CN115126487A - 一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道水压爆破开挖监测技术领域，尤其涉及一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统，该装置包括三维激光扫描组件、三轴向振动速度传感器、防爆型粉尘浓度传感器、泵吸式一氧化碳检测仪、位移传感器、位移传感器、盒式压力传感器、传感器信号处理器；三维激光扫描组件用于提供爆破开挖后开挖面表面的三维点云数据，绘制出开挖工作面详图；三轴向振动速度传感器用于采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间；传感器信号处理器接受并处理三轴向振动速度传感器、防爆型粉尘浓度传感器、泵吸式一氧化碳检测仪、位移传感器和盒式压力传感器所监测的数据。本发明解决了现有技术的结构无法全面且实时的检测施工情况的问题。

Description

一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置及系统

技术领域

本发明涉及隧道水压爆破开挖监测技术领域，具体而言，涉及一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统。

背景技术

随着地下空间利用率越来越高，对于岩石地区开挖隧道一般会采用钻爆法施工。近年来，为解决常规爆破施工炸药利用率低、隧道内有害气体含量大、粉尘浓度大等问题，国内外很多铁路隧道和公路隧道工程开始采用水压爆破。与常规爆破相比，水压爆破在降尘和防岩爆方面具有显著优势，然而爆破施工往往导致隧道本身及其周边构筑物产生振动危害，诱发地表沉降和隧道变形，威胁周边建筑物的稳定性，需采用振动监测来采集地震强度信息，控制爆破振动危害。另外，爆破产生的爆炸性粉尘和有害气体也会阻碍隧道的正常施工，对有害气体浓度的实时连续监测仍是亟待解决的难题。同时，水压爆破开挖后断面周边的超欠挖情况、开挖轮廓的圆顺度和断面平整度的检查无疑为隧道的安全施工提高了难度。

面对高难度的施工监测任务，施工过程中对水压爆破效果检查及爆破开挖后隧道及其周边构筑物稳定性的实时监测显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统，解决现有技术中无法全面且实时的检测施工情况的问题。

本发明的目的通过以下述技术方案来实现，一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置，包括三维激光扫描组件、三轴向振动速度传感器、防爆型粉尘浓度传感器、泵吸式一氧化碳检测仪、位移传感器、位移传感器、盒式压力传感器、传感器信号处理器；所述三维激光扫描组件被设置用于提供爆破开挖后开挖面表面的三维点云数据，获取高精度高分辨率的数字地形模型，绘制出开挖工作面详图；所述三轴向振动速度传感器被设置用于采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间；所述防爆型粉尘浓度传感器被设置用于测定爆炸现场的爆炸性粉尘浓度；所述泵吸式一氧化碳检测仪被设置用于连续监测爆炸现场的炮烟浓度及多种气体浓度数据，进行采集、记录；所述位移传感器被设置用于监测爆破开挖后的地表沉降；所述盒式压力传感器被设置用于监测围岩施加于支护的形变压力情况，并反映支护的工作状态；所述传感器信号处理器被设置与三轴向振动速度传感器、防爆型粉尘浓度传感器、泵吸式一氧化碳检测仪、位移传感器和盒式压力传感器连接，接受并处理三轴向振动速度传感器、防爆型粉尘浓度传感器、泵吸式一氧化碳检测仪、位移传感器和盒式压力传感器所监测的数据。

需要说明的是，设置三维激光扫描组件实现对工作环境的立体建模，并通过相关的软件进行爆炸预演分析，通过所得到的语言分析数据进行提前准备相应的措施。

所述三维激光扫描组件包括三维激光扫描组件、计算机、电源供应机构、支架以及配套软件；所述三轴向振动速度传感器内设置有时钟电路，且所述三轴向振动速度传感器设置在地表处沿隧道轴线及其垂直方向、已开挖区的隧道路面、衬砌边墙和周边重要构筑物；所述防爆型粉尘浓度传感器包括激光器、探测构件，且所述防爆型粉尘浓度传感器设置在爆破开挖面的前方；所述泵吸式一氧化碳检测仪内设置有氧气传感器、可燃气体传感器和有毒气体传感器；所述位移传感器设置在隧道中心线上的地表，并在与隧道轴线正交平面的指定范围内布设若干测点；所述盒式压力传感器设置在已开挖区的拱顶、拱脚和仰拱的中间位置。

需要说明的是，通过设置的三轴向振动速度传感器实现对整个跑破过程的实时监测，保证跑破正常的情况下，同时保证工作人员的生命安全，另一方面还能够根据实时记录的数据进行后期的分析计算，进行施工技术的完善与改进。

警报器与所述传感器信号处理器连接，当监测数据出现异常时，根据指令发出警报；计算机和相关软件与三维激光扫描组件相连。

需要说明的是，通过设置的警报器实现对危险的警示，根据最早接收到的信号，能够在危险即将发生或者发生最初的时间提醒工作人员离开危险区域。

所述警报器、三轴向振动速度传感器、防爆型粉尘浓度传感器、泵吸式一氧化碳检测仪、位移传感器和盒式压力传感器均与对应的UPS电源连接。

需要说明的是，通过UPS电源保证整个施工过程不间断且正常的进行。

本申请还提供一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测系统，其包括一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置和上位机；所述智能监测装置通过有线网络或者无线网络将监测数据传递至上位机。

需要说明的是，通过上位机实现数据的传输、计算、分析与储存。

还包括下位机终端，所述上位机用于对接收到的监测数据进行分析、展示，并根据分析结果向下位机终端和/或智能监测装置发出管理指令。

需要说明的是，通过下位机终端进行进一步的数据显示与命令的输出。

所述下位机终端通过有线网络或无线网络与所述智能监测装置和上位机连接，所述下位机终端为移动终端。

需要说明的是，通过采用无线网络的连接与控制，避免过多数据线的使用同时不面了由于数据线的算怀导致工作无法进行的情况的发生。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的智能监测系统通过上位机对从各个传感器所获取的监测数据进行分析处理，能够全面了解隧道水压爆破施工过程的实时状态，对于水压爆破开挖技术指导具有重要作用。指挥中心通过监测所得数据进行实时监测与分析，即从三维激光扫描系统中了解隧道水压爆破开挖的爆破效果和隧道工作面稳定性，从设置在地表处、隧道已开挖区及其周边构筑物的三轴向振动速度传感器中采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间，从而判断爆破对隧道及其周边构筑物稳定性的影响。从设置在爆破现场的防爆型粉尘浓度传感器和泵吸式一氧化碳检测仪连续监测爆炸性粉尘浓度多种气体浓度，保证隧道安全施工，从分别布置在地表和支护处的电子位移计和盒式压力传感器监测地表沉降和支护结构的工作状态，判断施工的质量，从而制定后续施工方案。

附图说明

图1是本发明提供的智能监测装置装配位置正视示意图。

图2为本发明提供的智能监测装置装配位置侧视示意图。

图3为本发明提供的智能监测系统具体实施例示意图。

附图标记：1-三维激光扫描组件，2-防爆型粉尘浓度传感器，3-泵吸式一氧化碳检测仪，4-三轴向振动速度传感器，5-电子位移计，6-盒式压力传感器，7-传感器信号处理器，8-UPS电源，9-警报器，100-地表，200-隧道断面，300-隧道开挖面，400-隧道已开挖区，500-隧道未开挖区。

具体实施方式

请一并参考说明附图1-附图3，本实施例提供了一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统，该一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统主要用于解决现有技术无法全面且实时的检测施工情况的问题，该一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统已经处于实际使用阶段。

本申请通过以下实施例进行，一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置，包括三维激光扫描组件1、三轴向振动速度传感器4、防爆型粉尘浓度传感器2、泵吸式一氧化碳检测仪3、位移传感器、位移传感器、盒式压力传感器6、传感器信号处理器7；三维激光扫描组件1被设置用于提供爆破开挖后开挖面表面的三维点云数据，获取高精度高分辨率的数字地形模型，绘制出开挖工作面详图；三轴向振动速度传感器4被设置用于采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间；防爆型粉尘浓度传感器2被设置用于测定爆炸现场的爆炸性粉尘浓度；泵吸式一氧化碳检测仪3被设置用于连续监测爆炸现场的炮烟浓度及多种气体浓度数据，进行采集、记录；位移传感器被设置用于监测爆破开挖后的地表100沉降；盒式压力传感器6被设置用于监测围岩施加于支护的形变压力情况，并反映支护的工作状态；传感器信号处理器7被设置与三轴向振动速度传感器4、防爆型粉尘浓度传感器2、泵吸式一氧化碳检测仪3、位移传感器和盒式压力传感器6连接，接受并处理三轴向振动速度传感器4、防爆型粉尘浓度传感器2、泵吸式一氧化碳检测仪3、位移传感器和盒式压力传感器6所监测的数据。可选的，可以在隧道爆破位置前方安装防尘网，通过整个防尘网将隧道通道进行阻拦，避免由于粉尘过大影响工作人员的视线，同时通过防尘网还能够阻拦爆炸碎块对隧道内壁的破坏。

需要说明的是，本监测系统将三维激光扫描组件1引入隧道水压爆破的施工全过程，通过三维激光扫描获取高精度高分辨率的数字地形模型，测绘出爆破开挖工作面详图，用以爆破效果的检查及开挖面稳定性判断。在地表100处、隧道已开挖区400及其周边重要构筑物设置多组三轴向振动速度传感器4，采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间。通过在爆破现场设置防爆型粉尘浓度传感器2和泵吸式一氧化碳检测仪3，连续监测爆炸性粉尘浓度多种气体浓度。位移传感器和盒式压力传感器6分别布置在地表100和支护处监测爆破开挖后的地表100沉降和支护结构的工作状态。通过上述测探设备与监测设备的结合使用，达到全面、精准的掌控隧道水压爆破开挖的爆破效果和隧道及其周边构筑物的稳定性，保证隧道安全施工，解决现有技术中无法全面且实时的检测施工情况的问题。

三维激光扫描组件1包括三维激光扫描组件1、计算机、电源供应机构、支架以及配套软件。三轴向振动速度传感器4内设置有时钟电路，且三轴向振动速度传感器4设置在地表100处沿隧道轴线及其垂直方向、已开挖区的隧道路面、衬砌边墙和周边重要构筑物，具体的，在地表100处、隧道已开挖区400及其周边重要构筑物设置多组三轴向振动速度传感器4，采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间。防爆型粉尘浓度传感器2包括激光器、探测构件，且防爆型粉尘浓度传感器2设置在爆破开挖面的前方；泵吸式一氧化碳检测仪3内设置有氧气传感器、可燃气体传感器和有毒气体传感器；在爆破现场设置防爆型粉尘浓度传感器2和泵吸式一氧化碳检测仪3，连续监测爆炸性粉尘浓度多种气体浓度。位移传感器设置在隧道中心线上的地表100，并在与隧道轴线正交平面的指定范围内布设若干测点；盒式压力传感器6设置在已开挖区的拱顶、拱脚和仰拱的中间位置。位移传感器和盒式压力传感器6分别布置在地表100和支护处监测爆破开挖后的地表100沉降和支护结构的工作状态。

需要说明的是，本申请提供的一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置还能够通过比较爆破开挖后的隧道模型和设计模型，判断超欠挖情况。具体的，通过在已开挖区设置的三维激光扫描组件1配合计算机及其相关系统配套软件，测绘生成详尽的隧道水压爆破开挖后的隧道断面200三维图，持续观察开挖轮廓圆顺度、开挖面平整度、工作面稳定状态和超欠挖情况等。

需要说明的是，在进行隧道水压爆破施工时，设置于已开挖区的三维激光扫描组件1，配合计算机及其配套软件，可以实时提供隧道水压爆破后开挖面表面的三维点云数据，得到直观图像发送给指挥中心，可以方便测绘技术人员测绘生成详尽的隧道断面200三维图，用于检查爆破开挖后的爆破效果和隧道开挖面300稳定性，同时可以通过对比隧道断面200设计模型，判断超欠挖情况。在地表100处、隧道已开挖区400及其周边重要构筑物设置多组三轴向振动速度传感器4，采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间。在爆破现场设置防爆型粉尘浓度传感器2和泵吸式一氧化碳检测仪3，连续监测爆炸性粉尘浓度多种气体浓度。位移传感器和盒式压力传感器6分别布置在地表100和支护处监测爆破开挖后的地表100沉降和支护结构的工作状态。通过设置传感器信号处理器7统一接收、处理相关监测数据。实时获得隧道爆破开挖断面图，全程监测隧道爆破开挖施工过程中隧道的状态及变化，判断隧道开挖面300的稳定性和爆破效果的合格性，保证了施工的质量和安全。

警报器9与传感器信号处理器7连接，当监测数据出现异常时，根据指令发出警报。计算机和相关软件与三维激光扫描组件1相连。需要说明的是，当监测数据超过预设阈值或出现异常时，立即通过信号传感器及时传递信息，警报器9发出预警，施工技术人员根据现场情况采取应对措施，及时对爆破开挖参数进行优化调整，保证隧道的安全施工。

警报器9、三轴向振动速度传感器4、防爆型粉尘浓度传感器2、泵吸式一氧化碳检测仪3、位移传感器和盒式压力传感器6均与对应的UPS电源8连接。需要说明的是，通过将警报器9、三轴向振动速度传感器4、防爆型粉尘浓度传感器2、泵吸式一氧化碳检测仪3、位移传感器和盒式压力传感器6均与UPS电源8，保证这些设备能够具有不间断的电源供给，保证其工作的正常进行。

本申请还提供一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测系统，包括智能监测装置以及上位机；智能监测装置通过有线网络或者无线网络将监测数据传递至上位机。还包括下位机终端，上位机用于对接收到的监测数据进行分析、展示，并根据分析结果向下位机终端和/或智能监测装置发出管理指令。下位机终端通过有线网络或无线网络与智能监测装置和上位机连接，下位机终端为移动终端。

需要说明的是，智能监测装置、计算机及相关软件、上位机以及下位机终端；三维激光扫描组件1将生成的高精度高分辨率的数字地形模型传送给计算机，计算机配合相关的配套软件对图形进行分析处理，方便施工技术人员及时了解水压爆破效果和爆破开挖面稳定性情况。监测装置通过有线网络或者无线网络将各传感器得到的监测数据传递至信号处理器，信号处理器经过加工处理，将监测数据传递至上位机；上位机对接收到的监测数据进行分析、展示，并根据分析结果向下位机终端或通过信号传感器向警报装置发出管理指令。下位机终端通过有线网络或无线网络与警报装置和上位机连接；接收来自上位机的管理指令。

具体的，在隧道水压爆破施工中，通过设置三脚架将三维激光扫描组件1架设在隧道已开挖区400进行实时探测，提供爆破开挖后开挖面表面的三维点云数据，配合计算机及其配套软件，获取高精度高分辨率的数字地形模型，测绘人员可据此实时远程测绘出隧道工作面详图，节约大量的人工和时间成本。通过持续观察开挖轮廓圆顺度、开挖面平整度、工作面稳定状态及支护结构状态等，并检查水压爆破开挖后的爆破效果，可保证隧道的安全高效施工。若在检查过程中发现地质条件恶化，初期支护出现异常现象，应立即采取应急措施，并设专人不间断进行检查。此外，将生成的隧道断面200模型与设计模型相对比，可判断出爆破开挖的超欠挖情况，若出现隧道出现超欠挖，施工技术人员可根据实际情况调整相应的爆破参数和炸药用量。

尽管水压爆破的通风时间与常规爆破相比得到了大幅减少，但为保障现场施工人员的生命安全，仍需对隧道爆破开挖后的粉尘及有害气体浓度进行实时连续监测，通过设置在爆破现场的防爆型粉尘浓度传感器2，采用光散射原理测量爆破开挖后产生的爆破粉尘浓度，配合泵吸式一氧化碳检测仪3，分别对爆破测点处的粉尘、炮烟及多种气体浓度数据进行采集、记录，监测数据经传感器信号处理器7初步处理后传输到上位机，上位机对监测数据做进一步的分析处理后传达施工管理指令到下位机，施工技术人员按管理指令进行施工，即当粉尘浓度及多种有害气体浓度达到安全范围内后，施工人员方可进入隧道内进行下一步施工，实现了对隧道水压爆破的爆破粉尘及炮烟浓度的在线连续监测。

此外，为了解爆破施工产生的爆破地震波在该区域的传播规律及粗略评估爆破施工对隧道本身及地表100建筑物的影响，需在地表100、隧道已开挖区400及其周边重要构筑物布置多组三轴向振动速度传感器4，在地表100沿隧道轴线及其垂直方向布置以及已开挖区的隧道路面、衬砌边墙，布置前先清除地面浮土等杂物，用石膏将传感器牢固粘结在监测点处，同时监测爆破振动对隧道内部、支护结构、地表100及周边重要建筑物的影响。掌子面起爆时，炸药爆炸，围岩中产生应力波并沿岩体传播，引起测点处速度传感器振动，内含的时钟电路自动记录下爆炸时间，速度传感器记录下爆破地震波并转换成电压信号，并传递给传感器信号处理器77做初步分析后传递至上位机，上位机利用分析软件对采集到的数据进行处理分析，得到爆破地震波的传播和衰减规律，若监测数据出现异常，立即向警报器9发出信号，警报器9发出警报，施工技术人员根据工程地质条件及时对爆破参数进行优化调整。

同时，为确保爆破开挖不会引起地表100过大沉降和支护结构变形破坏，将电子位移计5和盒式压力传感器6分别布置在地表100和支护处，用于监测爆破开挖后的地表100沉降和支护结构的工作状态。电子位移计5布置在隧道轴线上的地表100，并在与隧道轴线正交平面的一定范围内布设必要数量的测点，可进行遥测，配合读数仪对监测数据进行读书和输送。盒式压力传感器6布置在支护的拱顶、边墙及仰拱中间位置，埋设于混凝土内的测试部位及支护-围岩接触面的测试部位，既反映了支护的工作状态，又反映了围岩施加于支护的形变压力情况。若出现地表100沉降过大或支护变形破坏，通过信号传感器进行监测数据的处理发送给上位机，上位机经过分析会通过信号传感器发出警报指令，即警报器9发出预警，施工技术人员及时采取应急措施，保证隧道的安全施工。

综上，本发明提供一种用于隧道水压爆破的智能监测装置及系统。通过引入三维激光扫描系统及各类传感器，对施工过程中隧道水压爆破后的爆破效果检查和爆破开挖后隧道及周边环境的稳定性进行实时监测。三维激光扫描系统测绘出的三维图通过计算机及相关软件进行计算分析计算后，以及监测设备所得监测数据通过信号处理器进行加工处理后，均传递至上位机，上位机根据所得结果进行测算，当数据发生异常即超出预设的某一阈值时，及时通过警报器9发出预警；所得数据正常，则将下一步的施工指令传递至下位机及终端，以便制定下一步的施工计划。本智能监测系统将监测和预警合为一体，提高了工作的效率，从而在施工过程中可以及时、正确的采取应急措施来应对出现的施工问题。该检测系统具体工作网络如图3所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置，其特征在于，包括：三维激光扫描组件(1)，用于提供爆破开挖后开挖面表面的三维点云数据，获取高精度高分辨率的数字地形模型，绘制出开挖工作面详图；

三轴向振动速度传感器(4)，用于采集炸药爆炸形成的振动信号并自动记录爆炸时间；

防爆型粉尘浓度传感器(2)，用于测定爆炸现场的爆炸性粉尘浓度；

泵吸式一氧化碳检测仪(3)，用于连续监测爆炸现场的炮烟浓度及多种气体浓度数据，进行采集、记录；

位移传感器，用于监测爆破开挖后的地表(100)沉降；

盒式压力传感器(6)，用于监测围岩施加于支护的形变压力情况，并反映支护的工作状态；

传感器信号处理器(7)，与三轴向振动速度传感器(4)、防爆型粉尘浓度传感器(2)、泵吸式一氧化碳检测仪(3)、位移传感器和盒式压力传感器(6)连接，接受并处理三轴向振动速度传感器(4)、防爆型粉尘浓度传感器(2)、泵吸式一氧化碳检测仪(3)、位移传感器和盒式压力传感器(6)所监测的数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置，其特征在于，所述三维激光扫描组件(1)包括三维激光扫描组件(1)、计算机、电源供应机构、支架以及配套软件；

所述三轴向振动速度传感器(4)内设置有时钟电路，且所述三轴向振动速度传感器(4)设置在地表(100)处沿隧道轴线及其垂直方向、已开挖区的隧道路面、衬砌边墙和周边重要构筑物；

所述防爆型粉尘浓度传感器(2)包括激光器、探测构件，且所述防爆型粉尘浓度传感器(2)设置在爆破开挖面的前方；

所述泵吸式一氧化碳检测仪(3)内设置有氧气传感器、可燃气体传感器和有毒气体传感器；所述位移传感器设置在隧道中心线上的地表(100)，并在与隧道轴线正交平面的指定范围内布设若干测点；所述盒式压力传感器(6)设置在已开挖区的拱顶、拱脚和仰拱的中间位置。

3.根据权利要求2所述的一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置，其特征在于，还包括：警报器(9)，与所述传感器信号处理器(7)连接，当监测数据出现异常时，根据指令发出警报；

计算机和相关软件，与三维激光扫描组件(1)相连。

4.根据权利要求2所述的一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测装置，其特征在于，所述警报器(9)、三轴向振动速度传感器(4)、防爆型粉尘浓度传感器(2)、泵吸式一氧化碳检测仪(3)、位移传感器和盒式压力传感器(6)均与对应的UPS电源(8)连接。

5.一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测系统，其特征在于，包括权利要求1-4中任一所述的智能监测装置，以及上位机；所述智能监测装置通过有线网络或者无线网络将监测数据传递至上位机。

6.根据权利要求5所述的一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测系统，其特征在于，还包括下位机终端，所述上位机用于对接收到的监测数据进行分析、展示，并根据分析结果向下位机终端和/或智能监测装置发出管理指令。

7.根据权利要求6所述的一种用于隧道水压爆破开挖的智能监测系统，其特征在于，所述下位机终端通过有线网络或无线网络与所述智能监测装置和上位机连接，所述下位机终端为移动终端。

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