术领域

本发明实施例涉及隧道工程施工技术，尤其涉及一种水底土体沉降监测系统及监测方法。

背景技术

在隧道穿河穿越水底施工作业时，由于施工对土体带来的扰动，使得水底产生沉降，增大施工人员的操作难度。

一般地面沉降是采用精密水准仪直接监测，但水下的土体复杂，使得该方法难以实行。常用的水底监测方法是水底扫描技术，使用超声波扫描水底变化趋势，监测时将超声波换能器置于水下一定位置，测控装置控制超声波换能器发出声波脉冲，若遇到阻碍，则将该脉冲反射回来，换能器接收到反射回来的数据信息，并通过测控装置对接收到的数据信息进行处理，实现水底变化趋势的勘测。

现有技术有如下几点缺陷：其一，在水下施工时，存在较大误差，精度为100mm级别，不能给施工人员提供精准的监测数据，难以满足隧道施工对沉降的控制要求；其二，水底扫描数据分析慢，1～2小时后才能得出沉降数据，无法及时反馈给施工作业面，施工人员难以做到及时纠偏，实时性差。

发明内容

本发明实施例提供一种水底土体沉降监测系统及监测方法，以实现水底土体沉降实时反馈，便于及时调整施工参数，提高监测数据的精度级别。

第一方面，本发明实施例提供了一种水底土体沉降监测系统，包括：测量仪、目标标靶、后视标靶、上位机和支撑结构；

所述测量仪，与所述上位机通信连接，用于向所述目标标靶发出第一光信号，接收所述目标标靶反射的第一反射光信号，向所述后视标靶发出第二光信号，接收所述后视标靶反射的第二反射光信号，根据接收到的所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，向所述上位机发送本次数据信息；

所述上位机用于向所述测量仪发送测量控制指令，接收所述测量仪传送的所述本次数据信息，根据所述本次数据信息与预设已存储数据信息，确定预设沉降值；

所述目标标靶固定设置在所述支撑结构的顶端，所述支撑结构固定在待监测水底中，所述后视标靶固定设置在待监测水底的岸边。

第二方面，本发明实施例还提供了一种水底土体沉降监测方法，该水底土体沉降监测方法包括：

当到达预设监测时间，通过上位机控制测量仪开始测量监测点位置信息；

通过测量仪向目标标靶发出第一光信号，接收所述目标标靶反射的第一反射光信号，向所述后视标靶发出第二光信号，接收所述后视标靶反射的第二反射光信号；

根据接收到的所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，确定本次数据信息，并传送给所述上位机；

通过所述上位机根据接收到的所述本次数据信息和预设已存储数据信息，确定预设沉降值。

本发明实施例通过支撑结构，能将水底的沉降反映到水面上，通过测量仪确定目标标靶与后视标靶的位置信息，上位机对接收到的数据信息进行存储，记录异常信息，并发送重新测量指令给测量仪，解决了施工过程中难以实时监测的问题，实现水底土体沉降实时反馈，以便施工人员及时调整施工参数，达到监测数据精度mm级别的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种水底土体沉降监测系统的示意图；

图2是本发明实施例二中的一种水底土体沉降监测系统的示意图；

图3是本发明实施例三中的一种水底土体沉降监测方法的流程图；

图4是本发明实施例三中的一种水底土体沉降监测方法的监测基点平面示意图；

图5是本发明实施例三中的一种水底土体沉降监测方法的监测基点设置安装流程图；

图6是本发明实施例四中的一种水底土体沉降监测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种水底土体沉降监测系统的示意图。本实施例可适用于非开挖隧道施工中，实时获取水底下方土体变化趋势的情况，水底土体沉降监测系统包括：测量仪1、目标标靶2、后视标靶3、上位机4和支撑结构5。

测量仪1，与上位机4通信连接，用于向目标标靶2发出第一光信号，接收目标标靶2反射的第一反射光信号，向后视标靶3发出第二光信号，接收后视标靶3反射的第二反射光信号，根据接收到的第一反射光信号和第二反射光信号，向上位机4发送本次数据信息。

上位机4用于向测量仪1发送测量控制指令，接收测量仪1传送的本次数据信息，根据本次数据信息与预设已存储数据信息，确定预设沉降值；

目标标靶2固定设置在支撑结构5的顶端，支撑结构5固定在待监测水底中，后视标靶3固定设置在待监测水底的岸边。

如图1所示，测量仪1设置于后视标靶3的右侧，可以理解的，测量仪1还可以设置于后视标靶3的左侧，本发明实施例对此不作具体限制。另外，目标标靶2(监测点)的具体个数可根据待监测水底土体的面积确定，例如根据河宽设定目标标靶2的数量和在河底的分布，当目标标靶2呈多列并排排布时，测量仪1与目标标靶2水平等高。

其中，第一光信号与第二光信号为水平光信号，反射回的光信号与发射光信号反向相反，互相平行；上位机4接收测量仪1上传的数据信息并进行存储分析，该数据信息包括目标标靶2的具体位置信息和后视标靶3的具体位置信息；对于接收到的目标标靶2和后视标靶3的位置信息中出现的异常信息，上位机4会重新发送一条指令，控制测量仪1对记录的异常点进行复测。由于支撑结构需要固定设置在水底，其需要具备足够的强度，在水流突击下能保持稳定，示例的，采用高强度的金属架或金属管，并可以在金属材料表面涂覆或包裹防锈层。

本发明实施例通过支撑结构，能将水底的沉降反映到水面上，通过测量仪确定目标标靶与后视标靶的位置信息，上位机对接收到的数据信息进行存储，记录异常信息，并发送重新测量指令给测量仪，解决了施工过程中难以实时监测的问题，实现水底土体沉降实时反馈，以便施工人员及时调整施工参数，达到监测数据精度mm级别的效果。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种水底土体沉降监测系统的示意图。本实施例的技术方案在上述技术方案的基础上进一步细化，水底土体沉降监测系统包括：测量仪1、目标标靶2、后视标靶3、上位机4和支撑结构5。其中，测量仪1为自动化全站仪14，目标标靶2为反射棱镜15，后视标靶3为后视棱镜16，支撑结构5为钢管17。

自动化全站仪14与上位机4通信连接，用于向反射棱镜15发出第一光信号，接收反射棱镜15反射的第一反射光信号，向后视棱镜16发出第二光信号，接收后视棱镜16反射的第二反射光信号，将接收到的反射光信号转换成数据信息发送至上位机4；

上位机4用于向自动化全站仪14发送测量控制指令，接收自动化全站仪14传送的本次数据信息，根据本次数据信息与预设已存储数据信息，确定预设沉降值；

反射棱镜15固定设置在钢管17的顶端，钢管17固定在待监测水底中，后视棱镜16固定设置在待监测水底的岸边；

可选的，水底土体沉降监测系统，还包括：

供电设备6分别连接自动化全站仪14和上位机4，用于供电给自动化全站仪14和上位机4。其中，供电设备6可以为蓄电池、燃料电池或者市电电源适配器。

如图2所示，反射棱镜15、后视棱镜16与自动化全站仪14水平等高排布，自动化全站仪14能够进行整平、调焦和正倒镜观测，可以实现全自动化记录数据，同时具有自动识别和对准功能，测量过程中不需要进行人工对焦，可大大提高监测效率；光由一种介质垂直两介质平面入射到另一种介质时，不会发生折射，棱镜可对接收到的光信号进行全反射，因此，自动化全站仪14能接收到反射棱镜15和后视棱镜16反射的光信号的全部信息；钢管17为空心圆柱形结构，内部需要注浆实现固定，用于固定支撑反射棱镜15。

本发明实施例通过在待检测的水底中设置用于将水底状况反映到水上的钢管和反射棱镜，以及用于测量反射棱镜和后视棱镜位置信息的自动化全站仪，从而实现了对待监测水底的实时监控；在监测过程中，自动化全站仪将接收到的数据传送给上位机，上位机对会记录监测过程中的异常数据并发送重新测量指令给自动化全站仪，自动化全站仪对异常监测点进行复测，从而有效提高测量精度。本实施例提供的用于支撑反射棱镜的空心圆柱形钢管，还可以为空心铁管等能够作为固定支撑物的固状物，对该固状物的形状没有具体限定，可以为圆柱体、长方体等。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种水底土体沉降监测方法的流程图，本实施例可适用于非开挖隧道施工中，实时获取水底下方土体变化趋势的情况，该方法可以由上述技术方案中的水底土体沉降监测系统来执行，具体包括如下步骤：

步骤110、当到达预设监测时间，通过上位机4控制测量仪1开始测量监测点位置信息。

其中，所述预设监测时间由所述上位机4在所述测量仪1开始测量监测点信息之前提前设定完成；

所述监测时间可以是周期性的，具体周期可根据待监测点的数量确定。例如，监测时间可以设置为20s/周期。

步骤120、通过测量仪1向目标标靶2发出第一光信号，接收所述目标标靶2反射的第一反射光信号，向所述后视标靶3发出第二光信号，接收所述后视标靶3反射的第二反射光信号。

其中，所述目标标靶2用于接收所述测量仪1发射的第一光信号，反射第一光信号给所述测量仪1，所述后视标靶3用于接收所述测量仪1发射的第二光信号，反射第二光信号给所述测量仪1。

步骤130、根据接收到的所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，确定本次数据信息，并传送给所述上位机4。

其中，所述测量仪1接收所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，自动将所述第一反射光信号和所述第二反射光信号转换成对应的数据信息；

本次数据信息是指所述测量仪1将接收到的本次所述第一反射光信号和本次所述第二反射光信号转换得到的数据信息。

步骤140、通过所述上位机4根据接收到的所述本次数据信息和预设已存储数据信息，确定预设沉降值。

其中，预设已存储数据信息是接收到的本次数据信息的前一次数据信息，所述预设沉降值是指根据接收到的本次数据信息与预设已存储数据信息作差得到的本次沉降值；还可以将所述本次沉降值与预设已存储累计沉降值相加，作为本次累计沉降值。

该水底土体沉降监测方法的工作原理是：通过在上位机4中设置监测时间和监测周期，控制测量仪1开始测量工作，测量仪1向目标标靶2发出第一光信号，接收目标标靶2反射的第一反射光信号，向后视标靶3发出第二光信号，接收后视标靶3反射的第二反射光信号，并将接收到的第一光信号和第二光信号转换成数据信息上传给上位机4；上位机4接收测量仪1传送的数据信息，计算本次数据信息与预设已存储数据信息的差值，得到本次沉降值，将本次沉降值与预设已存储累计沉降值相加，作为本次累计沉降值。

本实施例的技术方案，通过使用钢管将水底的沉降反映到水面上，利用自动监测系统进行监测，解决了施工过程中低精度、低实时性的问题，实现了水底土体沉降实时反馈，便于及时调整施工参数，提高监测数据的精度级别的效果。

图4是本发明实施例三中的一种水底土体沉降监测方法的监测基点平面示意图，例如，盾构穿越秦淮河段，拟设置水底监测点9排27个，每排间距15m，监测点编号为A1、A2、A3～I1、I2、I3，其中，水底监测点为目标标靶2。

图5是本发明实施例三中的一种水底土体沉降监测方法的监测基点设置安装流程图，具体包括如下步骤：

步骤210、钻船7抛锚。

其中，所述钻船7为两艘船横排连接使用，用八根12m的15型工字钢横放在两船船面上，工字钢间距范围是0.9～1.1m，长度应超过两船并连后的外侧0.25～0.3m；

进一步的，在工字钢上铺设竹跳板，所述钻船7船底从工字钢两端用直径12.5mm的钢丝绳围箍固定，周围设固定栏杆8和栏绳9。

步骤220、钻孔10定位。

其中，水上所述钻孔10使用GPS双频接收机；

进一步的，针对现场穿越距离较短的情况，在河两岸预先使用全站定位盾构穿越的轴线点，两点间拉上浮漂，实现所述钻孔10的定位。

步骤230、定位后的所述钻孔10中下入保护套管12。

其中，所述保护套管12的内直径为168cm；

进一步的，为保持所述保护套管12的垂直度，在所述保护套管12柱下部设置定位绳，用水平尺校测并通过调整定位绳保证套管柱的垂直下入，进入河床1m左右。

步骤240、所述保护套管12中注浆11。

其中，使用钻孔注浆机通过所述保护套管12钻进，进入河床约3m后开始注水泥浆，采用前进式注所述浆11，深度约2m。

步骤250、起拔所述保护套管12。

其中，浆液注完后，拔起所述保护套管12，将注浆管留在水中，作为安装支撑结构5的底座。

步骤260、所述保护套管12拔出后起锚13，所述钻船7移至下一所述钻孔10的位置。

该水底土体沉降监测方法的监测基点设置安装的工作原理是：钻船7为两艘船横排连接使用，钻船7周围固定栏杆8和栏绳9，水中抛锚13用于固定钻船7；在河两岸预先使用全站定位盾构穿越的轴线点，以两点间拉上的浮漂定位钻孔10位置，在确定好的钻孔10位置下入保护套管12，使用钻孔注浆机11通过保护套管12进行注浆，浆液注完后，拔起保护套管12，将注浆完形成的支撑结构5留在水中，作为安装目标标靶2的底座，最后起锚13，钻船7移至下一钻孔位。

在上述技术方案的基础上，可选的，抛四口锚13，前八字、后八字锚13各两口，个别钻孔根据风力、风向与水流情况，可采取增加边锚13；这样设置的好处在于，保证钻进过程中钻船的稳固并利于对钻孔位的准确调整。

实施例四

图6为本发明实施例四提供的一种水底土体沉降监测方法的流程图，本实施例的技术方案在上述技术方案的基础上进一步细化，本实施例提供的监测方法包括：

步骤410、定位测量仪1的位置信息。

其中，测量仪1开始测量之前，还需定位测量仪1位置信息，以后视标靶3为基准点，通过上位机4控制测量仪1，向后视标靶3发送光信号，接收后视标靶3反射的光信号，将接收到的光信号转换成数据信息，上位机4接收并存储测量仪1传送的数据信息，通过多次测量计算测量仪1的位置信息。

步骤420、当到达预设监测时间，通过上位机4控制测量仪1开始测量监测点位置信息。

步骤430、通过测量仪1向目标标靶2发出第一光信号，接收所述目标标靶2反射的第一反射光信号，向所述后视标靶3发出第二光信号，接收所述后视标靶3反射的第二反射光信号。

步骤440、根据接收到的所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，确定本次数据信息，并传送给所述上位机4。

步骤450、通过所述上位机4根据接收到的所述本次数据信息和预设已存储数据信息，确定预设沉降值。

步骤460、判断是否符合本次累计沉降值超过10mm，或者相邻监测点之间的距离超过10cm，监测角度超过316°中的任意一种情况。

其中，根据上述沉降监测判定标准确定监测过程是否出现异常，上述沉降监测判定标准可根据待监测水底的深度进行调整。

步骤470、如果符合，则确定该监测点为异常点，上位机4发送重新测量指令至测量仪1，测量仪1对该异常点进行复测。

其中，所述监测点为目标标靶2。

步骤480、如果不符合，则该监测点不是异常点，测量仪1自动检测下一个监测点。

其中，如果所述异常点数量大于一个，则所述下一个监测点指的是该异常点之后的第一个异常点；如果所述异常点个数为一个，则所述下一个监测点为下个周期的第一个待监测点。

本实施例的技术方案，在测量仪开始测量之前，先定位测量仪的位置信息，通过多次测回计算出测量仪的坐标，减少单次测量位置信息中出现的误差，得到准确的测站点位置信息，提高监测精度；通过在一个循环周期结束后，对上位机记录的异常点进行复测，避免造成监测点的识别错误，施工人员能通过对监测数据的处理、分析，采取工程措施来控制水底地表下沉，确保水面交通顺畅、正常使用。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种水底土体沉降监测系统，其特征在于，包括：测量仪(1)、目标标靶(2)、后视标靶(3)、上位机(4)和支撑结构(5)；

所述测量仪(1)，与所述上位机(4)通信连接，用于向所述目标标靶(2)发出第一光信号，接收所述目标标靶(2)反射的第一反射光信号，向所述后视标靶(3)发出第二光信号，接收所述后视标靶(3)反射的第二反射光信号，根据接收到的所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，向所述上位机(4)发送本次数据信息；

所述上位机(4)用于向所述测量仪(1)发送测量控制指令，接收所述测量仪(1)传送的所述本次数据信息，根据所述本次数据信息与预设已存储数据信息，确定预设沉降值；

所述目标标靶(2)固定设置在所述支撑结构(5)的顶端，所述支撑结构(5)固定在待监测水底中，所述后视标靶(3)固定设置在待监测水底的岸边。

2.根据权利要求1所述的水底土体沉降监测系统，其特征在于，还包括供电设备(6)；

所述供电设备(6)分别连接所述测量仪(1)和所述上位机(4)，用于供电给所述测量仪(1)和所述上位机(4)。

3.根据权利要求1所述的水底土体沉降监测系统，其特征在于，所述目标标靶(2)为反射棱镜，所述后视标靶(3)为后视棱镜。

4.根据权利要求1所述的水底土体沉降监测系统，其特征在于，所述测量仪(1)为全自动化全站仪。

5.根据权利要求1所述的水底土体沉降监测系统，其特征在于，所述支撑结构(5)为空心圆柱形钢管。

6.一种水底土体沉降监测方法，其特征在于，包括：

当到达预设监测时间，通过上位机控制测量仪开始测量监测点位置信息；

通过测量仪向目标标靶发出第一光信号，接收所述目标标靶反射的第一反射光信号，向所述后视标靶发出第二光信号，接收所述后视标靶反射的第二反射光信号；

根据接收到的所述第一反射光信号和所述第二反射光信号，确定本次数据信息，并传送给所述上位机；

通过所述上位机根据接收到的所述本次数据信息和预设已存储数据信息，确定预设沉降值。

7.根据权利要求6所述的水底土体沉降监测方法，其特征在于，在所述通过上位机控制测量仪开始测量操作之前，还包括：

通过所述上位机设置预设监测时间。

8.根据权利要求7所述的水底土体沉降监测方法，其特征在于，在所述通过上位机控制测量仪开始测量监测点位置信息之前，还包括：

在每一监测周期开始前，后视标靶作为基准点，目标标靶作为监测点，通过所述测量仪进行多次测回计算测站点的位置信息。

9.根据权利要求6所述的水底土体沉降监测方法，其特征在于，所述通过所述上位机根据接收到的所述本次数据信息和预设已存储数据信息，确定预设沉降值，包括：

通过所述上位机计算所述本次数据信息与预设已存储数据信息的差值，得到本次沉降值；

将所述本次沉降值与预设已存储累计沉降值相加，作为本次累计沉降值。

10.根据权利要求6所述的水底土体沉降监测方法，其特征在于，在所述通过所述上位机根据接收到的所述本次数据信息和预设已存储数据信息，确定预设沉降值之后，还包括：

当通过所述上位机获取到所述本次累计沉降值超过10mm、相邻监测点之间的距离超过10cm以及监测角度超过中的任一种情况，确定监测过程出现异常；

通过所述上位机记录异常数据，监测周期结束后，所述上位机向所述测量仪发出重新测量指令；

所述测量仪根据接收到的所述重新测量指令进行重新测量，所述重新测量结束后，所述测量仪对下一个监测点进行测量，直到循环周期结束。