CN114705160A - 基于柔性传感装置的隧道纵向变形监测系统、安装方法与沉降算法 - Google Patents

基于柔性传感装置的隧道纵向变形监测系统、安装方法与沉降算法 Download PDF

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CN114705160A CN202210370486.2A CN202210370486A CN114705160A CN 114705160 A CN114705160 A CN 114705160A CN 202210370486 A CN202210370486 A CN 202210370486A CN 114705160 A CN114705160 A CN 114705160A
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Abstract

本发明公开了基于柔性传感装置的隧道纵向变形监测系统、安装方法与沉降算法；所述隧道纵向变形监测系统包括若干节串联的测量单元与一个无线传输网关，所述安装方法包括在隧道衬砌上打孔或在隧道衬砌预埋槽上安装变形监测系统的支架和安装流程，所述沉降算法包括基于柔性传感装置内置倾角传感器的单节测量单元沉降监测算法和串联的若干节测量单元监测一定区段内的沉降算法。所述监测设备和算法成体系地为隧道纵向变形监测提供了一种无线、实时且区段上连续的监测手段，为隧道的建设和运营提供了一种有力的监测保障。

Description

基于柔性传感装置的隧道纵向变形监测系统、安装方法与沉 降算法
技术领域
本发明涉及隧道工程监测技术领域，尤其涉及基于柔性位移传感装置的隧道纵向沉降监测系统及其安装方法和沉降计算方法。
背景技术
传统的人工监测无法实现地铁运营时间段内的沉降监测，且精读较低、人力资源成本高，测量间隔时间长，难以实现对隧道连续沉降规律的提取和分析；静力水准仪测点一般离散布置以降低成本，难以实现测量连续沉降；机器人全站仪有着高昂的租赁或购买成本，且对电力供应有较高的要求，需在附近配置专门的供电箱或安装在现有配电箱附近，使得布设区段受到限制。上述现状皆为当前隧道沉降监测中的难点、痛点。
发明内容
本发明提供的基于柔性位移传感器的隧道纵向变形监测系统基于WSN无线传感网络和4G网络覆盖，最高监测频率达到1min，实现了实时、全天候的自动化监测；同时本发明提出与监测系统配套的安装方法与沉降监测方法。
技术方案如下：
基于柔性传感装置的隧道纵向变形监测系统，用于获得所监测区段内的连续的隧道纵向变形，其特征在于，包括若干节串联的测量单元1、一个无线传输网关2、远程基站；
组装N套至少由两个测量单元1串联的系统，称为不同的试验组；
其中：
所述测量单元1包括长细硬圆杆11和一端的内裹接线的橡胶质软接头12，另一端为插槽13，将前一测量单元的橡胶质软接头12插入后一测量单元的插槽13即可完成串联，所述长细硬圆杆11内置倾角传感器14，能感知测量单元1的空间姿态变化，并输出角传感器14本身内置的三轴坐标系与水平面的夹角测量值，以与长细硬圆杆11同方向的坐标轴与水平面的夹角测量值作为沉降监测算法的基础；
所述无线传输网关2固定在衬砌壁上，与串联的测量单元1在端部通过接线连接，并与远程基站通过4G网络连接，可实时采集并传输监测系统的数据至远程基站；
远程基站运行沉降监测算法，包括：
步骤1，首先基本原理是隧道纵向沉降带动串联的测量单元1发生空间姿态变化，测量单元1内置的倾角传感器捕捉这种姿态变化并表现为内置三轴坐标系与水平面的夹角测量值的变化，所述的内置三轴坐标系的y轴与测量单元1的长细硬圆杆11有相同的方向，记y轴与水平面相对于初始安装时刻的夹角变化值为
Figure BDA0003588423480000021
记长细硬圆杆11的长度Lr,根据
Figure BDA0003588423480000022
求得单根长细硬圆杆11两端的高差变化Δhr；
步骤2，接着基于若干串联的测量单元1建立，高差传递包括单根长细硬圆杆11两端的传递和相邻两根长细硬圆杆11端部的传递，而相邻两长细硬圆杆11之间由橡胶质软管12连接，将橡胶质软管12在高差传递中的作用等效为铰接作用，并通过标定实验确定铰点位置，记橡胶质软管12的长度为Ls，铰点距离前一长细硬圆杆11端部为Ls1，根据下式
Figure BDA0003588423480000023
求得串联的N节测量单元1由于软管的铰接作用实际用于沉降计算的第i根测量单元1的计算长度Li，用于提供给步骤3；
公式1中，Lr为长细硬圆杆的长度，Ls为橡胶质软管的长度，这两者都是由硬件厂商出厂即确定的；
Ls1为铰点距离，采用软管标定算法确定；
步骤3，最后所监测区段内的连续的隧道纵向变形可建立公式进行计算，记测量区间端部的沉降为y0，根据下式
Figure BDA0003588423480000031
其中，y0为测量区间端部的沉降，Li为第i根测量单元的计算长度，
Figure BDA0003588423480000032
为每根测量单元1内置倾角传感器14所测量的倾角值，xp为监测区间中沿隧道纵向的任意一点，且xp位于第k根测量单元1对应的区间中，
Figure BDA0003588423480000033
是第k根测量单元1的倾角值；
可求得监测区间内任意点xp的沉降值yp。
所述系统的安装方法包括在隧道衬砌上打孔或在隧道衬砌预埋槽上安装变形监测系统的支架3和配套的安装流程，所述支架3包括用于限位长细硬圆杆11的塑性夹31和固定塑性夹31于衬砌上的一字板32；所述沉降监测算法基于测量单元1的空间姿态变化，包括长细硬圆杆11的姿态变化对单根长细硬圆杆11两端部高差变化的影响和橡胶质软接头12的姿态变化对相邻两长细硬圆杆11的端部高差变化的影响；
所述橡胶质软接头12的姿态变化对相邻两长细硬圆杆11的端部高差变化的影响通过本发明提出的软管标定算法将其等效为铰接，并用实验数据拟合铰点位置，进而定量确定此影响大小。
一种监测系统的安装方法，其特征在于：包括在隧道衬砌上打孔安装和在隧道衬砌预埋槽上安装，当在衬砌上打孔安装监测系统时，首先根据测量单元1的长度确定孔间间距，用膨胀螺栓连接一字板32于钻孔处，确保每根长细硬圆杆11的中部对应着一个支架3，当在衬砌预埋槽上安装监测系统时，由于各预埋槽的相对位置固定，则需要根据预埋槽间距和测量单元1的长度设计串联的第一个测量单元1与首个预埋槽的相对位置，确保支架位置不与橡胶质软接头12对应。
进一步地，所述监测系统的安装方法，监测系统安装在隧道通长方向的一侧衬砌壁上，安装之前需探勘选定的监测区段的衬砌壁上沿通长方向没有线缆等遮挡物的安装位置，当在衬砌上打孔安装监测设备时，要确保各个孔在隧道通常方向上沿水平线分布，钻好孔后再安装支架3，当在衬砌预埋槽上安装监测设备时，要确保各支架3在隧道通长方向上沿水平线分布；安装好支架3后，将串联好的测量单元1依次安装在支架3的塑性夹31中。
一种沉降监测算法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，首先基本原理是隧道纵向沉降带动串联的测量单元1发生空间姿态变化，测量单元1内置的倾角传感器捕捉这种姿态变化并表现为内置三轴坐标系与水平面的夹角测量值的变化，所述的内置三轴坐标系的y轴与测量单元1的长细硬圆杆11有相同的方向，记y轴与水平面相对于初始安装时刻的夹角变化值为
Figure BDA0003588423480000041
记长细硬圆杆11的长度Lr,根据
Figure BDA0003588423480000042
求得单根长细硬圆杆11两端的高差变化Δhr；
步骤2，接着基于若干串联的测量单元1建立，高差传递包括单根长细硬圆杆11两端的传递和相邻两根长细硬圆杆11端部的传递，而相邻两长细硬圆杆11之间由橡胶质软管12连接，将橡胶质软管12在高差传递中的作用等效为铰接作用，并通过标定实验确定铰点位置，记橡胶质软管12的长度为Ls，铰点距离前一长细硬圆杆11端部为Ls1，根据下式
Figure BDA0003588423480000043
求得串联的N节测量单元1由于软管的铰接作用实际用于沉降计算的第i根测量单元1的计算长度Li，用于提供给步骤3；
公式1中，Lr为长细硬圆杆的长度，Ls为橡胶质软管的长度，这两者都是由硬件厂商出厂即确定的；
Ls1为铰点距离，采用软管标定算法确定；
步骤3，最后所监测区段内的连续的隧道纵向变形可建立公式进行计算，记测量区间端部的沉降为y0，根据下式
Figure BDA0003588423480000051
其中，y0为测量区间端部的沉降，Li为第i根测量单元的计算长度，
Figure BDA0003588423480000052
为每根测量单元1内置倾角传感器14所测量的倾角值，xp为监测区间中沿隧道纵向的任意一点，且xp位于第k根测量单元1对应的区间中，
Figure BDA0003588423480000053
是第k根测量单元1的倾角值；
可求得监测区间内任意点xp的沉降值yp。
进一步地，所述沉降监测算法，为了求得每根测量单元1的计算长度Li，采用软管标定算法给出；
进一步的，所述的软管标定算法具体为：
步骤1.1组装若干套至少由两个测量单元1串联的系统，称为不同的试验组，通过抬升装置改变各试验组中长细硬圆杆11在竖直平面内的姿态，记录橡胶质软接头12所连接的两相邻长细硬圆杆11端部的高差变化量，记为Δhs；
并记录相邻两测量单元1所测量的倾角值，记为
Figure BDA0003588423480000054
步骤1.2将软管等效为铰接，则可建立等式
Figure BDA0003588423480000055
根据若干组试验组的数据，标定、拟合，利用最小二乘法计算Ls1的值；
步骤1.3求得计算长度Li。
进一步地，所述沉降监测算法，所述步骤1.1中，Δhs是在标定过程中用更高精度的位移测量计(如千分表)直接测量所得到的；
Figure BDA0003588423480000056
通过传感器测量获得。
本发明有以下有益效果：
提出了一种基于柔性位移传感装置的隧道纵向变形监测系统与配套的安装方法和沉降监测方法，丰富了隧道纵向沉降测量的实时自动化监测的技术手段。
附图说明
图1为本发明提出的监测系统硬件构成的示意图；
图2为本发明提出的监测系统中橡胶质软管在测量单元发生姿态变化时等效为铰接作用的示意图；
图3为本发明提出的监测系统安装支架的示意图；
图4为本发明提出的监测系统在隧道衬砌壁上的安装效果图(图4a)与测量单元随纵向沉降发生姿态变化的示意图(图4b)。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出了一种基于柔性位移传感装置的隧道纵向变形监测系统，所述包括若干节串联的测量单元1和一个无线传输网关2，所述测量单元1包括长细硬圆杆11和一端的内裹接线的橡胶质软接头12，另一端为插槽13，将前一测量单元的橡胶质软接头12插入后一测量单元的插槽13即可完成串联，所述长细硬圆杆11内置倾角传感器14，能感知测量单元1的空间姿态变化，并输出角传感器14本身内置的三轴坐标系与水平面的夹角测量值，以与长细硬圆杆11同方向的坐标轴与水平面的夹角测量值作为沉降监测算法的基础；所述无线传输网关2固定在衬砌壁上，与串联的测量单元1在端部通过接线连接，并与远程基站通过4G网络连接，可实时采集并传输监测系统的数据至远程基站。
如图3与图4所示，本发明提出了一种安装方法，应用于本发明提出的监测系统，所述安装方法包括在隧道衬砌上打孔或在隧道衬砌预埋槽上安装变形监测系统的支架3和配套的安装流程，所述支架3包括用于限位长细硬圆杆11的塑性夹31和固定塑性夹31于衬砌上的一字板32，如图3所示。
具体地，监测系统的安装方法包括在隧道衬砌上打孔安装和在隧道衬砌预埋槽上安装，当在衬砌上打孔安装监测系统时，首先根据测量单元1的长度确定孔间间距，用膨胀螺栓连接一字板32于钻孔处，确保每根长细硬圆杆11的中部对应着一个支架3，当在衬砌预埋槽上安装监测系统时，由于各预埋槽的相对位置固定，则需要根据预埋槽间距和测量单元1的长度设计串联的第一个测量单元1与首个预埋槽的相对位置，确保支架位置不与橡胶质软接头12对应。
具体地，监测系统安装在隧道通长方向的一侧衬砌壁上，安装之前需探勘选定的监测区段的衬砌壁上沿通长方向没有线缆等遮挡物的安装位置，当在衬砌上打孔安装监测设备时，要确保各个孔在隧道通常方向上沿水平线分布，钻好孔后再安装支架3，当在衬砌预埋槽上安装监测设备时，要确保各支架3在隧道通长方向上沿水平线分布；安装好支架3后，将串联好的测量单元1依次安装在支架3的塑性夹31中。
本文提出了一种沉降监测算法，应用于本发明提出的监测系统，所述沉降监测算法基于测量单元1的空间姿态变化，包括长细硬圆杆11的姿态变化和经过室内标定实验拟合的橡胶质软接头12的姿态变化。
具体地，沉降监测算法的基本原理是隧道纵向沉降带动串联的测量单元1发生空间姿态变化，测量单元1内置的倾角传感器捕捉这种姿态变化并表现为内置三轴坐标系与水平面的夹角测量值的变化，所述的内置三轴坐标系的y轴与测量单元1的长细硬圆杆11有相同的方向，记y轴与水平面相对于初始安装时刻的夹角变化值为
Figure BDA0003588423480000071
记长细硬圆杆11的长度Lr,根据
Figure BDA0003588423480000072
求得单根长细硬圆杆11两端的高差变化Δhr。
具体地，沉降监测算法基于若干串联的测量单元1建立，高差传递包括单根长细硬圆杆11两端的传递和相邻两根长细硬圆杆11端部的传递，而相邻两长细硬圆杆11之间由橡胶质软管12连接，将橡胶质软管12在高差传递中的作用等效为铰接作用，并通过标定实验确定铰点位置，如图2所示；记橡胶质软管12的长度为Ls，铰点距离前一长细硬圆杆11端部为Ls1，根据下式
Figure BDA0003588423480000081
求得串联的N节测量单元1由于软管的铰接作用实际用于沉降计算的第i根测量单元1的计算长度。
具体地，软管标定算法具体实现为：组装若干套至少由两个测量单元1串联的系统，称为不同的试验组，通过抬升装置改变各试验组中长细硬圆杆11在竖直平面内的姿态，记录橡胶质软接头12所连接的两相邻长细硬圆杆11端部的高差变化量，记为Δhs，并记录相邻两测量单元1所测量的倾角值，记为
Figure BDA0003588423480000082
将软管等效为铰接，则可建立等式
Figure BDA0003588423480000083
根据若干组试验组的数据，利用最小二乘法计算Ls1的值，便可确定测量单元1的实际计算长度。
具体地，本发明提出的监测系统所监测区段内的连续的隧道纵向变形可建立公式进行计算，记测量区间端部的沉降为y0，根据下式
Figure BDA0003588423480000084
可求得监测区间内任意点xp的沉降值yp。
在借鉴本发明的基础上，相关技术人员可很容易设计出长度和尺寸不同的类似监测系统，并遵循相同的安装步骤和监测算法实现对隧道纵向沉降的监测，在不脱离本发明设计精神的前提下，对本发明的监测系统、安装方法和监测算法的各种变形和改造，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.基于柔性传感装置的隧道纵向变形监测系统，用于获得所监测区段内的连续的隧道纵向变形，其特征在于，包括若干节串联的测量单元(1)、一个无线传输网关(2)、远程基站；
组装N套至少由两个测量单元(1)串联的系统，称为不同的试验组；
其中：
所述测量单元(1)包括长细硬圆杆(11)和一端的内裹接线的橡胶质软接头(12)，另一端为插槽(13)，将前一测量单元的橡胶质软接头(12)插入后一测量单元的插槽(13)即完成串联，所述长细硬圆杆(11)内置倾角传感器(14)，能感知测量单元(1)的空间姿态变化，并输出角传感器(14)本身内置的三轴坐标系与水平面的夹角测量值，以与长细硬圆杆(11)同方向的坐标轴与水平面的夹角测量值作为沉降监测算法的基础；
所述无线传输网关(2)固定在衬砌壁上，与串联的测量单元(1)在端部通过接线连接，并与远程基站通过4G网络连接，实时采集并传输监测系统的数据至远程基站；
远程基站运行沉降监测算法，包括：
步骤1，首先基本原理是隧道纵向沉降带动串联的测量单元(1)发生空间姿态变化，测量单元(1)内置的倾角传感器捕捉这种姿态变化并表现为内置三轴坐标系与水平面的夹角测量值的变化，所述的内置三轴坐标系的y轴与测量单元(1)的长细硬圆杆(11)有相同的方向，记y轴与水平面相对于初始安装时刻的夹角变化值为
Figure FDA0003588423470000011
记长细硬圆杆(11)的长度Lr,根据
Figure FDA0003588423470000012
求得单根长细硬圆杆(11)两端的高差变化Δhr；
步骤2，接着基于若干串联的测量单元(1)建立，高差传递包括单根长细硬圆杆(11)两端的传递和相邻两根长细硬圆杆(11)端部的传递，而相邻两长细硬圆杆(11)之间由橡胶质软管(12)连接，将橡胶质软管(12)在高差传递中的作用等效为铰接作用，并通过标定实验确定铰点位置，记橡胶质软管(12)的长度为Ls，铰点距离前一长细硬圆杆(11)端部为Ls1，根据下式
Figure FDA0003588423470000021
求得串联的N节测量单元(1)由于软管的铰接作用实际用于沉降计算的第i根测量单元(1)的计算长度Li，用于提供给步骤3；
公式1中，Lr为长细硬圆杆的长度，Ls为橡胶质软管的长度，这两者都是由硬件厂商出厂即确定的；
Ls1为铰点距离，采用软管标定算法确定；
步骤3，最后所监测区段内的连续的隧道纵向变形建立公式进行计算，记测量区间端部的沉降为y0，根据下式
Figure FDA0003588423470000022
其中，y0为测量区间端部的沉降，Li为第i根测量单元的计算长度，
Figure FDA0003588423470000023
为每根测量单元(1)内置倾角传感器(14)所测量的倾角值，xp为监测区间中沿隧道纵向的任意一点，且xp位于第k根测量单元(1)对应的区间中，
Figure FDA0003588423470000024
是第k根测量单元(1)的倾角值；
求得监测区间内任意点xp的沉降值yp；
所述系统的安装方法包括在隧道衬砌上打孔或在隧道衬砌预埋槽上安装变形监测系统的支架(3)和配套的安装流程，所述支架(3)包括用于限位长细硬圆杆(11)的塑性夹(31)和固定塑性夹(31)于衬砌上的一字板(32)；所述沉降监测算法基于测量单元(1)的空间姿态变化，包括长细硬圆杆(11)的姿态变化对单根长细硬圆杆(11)两端部高差变化的影响和橡胶质软接头(12)的姿态变化对相邻两长细硬圆杆(11)的端部高差变化的影响；
所述橡胶质软接头(12)的姿态变化对相邻两长细硬圆杆(11)的端部高差变化的影响通过本发明提出的软管标定算法将其等效为铰接，并用实验数据拟合铰点位置，进而定量确定此影响大小。
2.一种监测系统的安装方法，其特征在于：包括在隧道衬砌上打孔安装和在隧道衬砌预埋槽上安装，当在衬砌上打孔安装监测系统时，首先根据测量单元(1)的长度确定孔间间距，用膨胀螺栓连接一字板(32)于钻孔处，确保每根长细硬圆杆(11)的中部对应着一个支架(3)，当在衬砌预埋槽上安装监测系统时，由于各预埋槽的相对位置固定，则需要根据预埋槽间距和测量单元(1)的长度设计串联的第一个测量单元(1)与首个预埋槽的相对位置，确保支架位置不与橡胶质软接头(12)对应。
3.根据权利要求2所述监测系统的安装方法，其特征在于：监测系统安装在隧道通长方向的一侧衬砌壁上，安装之前需探勘选定的监测区段的衬砌壁上沿通长方向没有线缆等遮挡物的安装位置，当在衬砌上打孔安装监测设备时，要确保各个孔在隧道通常方向上沿水平线分布，钻好孔后再安装支架(3)，当在衬砌预埋槽上安装监测设备时，要确保各支架(3)在隧道通长方向上沿水平线分布；安装好支架(3)后，将串联好的测量单元(1)依次安装在支架(3)的塑性夹(31)中。
4.一种沉降监测算法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，首先基本原理是隧道纵向沉降带动串联的测量单元(1)发生空间姿态变化，测量单元(1)内置的倾角传感器捕捉这种姿态变化并表现为内置三轴坐标系与水平面的夹角测量值的变化，所述的内置三轴坐标系的y轴与测量单元(1)的长细硬圆杆(11)有相同的方向，记y轴与水平面相对于初始安装时刻的夹角变化值为
Figure FDA0003588423470000031
记长细硬圆杆(11)的长度Lr,根据
Figure FDA0003588423470000032
求得单根长细硬圆杆(11)两端的高差变化Δhr；
步骤2，接着基于若干串联的测量单元(1)建立，高差传递包括单根长细硬圆杆(11)两端的传递和相邻两根长细硬圆杆(11)端部的传递，而相邻两长细硬圆杆(11)之间由橡胶质软管(12)连接，将橡胶质软管(12)在高差传递中的作用等效为铰接作用，并通过标定实验确定铰点位置，记橡胶质软管(12)的长度为Ls，铰点距离前一长细硬圆杆(11)端部为Ls1，根据下式
Figure FDA0003588423470000041
求得串联的N节测量单元(1)由于软管的铰接作用实际用于沉降计算的第i根测量单元(1)的计算长度Li，用于提供给步骤3；
公式1中，Lr为长细硬圆杆的长度，Ls为橡胶质软管的长度，这两者都是由硬件厂商出厂即确定的；
Ls1为铰点距离，采用软管标定算法确定；
步骤3，最后所监测区段内的连续的隧道纵向变形建立公式进行计算，记测量区间端部的沉降为y0，根据下式
Figure FDA0003588423470000042
其中，y0为测量区间端部的沉降，Li为第i根测量单元的计算长度，
Figure FDA0003588423470000043
为每根测量单元(1)内置倾角传感器(14)所测量的倾角值，xp为监测区间中沿隧道纵向的任意一点，且xp位于第k根测量单元(1)对应的区间中，
Figure FDA0003588423470000044
是第k根测量单元(1)的倾角值；
求得监测区间内任意点xp的沉降值yp。
5.如权利要求4所述沉降监测算法，其特征在于，为了求得每根测量单元(1)的计算长度Li，采用软管标定算法给出；
进一步的，所述的软管标定算法具体为：
步骤1.1组装若干套至少由两个测量单元(1)串联的系统，称为不同的试验组，通过抬升装置改变各试验组中长细硬圆杆(11)在竖直平面内的姿态，记录橡胶质软接头(12)所连接的两相邻长细硬圆杆(11)端部的高差变化量，记为Δhs；
并记录相邻两测量单元(1)所测量的倾角值，记为
Figure FDA0003588423470000051
步骤1.2将软管等效为铰接，则建立等式
Figure FDA0003588423470000052
根据若干组试验组的数据，标定、拟合，利用最小二乘法计算Ls1的值；
步骤1.3求得计算长度Li。
6.如权利要求5所述沉降监测算法，其特征在于，所述步骤1.1中，Δhs是在标定过程中用更高精度的位移测量计直接测量所得到的；
Figure FDA0003588423470000053
通过传感器测量获得。
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