CN114086967A - 一种地铁隧道防开挖振动监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地铁隧道防开挖振动监测方法，首先沿地铁线路方向埋设一组振动监测仪；振动监测仪进行振动信号采集，利用多传感器定位技术对发生振动的位置进行定位，同时还结合地铁线路图和二维地图，将二维地图进行网格化，形成地铁线路网格坐标图，并基于地铁线路网格坐标图进一步生成防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围。能够针对监测到的不同的振动信号进行智能分析，并确定是否发出警报以及所发出的警报等级，避免误报和漏报，极大的降低了地铁安全运维人员的巡查强度，避免地铁隧道开挖事故发生。

Description

一种地铁隧道防开挖振动监测方法
技术领域
本发明涉及一种地铁隧道防开挖振动监测方法，属于地铁巡护技术领域。
背景技术
地铁是在城市中修建的快速、大运量、用电力牵引的轨道交通，在城市发展中扮演着重要角色。列车在全封闭的线路上运行，尤其位于中心城区的线路基本设在地下隧道内，地铁是一种涵盖了城市地区各种地下的路权专有、高密度、高运量的城市轨道交通系统。对于建设中和已完工的地铁隧道，需要进行巡护。目前的地铁巡护工作，完全由人力开展，由巡护人员定期地在地铁控制保护区内，沿地铁线路进行巡视，阻止施工对地铁隧道造成的影响。然而，随着城市化进程，地铁在城市地区各种地下密度越来越高，布网越来越复杂，截至2020年12月31日，中国内地已开通地铁6302.79公里，并仍然存在着建设中的地铁城市，这给巡护工作带来越来越繁重的压力，仅仅依靠人员定期巡护无法达到防护效果。
2014年8月，由于工程队在进行勘探作业时前期资料准备不足，不慎将正在运营的广州地铁五号线隧道顶部钻穿，造成列车通行受阻，出现长达3个多小时的严重延误，部分区间采取公交接驳方式运营应急，但因接驳巴士运力不足，还引发沿线地面路段大塞车。地铁后续维修施工更是耗费时间和资金。
除了已报备的施工可能因失误对现有地铁隧道带来影响，还存在恶意非法开挖，如某些地产物业在地下私自扩建停车场以谋私利，隐蔽性强，传统的巡护方式难以察觉，更缺乏城市既有地铁线路布图，危害性大。
因此，亟需一种监测方法取代传统的人工巡视方式，能够全方位无死角实时对地铁控制保护区进行巡护，及时上报异常施工。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种地铁隧道防开挖振动监测方法，通过沿地铁线路布设的廉价的振动监测仪采集振动信号，利用多传感器定位技术对发生振动的位置进行定位，同时进行位置比对，从而自动判断是否发出报警信号以及警报等级，大幅提高了地铁隧道区域异常施工的排查力度，能够及时上报报警信息，避免事故发生。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种地铁隧道防开挖振动监测方法，包括以下步骤：
S1、沿地铁线路方向埋设一组自供电三轴向振动监测仪，振动监测仪内置定位模块，可通过附近的基站进行定位，振动监测仪的间距为不小于100米，振动监测仪的振动监测范围覆盖地铁隧道沿线全部区域；
S2、结合地铁线路图和二维地图，将二维地图进行网格化，形成地铁线路网格坐标图，同时结合地铁隧道以及地铁站点的实际布局，在地铁线路网格坐标图中确定防开挖核心区域的坐标范围，同时在防开挖核心区域的坐标范围相邻的区域，设置防开挖警戒区域，将上述防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围录入地铁防开挖振动监测软件平台中；
S3、依次对振动监测仪进行编号，在地铁线路网格坐标图标记出全部的振动监测仪的网格位置，并在地铁防开挖振动监测软件平台中存储振动监测仪的编号以及与编号对应的振动监测仪布设位置的网格坐标数据；
S4、在地铁线路网格坐标图中将已报备的施工信息中的施工区域范围转化为坐标范围，同时在地铁防开挖振动监测软件平台中录入已报备施工信息的坐标范围、施工时段，并进行实时的更新；
S5、振动监测仪进行振动信号采集，将采集到的振动信号传输至地铁防开挖振动监测软件平台；地铁防开挖振动监测软件平台中根据多个振动监测仪同时采集到的振动信号进行分析计算，确定振动发生的位置坐标范围以及振动发生的时刻；
S6、地铁防开挖振动监测软件平台根据振动发生的位置坐标与防开挖核心区域的坐标范围、防开挖警戒区域的坐标范围以及已报备施工信息的坐标范围进行比对，根据比对结果判断警报等级，具体为：
若振动发生的位置坐标不在防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围内，则不发出警报；
若振动发生的位置坐标在防开挖警戒区域的坐标范围内，且同时位于已报备施工信息的坐标范围内，则进一步比对振动发生的时刻是否在已报备施工信息的施工时段内，若位于施工时段内，则不发出警报；若不位于施工时段内，则向报警模块发送警戒信号；
若振动发生的位置坐标在防开挖警戒区域的坐标范围内，且不位于已报备施工信息的坐标范围内，则向报警模块发送警戒信号；
若振动发生的位置坐标在防开挖核心区域的坐标范围内，则向报警模块发送紧急报警信号；
S7、地铁工作人员收到警戒信号后，派专人去振动发生的位置巡查处置；若地铁工作人员收到紧急报警信号，则直接报警并派专人去振动发生的位置巡查处置。
步骤S1中，振动监测仪埋设在地铁沿线正上方路面区域设置的警示标示柱或警示标识牌的下方，并保证设置的振动监测设备用混凝土水平埋设于地表以下；所述振动监测仪动态范围优于60dB。
作为优选，步骤S5中，振动监测仪以交替的休眠方式和唤醒方式进行振动信号采集：休眠方式下，振动监测仪以不高于6Hz的采样率进行振动信号采集，CPU中控模块和通信模块处于休眠状态；唤醒方式下，振动监测仪以不低于100Hz的采样率进行振动信号采集，激活CPU中控模块和通信模块，通过通信模块传输至地铁防开挖振动监测软件平台。
作为优选，休眠方式和唤醒方式之间采用定时切换，或者采用动态切换；若采用定时切换，则预先设置休眠方式和唤醒方式的工作时间；若采用动态切换，则预先设置振动监测仪的采集阈值，当休眠方式下振动监测仪采集到超过阈值的振动信号时，进入唤醒方式。
作为优选，步骤S5具体包括以下过程：
S5.1、CPU中控模块提取振动信号的波形特征，将振动信号的波形特征通过无线通信模块发送至地铁防开挖振动监测软件平台，与地铁防开挖振动监测软件平台中存储的施工振动波形特征进行比对，确认振动信号是否属于施工振动，若确认，则进入步骤S5.2；
S5.2、根据多个振动监测仪所同时采集到的振动信号，计算出振动发生的位置距离各个采集到的该振动信号的振动监测仪的距离，并进一步计算出振动发生的位置在地铁线路网格坐标图上的坐标。
作为优选，步骤S5.1所述的地铁防开挖振动监测软件平台中存储的施工震动波形特征为在各个工地预先采集的振动特征数据。
作为优选，步骤S5.1中，振动监测仪通过NB-IoT通信模块将振动信号传输至地铁防开挖振动监测软件平台。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
（1）本发明提供的一种地铁隧道防开挖振动监测方法中结合地铁线路图和二维地图，将二维地图进行网格化，形成地铁线路网格坐标图，并基于地铁线路网格坐标图进一步生成防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围，同时还可以兼具已报备施工信息的坐标范围，因此其智能化监测程度高，能够针对监测到的不同的振动信号进行智能分析，并确定是否发出警报以及所发出的警报等级，避免误报和漏报，极大的降低了地铁安全运维人员的巡查强度，避免地铁隧道开挖事故发生。
（2）本发明提供的一种地铁隧道防开挖振动监测方法可采用振动信号与已存储的施工振动波形特征对比方式判断振动信号是否属于施工振动（如地下钻探、地面凿击、等），从而筛除因非振动施工而导致的振动信号（如重型卡车行驶、附近建筑物爆破、拆除等），准确率高，能够避免误判。
（3）本发明提供的一种地铁隧道防开挖振动监测方法振动监测仪可埋设在地铁沿线正上方路面区域设置的警示标示柱或警示标识牌的下方，不必在地铁中设置，易于后期维护和调试，实用性强。
（4）本发明提供的一种地铁隧道防开挖振动监测方法可采用休眠和唤醒方式交替进行振动信号采集，减少耗电，降低维护；同时可采用定时切换和动态切换等多种方式切换休眠方式和唤醒方式，可操作性性强。
（5）本发明提供的一种地铁隧道防开挖振动监测方法中，通信模块可采用NB-IoT通信模块，具有高安全、广覆盖、低功耗、大连接、低成本的应用特点，不需要中心通信节点，能够适用于数据传输和后续设备升级维护的数据通信。
附图说明
图1为本发明实施例中所生成的地铁线路网格坐标图。
图2为地铁线路网格坐标图中防开挖核心区域、防开挖警戒区域以及已报备施工区域的示意图。
图3为本发明实施例地铁线路网格坐标图中通过振动监测仪所监测到的振动点示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本实施例中以武汉市轨道交通线路为例，对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例中针对地铁隧道防开挖振动监测方法，具体包括以下步骤：
1、沿地铁线路方向埋设一组自供电三轴向振动监测仪，振动监测仪内置定位模块，可通过附近的基站进行定位。振动监测仪的间距为100米，振动监测仪的振动监测范围理论上覆盖地铁隧道沿线全部区域；由于武汉市部分地铁线路为过江线路或高架线路，在过江隧道（或穿湖隧道）区域不需设置振动监测仪，同时在高架线路也不需要设置振动监测仪。所述振动监测仪动态范围优于60dB，振动监测仪埋设在地铁沿线正上方路面区域设置的警示标示柱或警示标识牌的下方，并保证设置的振动监测设备用混凝土水平埋设于地表以下。
2、结合地铁线路图和二维地图，将二维地图进行网格化，形成地铁线路网格坐标图，如图1所示，由于本专利中整体地铁线路网格坐标图过大，因此图1中仅展示了局部坐标图。同时结合地铁隧道以及地铁站点的实际布局，在地铁线路网格坐标图中确定防开挖核心区域的坐标范围，同时在防开挖核心区域的坐标范围相邻的区域，设置防开挖警戒区域，如图2所示，图2在图1提供的局部坐标图的基础上，标记出了防开挖核心区域以及防开挖警戒区域的坐标范围，其中防开挖核心区域的坐标范围为7号线徐家棚站的地下车站以及隧道，和8号线徐家棚站的地下车站以及隧道。将上述防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围录入地铁防开挖振动监测软件平台中。
3、依次对振动监测仪进行编号，在地铁线路网格坐标图标记出全部的振动监测仪的网格位置，并在地铁防开挖振动监测软件平台中存储振动监测仪的编号以及与编号对应的振动监测仪布设位置的网格坐标数据。
4、在地铁线路网格坐标图中将已报备的施工信息中的施工区域范围转化为坐标范围，同时在地铁防开挖振动监测软件平台中录入已报备施工信息的坐标范围、施工时段，并进行实时的更新；已报备施工信息的坐标范围如图2所示，在本实施例中，7号线徐家棚站和8号线徐家棚站为已开通运营线路，两个车站之间为5号线徐家棚站的地下车站施工区域，该施工信息已报备，且此已报备施工信息的坐标范围与防开挖警戒区域坐标范围存在重合。同时，由于该区域的附近存在大量的新修建小区/商业体，因此上述施工有可能会对地铁隧道的安全带来影响，需要重点监控。
5、在周边产生了振动信号时，振动监测仪进行振动信号采集，振动监测仪以交替的休眠方式和唤醒方式进行振动信号采集：休眠方式下，振动监测仪以不高于6Hz的采样率进行振动信号采集，CPU中控模块和通信模块处于休眠状态；唤醒方式下，振动监测仪以不低于100Hz的采样率进行振动信号采集，激活CPU中控模块和通信模块。休眠方式和唤醒方式之间采用定时切换或者采用动态切换；若采用定时切换，则预先设置休眠方式和唤醒方式的工作时间；若采用动态切换，则预先设置振动监测仪的采集阈值，当休眠方式下振动监测仪采集到超过阈值的振动信号时，进入唤醒方式。
CPU中控模块提取振动信号的波形特征，并通过NB-IoT通信模块将振动信号传输至地铁防开挖振动监测软件平台。所述的地铁防开挖振动监测软件平台中存储的施工震动波形特征为在各个工地预先采集的振动特征数据，地铁防开挖振动监测软件平台将收到的振动信号与存储的施工振动波形特征进行比对，确认振动信号是否属于施工振动，若确认，则进入下步骤；此处振动信号的比对确认采用本领域中的常规操作即可，本专利中不再详细阐述。
地铁防开挖振动监测软件平台根据多个振动监测仪所同时采集到的振动信号，计算出振动发生的位置距离各个采集到的该振动信号的振动监测仪的距离，并进一步计算出振动发生的位置在地铁线路网格坐标图上的坐标，从而确定振动发生的位置坐标范围以及振动发生的时刻。本实施例中，具体的振动位置计算方法可参照本领域中的现有定位算法，如中国发明专利CN20191004500.7一种基于多振动传感器的震源定位方法、中国发明专利CN201711455324.4一种基于振动波的定位方法及装置等，本实施例中不再详细阐述。
在本实施例中，通过多个振动监测仪在一段时间内的监测，最终先后确认了四处振动施工发生点，分别为A、B、C、D四处位置，见附图3中所标记的四处位置。
6、地铁防开挖振动监测软件平台根据振动发生的位置坐标与防开挖核心区域的坐标范围、防开挖警戒区域的坐标范围以及已报备施工信息的坐标范围进行比对，根据比对结果判断警报等级，具体为：
对于振动点A，经比对确认振动发生的位置坐标不在防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围内，不发出警报；
对于振动点B，经比对确认振动发生的位置坐标在防开挖警戒区域的坐标范围内，且同时位于已报备施工信息的坐标范围内，进一步比对振动发生的时刻是否在已报备施工信息的施工时段内，若位于施工时段内，则不发出警报；若不位于施工时段内，则向报警模块发送警戒信号；
对于振动点C，经比对确认振动发生的位置坐标在防开挖警戒区域的坐标范围内，且不位于已报备施工信息的坐标范围内，则向报警模块发送警戒信号；
对于振动点D，经比对确认振动发生的位置坐标在防开挖核心区域的坐标范围内，则向报警模块发送紧急报警信号。
7、地铁工作人员收到警戒信号后，派专人去振动发生的位置巡查处置；若地铁工作人员收到紧急报警信号，则直接报警并派专人去振动发生的位置巡查处置。

Claims (7)

1.一种地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、沿地铁线路方向埋设一组自供电三轴向振动监测仪，振动监测仪内置定位模块，可通过附近的基站进行定位；振动监测仪的间距为不小于100米，振动监测仪的振动监测范围覆盖地铁隧道沿线全部区域；
S2、结合地铁线路图和二维地图，将二维地图进行网格化，形成地铁线路网格坐标图，同时结合地铁隧道以及地铁站点的实际布局，在地铁线路网格坐标图中确定防开挖核心区域的坐标范围，同时在防开挖核心区域的坐标范围相邻的区域，设置防开挖警戒区域，将上述防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围录入地铁防开挖振动监测软件平台中；
S3、依次对振动监测仪进行编号，在地铁线路网格坐标图标记出全部的振动监测仪的网格位置，并在地铁防开挖振动监测软件平台中存储振动监测仪的编号以及与编号对应的振动监测仪布设位置的网格坐标数据；
S4、在地铁线路网格坐标图中将已报备的施工信息中的施工区域范围转化为坐标范围，同时在地铁防开挖振动监测软件平台中录入已报备施工信息的坐标范围、施工时段，并进行实时的更新；
S5、振动监测仪进行振动信号采集，将采集到的振动信号传输至地铁防开挖振动监测软件平台；地铁防开挖振动监测软件平台中根据多个振动监测仪同时采集到的振动信号进行分析计算，确定振动发生的位置坐标范围以及振动发生的时刻；
S6、地铁防开挖振动监测软件平台根据振动发生的位置坐标与防开挖核心区域的坐标范围、防开挖警戒区域的坐标范围以及已报备施工信息的坐标范围进行比对，根据比对结果判断警报等级，具体为：
若振动发生的位置坐标不在防开挖核心区域的坐标范围以及防开挖警戒区域的坐标范围内，则不发出警报；
若振动发生的位置坐标在防开挖警戒区域的坐标范围内，且同时位于已报备施工信息的坐标范围内，则进一步比对振动发生的时刻是否在已报备施工信息的施工时段内，若位于施工时段内，则不发出警报；若不位于施工时段内，则向报警模块发送警戒信号；
若振动发生的位置坐标在防开挖警戒区域的坐标范围内，且不位于已报备施工信息的坐标范围内，则向报警模块发送警戒信号；
若振动发生的位置坐标在防开挖核心区域的坐标范围内，则向报警模块发送紧急报警信号；
S7、地铁工作人员收到警戒信号后，派专人去振动发生的位置巡查处置；若地铁工作人员收到紧急报警信号，则直接报警并派专人去振动发生的位置巡查处置。
2.根据权利要求1所述的地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于：步骤S1中，振动监测仪埋设在地铁沿线正上方路面区域设置的警示标示柱或警示标识牌的下方，并保证设置的振动监测设备用混凝土水平埋设于地表以下；所述振动监测仪动态范围优于60dB。
3.根据权利要求1所述的地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于：步骤S5中，振动监测仪以交替的休眠方式和唤醒方式进行振动信号采集：休眠方式下，振动监测仪以不高于6Hz的采样率进行振动信号采集，CPU中控模块和通信模块处于休眠状态；唤醒方式下，振动监测仪以不低于100Hz的采样率进行振动信号采集，激活CPU中控模块和通信模块，通过通信模块传输至地铁防开挖振动监测软件平台。
4.根据权利要求3所述的地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于：休眠方式和唤醒方式之间采用定时切换，或者采用动态切换；若采用定时切换，则预先设置休眠方式和唤醒方式的工作时间；若采用动态切换，则预先设置振动监测仪的采集阈值，当休眠方式下振动监测仪采集到超过阈值的振动信号时，进入唤醒方式。
5.根据权利要求1所述的地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于：步骤S5具体包括以下过程：
S5.1、CPU中控模块提取振动信号的波形特征，将振动信号的波形特征通过无线通信模块发送至地铁防开挖振动监测软件平台，与地铁防开挖振动监测软件平台中存储的施工振动波形特征进行比对，确认振动信号是否属于施工振动，若确认，则进入步骤S5.2；
S5.2、根据多个振动监测仪所同时采集到的振动信号，计算出振动发生的位置距离各个采集到的该振动信号的振动监测仪的距离，并进一步计算出振动发生的位置在地铁线路网格坐标图上的坐标。
6.根据权利要求5所述的地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于：步骤S5.1所述的地铁防开挖振动监测软件平台中存储的施工震动波形特征为在各个工地预先采集的振动特征数据。
7.根据权利要求5所述的地铁隧道防开挖振动监测方法，其特征在于：步骤S5.1中，振动监测仪通过NB-IoT通信模块将振动信号传输至地铁防开挖振动监测软件平台。
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