CN112556600A - 一种隧道形变实时监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种隧道形变实时监测方法及装置，监测方法包括：S1、在需要监测的隧道结构不稳定区域架设多个结构光光源，并且，在隧道结构相对稳定区域架设监测终端，监测终端可与多个结构光光源通信；S2、监测终端观测隧道结构不稳定区域内的所有结构光，并实时获取结构光曲线；S3、数据处理单元分析结构光成像变化，实时检测隧道形变程度及偏移距离，监测隧道单截面沉降、收敛、以及多截面整体沉降等病害。本发明能适用于在建隧道和运营隧道，其监测点密集，能实时监测隧道的形变。

Description

一种隧道形变实时监测方法及装置
技术领域
本发明涉及隧道结构形变监测领域，具体涉及一种隧道形变实时监测方法及装置。
背景技术
在建隧道的掘进方式主要有爆破和盾构两种方式。盾构方式主要用于地铁隧道建设，刀盘掘进、运渣、贴管片、铺设轨道同时进行，结构相对稳定，成本较高。爆破方式主要用于高铁隧道建设，先在掌子面进行爆破，爆破后立工字钢梁并浇筑水泥成为初支区域。初支区域的变形速率较大，极易发生隧道沉降、收敛等灾害，需要实时监测形变。初支区域之后会浇筑水泥形成永久隧道结构，称之为仰拱闭合区域和二衬区域，此区域之后结构属于相对稳定区域，完成二次衬砌后隧道结构基本稳定。
目前在建隧道结构形变监测通常使用全站仪进行测量。在建隧道掘进时，需要在隧道顶部通过人工安装方式，以固定间隔安装多个反光棱镜(通常为3～7个)，反光棱镜安装不方便，且有一定的施工安全隐患。在检测时，需停止施工并使用全站仪进行人工监测，每次检测间隔一般为2到4小时，这种检测方式费时费力，且耽误施工进度。
另外，上述现行的全站仪监测方法，在每一段隧道只能监测3到7个点，非常稀疏，并且监测形变时间间隔比较长，如果在监测窗口期发生灾害事故，则无法有效预警。
对于运营隧道，通常采用运动检测车的方式，在检测车上部署结构光源和图像传感器，但这种检测方式无法在采用爆破方式的在建隧道中使用，而且检测周期长，非实时检测。
因此，急需研发一种隧道结构形变监测方法，能够同时可以在运营隧道和在建隧道中方便部署，不需要在隧道顶部安装设备，并能够实时不中断地监测隧道结构形变，加大监测密度和频次。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明旨在提出一种隧道形变实时监测方法及装置，其既能在在建隧道施工期间，又能在运营隧道期间实时地监测隧道形变。
为实现上述目的，本发明的隧道形变实时监测方法，包括如下步骤：
S1、在需要监测的隧道结构不稳定区域架设多个结构光光源，并且，在隧道结构相对稳定的二衬区域架设监测终端，监测终端与多个结构光光源通信；
S2、监测终端观测隧道结构不稳定区域内的所有结构光，并实时获取结构光曲线；
S3、数据处理单元分析结构光成像变化，实时检测隧道形变程度及偏移距离，监测隧道单截面沉降、收敛、以及多截面整体沉降病害。
在其中一种实施方式中，步骤S3包括如下步骤：
S31、数据处理单元利用图像识别模块定位结构光区域及其边缘；
S32、数据处理单元提取结构光曲线的中心线；
S33、数据处理单元自动或手动更新由中心线形成的基准线；
S34、数据处理单元检测隧道结构状态，判断是否发生隧道单截面沉降、收敛、或者多截面整体沉降灾害。
在其中一种实施方式中，在步骤S34中，数据处理单元检测隧道结构状态的方法包括：
S341、划分隧道壁区间，分为左右侧壁和拱顶部分，左右侧壁检测横向和纵向位移，拱顶检测纵向位移；
S342、将实时结构光曲线中心线与基准线进行匹配，采用差值计算算法，比较掩码图不同区间基准线前后像素偏差，逐个比较像素横向或纵向位移变化，以最大偏差作为检测结果；
S343、采用组合线差异算法检测隧道多截面整体沉降，结合隧道前后多条结构光曲线中心线匹配结构，多条整体下移即为隧道多截面整体沉降病害；
S344、沉降量空间映射，通过像素量化将像素位移转换为空间偏移距离，获得实际沉降量，并根据位移方向确定病害类型。
本发明还提出一种实施上述的隧道形变实时监测方法的监测装置，包括多个结构光光源和一台监测终端，多个结构光光源架设在隧道结构不稳定区域；监测终端架设在隧道结构相对稳定区域，其与多个结构光光源通信，并控制多个结构光光源，监测终端包括数据处理单元和多个图像传感器。
在其中一种实施方式中，结构光光源为多波段光源，检测终端能感知多波段光源，多波段光源的测量结果综合分析得到最终测量结果。
在其中一种实施方式中，结构光光源内置传感器，用于检测自身是否被撞击，当检测到被撞击时，结构光光源自动重新调整结构光的基准曲线。
有益效果：
本发明的隧道形变实时监测方法及装置基于改进结构光机器视觉技术，在被监测区域侧壁安装多个结构光光源，以及在相对稳定区域安装监测终端，监测终端的图像传感器检测被监测区域中隧道内壁上的结构光形状的实时变化，从而监测隧道顶部沉降、两侧收敛、局部沉降、整体沉降、围岩失稳等灾害。本发明不仅可以在在建隧道施工期间进行实时隧道形变监测，也可以在运营隧道中实时监测隧道形变，本发明无需在隧道顶部安装设备，其可以取代在建隧道常用的全站仪监测方法，具有监测点密集、系统自动运行、实时监测的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。
图1是本发明首选实施方式的隧道形变实时监测装置的示意图。
图2是隧道形变实时监测方法对隧道壁进行区间划分的示意图。
图3是隧道形变实时监测方法检测隧道结构状态的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明首选实施方式的隧道形变实时监测装置包括多个结构光光源1和一台监测终端2。
多个结构光光源1架设在需要监测的掌子面、初支区域，这些区域统称为监测区域或不稳定区域D1。优选地，多个结构光光源1等间距布置。结构光光源1为多波段光源，同时，监测终端2具备多波段光源感知功能，多波段光源的测量结果综合分析得到最终测量结果。结构光光源1自带靶标，监测终端2通过观测靶标获得每个光源自身的位置变化（沉降或收敛）。靶标优选为十字自发光红外光源。结构光光源1内置传感器，用于检测自身是否被撞击，当检测到被撞击时，结构光光源1配合监测终端2自动重新调整结构光的基准曲线。
监测终端2架设在仰拱闭合区域或二衬区域D2，也即稳定区域。监测终端2通过无线或者有线的方式与多个结构光光源1通信，并根据检测需求和现场环境，控制结构光光源1间隔开启。结构光光源1可以通过有线供电或者自带电池供电。监测终端1包括数据处理单元和多个图像传感器，优选采用两个图像传感器，一个图像传感器面向监测区域D1，另一个图像传感器面向二衬区域D2。
在其他实施方式中，在二衬区域D2也可以架设多个结构光光源1，监测终端2通过面向二衬区域D2的图像传感器监测二衬区域的多个结构光光源。通过监测在二衬区域D2的多个结构光位移变化，可以获得监测终端2自身是否发生沉降或收敛，并校正在不稳定区域的多个结构光1的位移量。
上述隧道形变实时监测装置的监测方法，包括如下步骤：
S1、在需要监测的隧道结构不稳定区域架设多个结构光光源，并且，在隧道结构相对稳定的二衬区域架设一台监测终端，监测终端与多个结构光光源通信；
优选地，结构光光源安装在隧道侧壁底部。
S2、监测终端观测隧道结构不稳定区域内的所有结构光L0，并实时获取结构光曲线；
S3、数据处理单元分析结构光成像变化，实时检测隧道形变程度及偏移距离，监测隧道单截面沉降、收敛、以及多截面整体沉降等病害。
具体地，上述步骤S3包括如下步骤：
S31、数据处理单元利用图像识别模块定位结构光区域及其边缘，
优选地，数据处理单元通过自适应阈值处理方式定位结构光区域，利用深度学习分割网络识别区域内结构光的边缘，分割网络优选采用语义分割模型。
S32、数据处理单元提取结构光曲线的中心线，
优选地，数据处理单元采用光条纹几何分布特征提取算法，通过边缘检测区分光条纹上下两条边缘，中心线为两条边缘列坐标均值，边缘检测优选采用邻域法。
S33、数据处理单元自动或手动更新由中心线形成的基准线，
具体地，数据处理单元包括隧道结构基准线设置模块，通过采集隧道正常结构下结构光曲线的中心线，保存掩码图，进行更新。
S34、数据处理单元检测隧道结构状态，判断是否发生隧道单截面沉降、收敛、或者多截面整体沉降等病害。
优选地，上述步骤S3还包括：数据处理单元定位结构光光源的靶标，计算X方向和Y方向的像素分辨率，获得像素对应实际空间的距离，定位优先采用深度学习网络语义分割模型。
具体地，上述步骤S34数据处理单元检测隧道结构状态的方法包括：
S341、划分隧道壁区间，如图2所示，将隧道壁分为左侧壁d1、右侧壁d2、和拱顶部分d3，左右侧壁主要检测横向和纵向位移，拱顶主要检测纵向位移；
S342、如图3所示，将实时结构光曲线中心线L2与基准线L1进行匹配，采用差值计算算法，比较掩码图不同区间基准线前后像素偏差，逐个比较像素横向或纵向位移变化，以最大偏差作为检测结果；
S343、采用组合线差异算法检测隧道多截面整体沉降，结合隧道前后多条结构光曲线中心线匹配结构，多条整体下移即为隧道多截面整体沉降病害；
S344、沉降量空间映射，通过像素量化将像素位移转换为空间偏移距离，获得实际沉降及收敛量，并根据位移方向确定病害类型。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (6)

1.一种隧道形变实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在需要监测的隧道结构不稳定区域架设多个结构光光源，并且，在隧道结构相对稳定的二衬区域架设监测终端，所述监测终端与所述多个结构光光源通信；
S2、所述监测终端观测隧道结构不稳定区域内的所有结构光，并实时获取结构光曲线；
S3、数据处理单元分析结构光成像变化，实时检测隧道形变程度及偏移距离，监测隧道单截面沉降、收敛、以及多截面整体沉降病害。
2.根据权利要求1所述的隧道形变实时监测方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、数据处理单元利用图像识别模块定位结构光区域及其边缘；
S32、数据处理单元提取结构光曲线的中心线；
S33、数据处理单元自动或手动更新由所述中心线形成的基准线；
S34、数据处理单元检测隧道结构状态，判断是否发生隧道单截面沉降、收敛、或者多截面整体沉降灾害。
3.根据权利要求2所述的隧道形变实时监测方法，其特征在于，在所述步骤S34中，所述数据处理单元检测隧道结构状态的方法包括：
S341、划分隧道壁区间，分为左右侧壁和拱顶部分，左右侧壁检测横向和纵向位移，拱顶检测纵向位移；
S342、将实时结构光曲线中心线与基准线进行匹配，分析像素位移变化；
S343、检测隧道多截面整体沉降，结合隧道前后多条结构光曲线中心线匹配结构，多条整体下移即为隧道多截面整体沉降病害；
S344、沉降量空间映射，通过像素量化将像素位移转换为空间偏移距离，获得实际沉降及收敛量，并根据位移方向确定病害类型。
4.一种实施如权利要求1所述的隧道形变实时监测方法的监测装置，其特征在于，包括多个结构光光源和一台监测终端，
所述多个结构光光源架设在隧道结构不稳定区域；
所述监测终端架设在隧道结构相对稳定区域，其与所述多个结构光光源通信，并控制所述多个结构光光源，所述监测终端包括数据处理单元和多个图像传感器。
5.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，所述结构光光源为多波段光源，监测终端能感知多波段光源，多波段光源的测量结果综合分析得到最终测量结果。
6.根据权利要求4所述的监测装置，其特征在于，所述结构光光源内置传感器，用于检测自身是否被撞击，当检测到被撞击时，所述结构光光源自动重新调整结构光的基准曲线。
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Denomination of invention: A real-time monitoring method and device for tunnel deformation

Effective date of registration: 20220510

Granted publication date: 20210518

Pledgee: Nanjing Zidong sub branch of Bank of Nanjing Co.,Ltd.

Pledgor: Nanjing Paiguang Intelligence Perception Information Technology Co.,Ltd.

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