CN113899344B - 一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统及方法，所述系统包括沉降测量模块、温度测量模块和数据采集模块，所述沉降测量模块分别与温度测量模块和数据采集模块相连接。所述方法首先在隧道内布设高精度沉降监测系统，随后利用环境修正模型和温度梯度模型获取修正量，利用沉降监测模块的测量数据和修正量，确定长大隧道高精度沉降监测数据。本发明的测试方法可在零下环境对隧道沉降进行精准监测，利用环境温度修正模型和温度梯度修正模型，可消除环境温度及温度梯度引起测试误差，测试的范围和应用范围面更广，同时大大提高隧道沉降监测的精度。

Description

一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统及方法
技术领域
本发明属于工程测量模拟领域，特别涉及一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统及方法。
背景技术
随着我国社会经济的发展和城市化进程的加快，高速铁路，大跨桥梁，超长隧道，高层建筑，综合管廊和大坝等国家重大基础工程日益增多，而重大基础工程本身及其基础的不均匀沉降或变形是失稳和事故的前兆。因此，精准测量各重大基础工程的沉降或变形可以为各建筑物的工程设计，施工及后期的全寿命周期健康监测提供科学依据。常见的沉降监测方法包括几何水准测量、三角高程测量、GPS测量、CCD光学成像测量、激光收敛测量、静力水准测量以及光纤光栅测量，几何水准测量和三角高程测量是最传统的沉降监测方式，前期成本投入较小且较为简单，但需要指出的是：这两种方法测量精度较低，受地形起伏的限制且难以实现数据化的实时监测功能。GPS测量对于平面定位精度已达到0.1～1×10-6，但是其高程测量精度仅有10-2量级，对于部分工程不能满足其沉降监测精度需求，且GPS的造价昂贵。CCD光学成像传感器、激光收敛传感器及光纤光栅传感器具有精度高，适应地形能力强，自动化程度高等优点，但搭建成本及后期运营维护费用都相对较高，且抗干扰性能较差。静力水准测量具有结构简单、精度高、稳定性强、受外界环境影响小和使用范围广等优点，被广泛的应用于地铁，桥梁，隧道，大坝及核电站等重大工程的沉陷监测。
静力水准测试系统(HLS)的基本原理为液体连通器原理：通过传感器测量不同位置处水准仪钵体内液面的相对变化，来确定各监测点相对于基点的沉降或隆起量。受其测试原理约束，影响HLS测试精度的因素主要包括：温度变化、压力差异、地球潮汐、重力异常等。其中地球潮汐和重力异常因素仅仅能在恒温情况下进行过滤，其影响效应在微米级，对于非精密工程，可以忽略不计。压力差因素可通过增设等压管方式消除其影响。
温度变化被认为是在实际沉降检测过程中最重要的影响因素，分析表明：温度不均匀会导致HLS系统中液体密度不均，从而导致测试误差的产生，温度和压强变化对HLS测试精度也有影响，并提出了考虑管材膨胀系数的温度修正模型。同时，通过在磁致式静力水准仪体内安装温度传感器，分析温度对HLS测试精度的影响，验证了温度修正模型的正确性；基于现场测试数据给出了适用于HLS测试系统的温度梯度模型，并对该模型的有效性进行验证。
综上可知，对于温度引起的HLS测试误差研究已有初步成果，但需要指出的是，现在的研究多只针对于单个HLS测点，且温度变化都集中在常规室温的个位数量级变化。而实际沉降监测中由于全年环境温度变化范围基本保持在-10～30℃，尤其在零下状态下，现有的温度修正模型都是基于水介质建立的，不再具有实际工程意义，且实际工程中HLS测点间距布置及管材具有一定差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统及方法，为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统，包括以下模块：
沉降测量模块，用于测量基准点与各测试点的沉降或隆起量；
温度测量模块，用于测试基准点与各测试点的温度变化量；
数据采集模块，用于采集沉降测量装置和温度测量装置的数据；
所述沉降测量模块分别与温度测量模块和数据采集模块相连接。
所述沉降测量模块包括压差式静力水准仪、储液罐、气体联通管、液体联通管，冷媒；
所述压差式静力水准仪设置在各基准点和测试点内，通过气体联通管与大气联通，并通过液体联通管与储液罐联通；
所述储液罐内设置冷媒；
各个基准点与测试点的压差式静力水准仪分别与数据采集模块相连接。
所述温度测量模块包括温度传感器，所述温度传感器分别尽可能靠近各个测量基准点与各测试点的压差式静力水准仪，获取实时的温度数据；所述温度传感器与数据采集模块相连接。
所述数据采集模块包括数据采集箱、屏蔽电缆线、开关电源；
所述数据采集箱用于采集沉降测量模块及温度测量模块的数据，屏蔽电缆线用于数据采集箱与各沉降测量模块和温度测量模块，开关电源用于转换电压。
一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，包括以下步骤：
步骤1、在长大隧道入口选取测量基准点，并在测量基准点布设沉降测量模块和温度测量模块；
沿隧道方向，隔一定距离，设置测点，直至测点布设到隧道出口，在测点处布设沉降测量模块和温度测量模块，同时确定各测点的测距；
将数据采集模块分别和布设沉降测量模块和温度测量模块相连接，运行沉降监测系统；
步骤2、利用环境温度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行环境温度修正，获取环境温度沉降量；
步骤3、将各测点与基站测得温度差异作为温度梯度，利用温度梯度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行温度梯度修正，获取获取环境温度梯度沉降量；
步骤4、将各测点的测试沉降量，减去环境温度影响沉降量和减去温度梯度影响沉降量，确定各测点真实沉降量；
步骤5、通过各测点的修正沉降数据与基站的对比，获取长大隧道高精度沉降监测数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明方法的测试系统基于成熟的设备产品搭建，布设简便，具有更好的经济效益及更高的测试精度；
(2)本发明的测试方法可在零下环境对隧道沉降进行精准监测，测试的范围和应用范围面更广；
(3)本发明的测试方法利用环境温度修正模型和温度梯度修正模型，可消除环境温度及温度梯度引起测试误差，提高沉降监测的精度。
附图说明
图1为本发明的高精度沉降监测系统布设示意图。
图2为本发明的高精度沉降监测方法的步骤流程图。
图3为本发明中用于构建环境温度修正模型的实验数据。
图4为本发明的用于构建温度梯度修正模型的实验数据。
具体实施方式
一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统，包括以下模块：
沉降测量模块，用于测量基准点与各测试点的沉降或隆起量；
温度测量模块，用于测试基准点与各测试点的温度变化量；
数据采集模块，用于采集沉降测量装置和温度测量装置的数据；
所述沉降测量模块分别与温度测量模块和数据采集模块相连接。
所述沉降测量模块包括压差式静力水准仪、储液罐、气体联通管、液体联通管，冷媒；
所述压差式静力水准仪设置在各基准点和测试点内，通过气体联通管与大气联通，并通过液体联通管与储液罐联通；
所述储液罐内设置冷媒；
各个基准点与测试点的压差式静力水准仪分别与数据采集模块相连接。
所述的压差式静力水准仪HLS，用于测量基准点与各测点的沉降或隆起量，其安全工作温度-50～65℃，压差范围0～512kPa，测试精度达到0.01mm。
进一步的，所述冷媒采用二甲基硅油，其作为冷媒介质的密度与水接近，有效工作温度范围为-60～160℃，膨胀系数为6.3×10-4，且在各工作温度范围内的膨胀系数基本为定值。
进一步的，所述气体联通管和液体联通管采用聚四氟乙烯管，用于将基准点、各测点处的压差式静力水准仪与大气压联通，以保证各HLS压差平衡。
所述温度测量模块包括温度传感器，所述温度传感器分别尽可能靠近各个测量基准点与各测试点的压差式静力水准仪，获取实时的温度数据；
所述温度传感器与数据采集模块相连接。
所述数据采集模块包括数据采集箱、屏蔽电缆线、开关电源；
所述数据采集箱用于采集沉降测量模块及温度测量模块的数据，屏蔽电缆线用于数据采集箱与各沉降测量模块和温度测量模块，开关电源用于转换电压。
所述数据采集箱可测振弦，差阻，电流，电压，电阻，数字量输出的传感器信号，适应于岩土工程场地气候环境正常工作。
结合图3，一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，包括以下步骤：
步骤1、在长大隧道入口选取沉降不敏感区作为测量基准点，并在测量基准点布设沉降测量模块和温度测量模块；
沿隧道方向，隔一定距离，设置测点，直至测点布设到隧道出口，在测点处布设沉降测量模块和温度测量模块，同时确定各测点的测距；
将数据采集模块分别和布设沉降测量模块和温度测量模块相连接，运行沉降监测系统；
步骤2、结合图3，利用环境温度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行环境温度修正，获取环境温度沉降量，具体为：
其中，ΔHE为环境温度对各测点沉降影响量，Dtest为各测点与基站的测距，ΔTE为环境温度变化量。
步骤3、结合图4，将各测点与基站测得温度差异作为温度梯度，利用温度梯度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行温度梯度修正，获取温度梯度沉降量，具体为：
其中，ΔHG为温度梯度对各测点沉降影响量，Dtest为各测点与基站的测距，ΔTG为温度梯度。
步骤4、将各测点的测试沉降量，减去环境温度影响沉降量和减去温度梯度影响沉降量，确定各测点真实沉降量，具体为：
Settrue＝Settest-ΔHE-ΔHG
其中，Settrue为各测点的消除温度效应影响的真实沉降量，Settest为各测点的压差式静力水准仪测试沉降量。
步骤5、通过各测点的修正沉降数据与基站的对比，获取长大隧道高精度沉降监测数据。
下面通过实施例对本发明做进一步的描述。
实施例
结合图1，一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测系统，包括以下模块：
沉降测量模块，用于测量基准点与各测试点的沉降或隆起量；
温度测量模块，用于测试基准点与各测试点的温度变化量；
数据采集模块，用于采集沉降测量装置和温度测量装置的数据；
所述沉降测量模块分别与温度测量模块和数据采集模块相连接。
所述沉降测量模块包括压差式静力水准仪、储液罐、气体联通管、液体联通管，冷媒；
所述压差式静力水准仪设置在各基准点和测试点内，通过气体联通管与大气联通，并通过液体联通管与储液罐联通；
所述储液罐内设置冷媒；
各个基准点与测试点的压差式静力水准仪分别与数据采集模块相连接。
所述的压差式静力水准仪HLS，用于测量基准点与各测点的沉降或隆起量，其安全工作温度-50～65℃，压差范围0～512kPa，测试精度达到0.01mm。
进一步的，所述冷媒采用二甲基硅油，其作为冷媒介质的密度与水接近，有效工作温度范围为-60～160℃，膨胀系数为6.3×10-4，且在各工作温度范围内的膨胀系数基本为定值。
进一步的，所述气体联通管和液体联通管采用聚四氟乙烯管，用于将基准点、各测点处的压差式静力水准仪与大气压联通，以保证各HLS压差平衡。
所述温度测量模块包括温度传感器，所述温度传感器分别尽可能靠近各个测量基准点与各测试点的压差式静力水准仪，获取实时的温度数据；
所述温度传感器与数据采集模块相连接。
所述数据采集模块包括数据采集箱、屏蔽电缆线、开关电源；
所述数据采集箱用于采集沉降测量模块及温度测量模块的数据，屏蔽电缆线用于数据采集箱与各沉降测量模块和温度测量模块，开关电源用于转换电压。
所述数据采集箱可测振弦，差阻，电流，电压，电阻，数字量输出的传感器信号，适应于岩土工程场地气候环境正常工作。
一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，包括以下步骤：
步骤1、在长大隧道入口选取沉降不敏感区作为测量基准点，并在测量基准点布设沉降测量模块和温度测量模块；
沿隧道方向，隔一定距离，设置测点，直至测点布设到隧道出口，在测点处布设沉降测量模块和温度测量模块，同时确定各测点的测距；
将数据采集模块分别和布设沉降测量模块和温度测量模块相连接，运行沉降监测系统；
步骤2、利用环境温度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行环境温度修正，获取环境温度沉降量，具体为：
其中，ΔHE为环境温度对各测点沉降影响量，Dtest为各测点与基站的测距，ΔTE为环境温度变化量。
步骤3、将各测点与基站测得温度差异作为温度梯度，利用温度梯度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行温度梯度修正，获取温度梯度沉降量，具体为：
其中，ΔHG为温度梯度对各测点沉降影响量，Dtest为各测点与基站的测距，ΔTG为温度梯度。
步骤4、将各测点的测试沉降量，减去环境温度影响沉降量和减去温度梯度影响沉降量，确定各测点真实沉降量，具体为：
Settrue＝Settest-ΔHE-ΔHG
其中，Settrue为各测点的消除温度效应影响的真实沉降量，Settest为各测点的压差式静力水准仪测试沉降量。
步骤5、通过各测点的修正沉降数据与基站的对比，获取长大隧道高精度沉降监测数据。
本发明的测试方法利用环境温度修正模型和温度梯度修正模型，可消除环境温度及温度梯度引起测试误差，提高沉降监测的精度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在长大隧道入口选取测量基准点，并在测量基准点布设沉降测量模块和温度测量模块；
沿隧道方向，隔一定距离，设置测点，直至测点布设到隧道出口，在测点处布设沉降测量模块和温度测量模块，同时确定各测点的测距；
将数据采集模块分别和布设沉降测量模块和温度测量模块相连接，运行沉降监测系统；
步骤2、利用环境温度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行环境温度修正，获取环境温度沉降量，具体为：
其中，ΔHE为环境温度对各测点沉降影响量，Dtest为各测点与基站的测距，ΔTE为环境温度变化量；
步骤3、将各测点与基站测得温度差异作为温度梯度，利用温度梯度修正模型，对整个测试系统的压差式静力水准仪测得的沉降量进行温度梯度修正，获取温度梯度沉降量，具体为：
其中，ΔHG为温度梯度对各测点沉降影响量，Dtest为各测点与基站的测距，ΔTG为温度梯度；
步骤4、将各测点的测试沉降量，减去环境温度影响沉降量和减去温度梯度影响沉降量，确定各测点真实沉降量；
步骤5、通过各测点的修正沉降数据与基站的对比，获取长大隧道高精度沉降监测数据；
其中，所述沉降测量模块，用于测量基准点与各测试点的沉降或隆起量；
温度测量模块，用于测试基准点与各测试点的温度变化量；
数据采集模块，用于采集沉降测量装置和温度测量装置的数据；
所述沉降测量模块分别与温度测量模块和数据采集模块相连接。
2.根据权利要求1所述的考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，所述步骤4中的确定各测点真实沉降量，具体为：
Settrue＝Settest-ΔHE-ΔHG
其中，Settrue为各测点的消除温度效应影响的真实沉降量，Settest为各测点的压差式静力水准仪测试沉降量。
3.根据权利要求1所述的考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，所述沉降测量模块包括压差式静力水准仪、储液罐、气体联通管、液体联通管，冷媒；
所述压差式静力水准仪设置在各基准点和测试点内，通过气体联通管与大气联通，并通过液体联通管与储液罐联通；
所述储液罐内设置冷媒；
各个基准点与测试点的压差式静力水准仪分别与数据采集模块相连接。
4.根据权利要求3所述的考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，所述温度测量模块包括温度传感器，所述温度传感器分别尽可能靠近各个测量基准点与各测试点的压差式静力水准仪，获取实时的温度数据；
所述温度传感器与数据采集模块相连接。
5.根据权利要求1所述的考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，所述数据采集模块包括数据采集箱、屏蔽电缆线、开关电源；
所述数据采集箱用于采集沉降测量模块及温度测量模块的数据，屏蔽电缆线用于数据采集箱与各沉降测量模块和温度测量模块，开关电源用于转换电压。
6.根据权利要求3所述的考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，所述冷媒采用二甲基硅油。
7.根据权利要求3所述的考虑温度效应的长大隧道高精度沉降监测方法，其特征在于，所述气体联通管和液体联通管采用聚四氟乙烯管。
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