CN112461193A - 一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，拱顶沉降自动监测系统主要由显示模块、由FPGA构成的控制模块、无线收发模块、液压检测模块、储液模块、供电模块组成。储液模块及液压检测模块测量拱顶位移数据，通过无线收发模块传输给由FPGA构成的控制模块处理后由显示模块输出测量断面里程、瞬时沉降值、累计沉降值等信息。通过以上所有模块的配合，实现了一种具有实时监测，随挖随测功能的拱顶沉降自动监测系统。
Description
技术领域
本发明涉及隧道监控量测领域，具体涉及一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统。
背景技术
钻爆隧道在软弱围岩中一般采用分台阶的开挖方法，围岩受到多次扰动使隧道初次支护产生变形，影响施工安全。对隧道拱顶沉降进行实时监测，可以有效的了解围岩的动态变化，预测支护变形的发展趋势，指导施工计划，保障施工安全。
目前在隧道施工现场仍广泛使用精密水准仪挂尺测量及全站仪测量这两种方法。这两种测量方法存在以下共同缺点：对测量人员数量需求较高，一个测量班组至少需要2人，一条隧道至少需要2个测量班组，若遇上地质条件较差，隧道变形较大时，需要提高测量频率，则需安排更多的测量人员。同时精密水准仪挂尺测量还存在挂尺困难，占用施工通道的问题。而全站仪测量存在对点时间长，对点误差大等缺点。
近来有使用布置激光基准点测量拱顶沉降的全自动测量系统出现。但是此系统存在局限性，主要如下：
1、激光基准点在施工中容易被扰动。隧道施工中，施工车辆的车辆振动，爆破冲击波，会使激光基准点发生位移使测量结果出现巨大的误差。
2、洞内扬尘很大，特别是在爆破后出渣及喷射混凝土时，洞内可见度非常低，一般只有3到5米，会使激光无法穿透扬尘从而无法实现对拱顶下沉的实时测量。
综上所诉，现有监测方法在实时监测上存在局限性，且无法用于对开挖施工面拱顶沉降的监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统。拱顶沉降自动监测系统主要由显示模块、由FPGA构成的控制模块、无线收发模块、液压检测模块、储液模块、供电模块组成。储液模块及液压检测模块测量拱顶位移数据，通过无线收发模块传输给由FPGA构成的控制模块处理后由显示模块输出测量断面里程、瞬时沉降值、累计沉降值等信息。
为解决上述问题和实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：
1、储液模块与液压检测模块相连。液压检测模块测量出压强并把压强值转化为电信号。当拱顶沉降时，储液模块的液面高度发生变化，液压检测模块便可检测到不同的压强值。
2、供电模块安装有大容量的蓄电池，为无线收发模块及液压检测模块供电，并通过人工充电的方式实现系统的持续运行。
3、无线收发模块把液压检测模块得到的液压值和供电模块的电量值传输给由FPGA构成的控制模块。
4、由FPGA构成的控制模块把接收到的压强数据进行处理，得到拱顶沉降的位移信息连同电量信息传输给显示模块，从而使施工人员了解围岩的动态变化，预测支护变形的发展趋势。
本发明具备以下有益效果：
1、本发明通过液压的方式测量拱顶沉降，有效避免了洞内扬尘对测量的干扰。同时使用喷射混凝土对储液模块进行覆盖，使其免受爆破冲击对模块的损害，真正实现了实时监测，随挖随测的功能。且有效减少人员投入，提高了测量频率及测量精度。并能够在分台阶开挖第一阶段就可以进行监测，给与施工指导(包括台阶长度，二次衬砌施作进度等)。
2、本发明通过供电模块供电，省去了电缆线的布置，节约了成本，且避免了电缆线在施工中易破损漏电的缺点，带来了施工安全。
3、本发明通过由FPGA构成的控制模块，实现了多断面并行监测，实时监测的功能。同时由于FPGA多I/O接口的优势，还可以对本系统进行扩展升级，如添加收敛监测功能，施工事故报警功能等。
附图说明
图1为本发明基本框图；
图2为第一台阶监测模块布置示意图；
图3为由FPGA构成的控制模块基本框图；
图4为无线发送模块及电源模块示意图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的作完整的、清晰的说明：
如图1所示为本发明的结构示意图，拱顶沉降自动检测系统由储液模块、液压检测模块、供电模块、无线收发模块、由FPGA构成的控制模块及显示模块构成。
储液模块由储液罐与液体管道构成。其中储液罐通过在初次支护的钢拱架顶部旁设置平台的方式对进行安装固定，然后使用PE管作为液体管道(注：液体管道及管道与储液罐的连接口要有良好的气密性，测量液体可以使用防冻液)顺着钢拱架进行布置，一端在拱顶处与储液罐相连，另一端在拱脚处与液压检测模块相连，如图2所示。最后通过喷射混凝土将储液模块遮盖(注：喷射混凝土在平台部分设预留口，以便在二次衬砌施做前取出储液模块)，可以有效抵消爆破冲击波对储液模块的损坏。
液压检测模块主要是压力传感器。压力传感器直接测量出压强并把压强值转化为模拟的电信号，然后传输给无线发送模块。
如图4所示，无线发送模块与供电模块整合在一起。施工人员通过充电接口及充电模块对蓄电池进行充电，然后通过整流模块为液压检测模块、AD模块、无线模块及电量检测模块提供稳定的电源。AD模块通过AD芯片把液压检测模块传来的模拟信号转化为数字信号后传输给无线发送模块。电量检测模块能够检测蓄电池的电量，以便施工人员及时对监测模块充电，防止因断电而造成测量误差。最后由坚硬的外壳封装后把该模块固定在拱璧上，如图2所示，其高度可随台阶开挖进行调整，以便施工人员对该模块进行充电维护。
如图3所示为由FPGA构成的控制模块基本框图，无线接收模块接收到信号后传输给FPGA，由FPGA预载的程序对信号进行处理(原理：P＝ρ*g*H，液体密度ρ及重力加速度g已知，通过初次测得的压强P1可以求得H1再通过拱顶下降后的P2求得H2，下降量则为H1-H2)后存入数据存储模块并在显示模块中显示。由于FPGA在多通道并行的优势，增加无线接收模块的数量可以实现对多个断面的实时监测。通过键盘控制模块则可以控制FPGA输出不同断面的沉降数据。
Claims (7)
1.一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：由FPGA构成的控制模块、显示模块、无线收发模块、液压检测模块、储液模块、供电模块组成；储液模块及液压检测模块测量拱顶位移数据，液压检测模块通过无线发送模块、无线接收模块传输给由FPGA构成的控制模块处理后由显示模块输出测量断面里程、瞬时沉降值、累计沉降值信息；供电模块分别与液压检测模块和无线发送模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：由FPGA构成的控制模块是整个拱顶沉降自动监测系统的处理核心，通过此模块处理各个断面的拱顶沉降数据，并能控制显示模块，具有数据计算、存储和控制的功能；无线接收模块接收到信号后传输给FPGA，由FPGA预载的程序对信号进行处理后存入数据存储模块并在显示模块中显示；由于FPGA在多通道并行的优势，增加无线接收模块的数量可以实现对多个断面的实时监测；通过键盘控制模块则控制FPGA输出不同断面的沉降数据。
3.根据权利要求1所述的一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：显示模块能够显示测量断面里程、瞬时沉降值、累计沉降值、沉降速度、是否收敛及供电模块的剩余电量。
4.根据权利要求1所述的一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：无线发送模块和无线接收模块能够发送与接收数据信号，并具有较强的抗干扰能力。
5.根据权利要求1所述的一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：液压检测模块通过压力传感器能够精确的检测出液压值并能够转化为模拟电信号。
6.根据权利要求1所述的一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：储液模块通过喷射混凝土遮蔽，具有抗冲击，不易损毁的性能；并且有良好的气密性，能够对微小的位移量做出反应。
7.根据权利要求1所述的一种钻爆隧道分台阶开挖拱顶沉降自动监测系统，其特征在于：供电模块能够实现快速充电且反馈剩余电量，并将波动性的直流电压变成稳定直流电压，从而对无线收发模块及液压检测模块进行稳压供电。
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