CN206177279U - 一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，所述轨道装置包括：伞型轨道和伞型挂钩；伞型轨道内部为中空的连接空隙，连接空隙内设置有齿轮轨道；伞型轨道上设置有用于与隧道拱顶连接的快速固定装置；所述伞型挂钩嵌于伞型轨道内部的连接空隙中，伞型挂钩上设置有转动齿轮且内置传动装置；伞型挂钩通过转动齿轮与伞型轨道内的齿轮轨道相啮合。本实用新型还公布了一种基于上述有轨自动监测系统对应的监测方法，监测全过程可通过电脑控制并无线传输和处理数据。本实用新型装置轻便、安装简单，系统稳定、功能可开发性强，该监测方法提升监测效率，加快监测反馈效率，节省人力。

Description

一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置

【技术领域】

本实用新型涉及拱顶沉降监测领域，特别涉及一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置。

【背景技术】

从隧道短期运营来看，由于微幅振动幅值较小，短期内不会影响结构和周边环境的安全，因此该问题长期未受到关注，地铁设计中也未有效考虑由于长期微振所带来的危害。随着我国经济建设的突飞猛进和城市化程度的不断提高，地下空间的开发和利用已大力开展，地铁运行所带来的危害日益凸显，尤为突出的是地铁运行所引起的土层沉降问题。土体下沉影响隧道的运营安全和地面建筑物的安全，会造成巨大的经济损失和社会影响，然而现有技术并没有相关的研究关于用于监测隧道拱顶沉降的设备，尤其是能够与地铁的特殊结构相匹配的测试轨道。

【实用新型内容】

针对上述背景技术存在的不足和缺陷，本实用新型提供一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置。更具体的涉及机械制造技术、单片机控制技术、机械驱动技术、激光测位技术、无线传输技术，同时还涉及一种与之配套相适宜的监控量测方法，特别适用于对地隧道长期运营的微幅振动导致的隧道拱顶沉降，适合于对监控量测精度、自动化程度要求高的工程：城市地铁隧道长期运营中拱顶沉降监控量测。

本实用新型目的是通过以下技术方案来实现的：

一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，包括：用于安装测量装置的轨道装置；

所述轨道装置包括：伞型轨道和伞型挂钩；伞型轨道内部为中空的连接空隙，连接空隙内设置有齿轮轨道；伞型轨道上设置有用于与隧道拱顶连接的快速固定装置；所述伞型挂钩嵌于伞型轨道内部的连接空隙中，伞型挂钩上设置有转动齿轮且内置传动装置；伞型挂钩通过转动齿轮与伞型轨道内的齿轮轨道相啮合；

所述的快速固定装置包括用于与隧道拱顶相粘合的贴壁铁板和用于吸附隧道拱顶的橡胶吸盘；橡胶吸盘设置在贴壁铁板外周。

贴壁铁板通过环氧树脂与隧道拱顶相粘合。

所述伞型轨道由多个具有支路的轨道单元拼接组成，轨道单元包括：固定轨道、标准轨道和分叉轨道，其中，两个分叉轨道相对设置形成具有支路的轨道，具有支路的轨道依次连接标准轨道和固定轨道形成一个轨道单元；各类轨道之间通过轨道连接套筒连接。

所述的伞型轨道与伞型挂钩之间填充润滑剂。

所述的测量装置通过连接杆设置在伞型挂钩下端，连接杆上部的螺纹状与伞型挂钩下部的螺纹状通过对接卡口相连。

所述的伞型轨道内部为伞型的连接空隙，外部结构为流线型，所述的伞型挂钩的形状与伞型轨道内部连接空隙形状相匹配。

所述的测量装置安装在伞型挂钩下端，测量装置为包括激光测量盒和PSD读数盒。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优点：

本实用新型的伞型轨道装置包括特殊的伞型轨道和伞型挂钩的设计，伞型轨道由多个具有支路的轨道单元拼接组成，保证了测试行走依靠其内部的齿轮卡着轨道上的轮印行走，行走稳定性好，定位的稳定性高，将测量系统安装在轨道装置底部进行水准测量，实现了隧道长期运营微幅振动影响下的拱顶长期沉降的监测，一次安装后长期稳定使用，大大节约了人力操作的费用和人为可能导致的误差。采用本实用新型能够大大提高监测的自动化水平，大大降低人力成本，节约资金。

进一步，伞型轨道外部设计成流线型，能够最大限度的降低隧道洞内风对其影响，其上部的贴壁铁板方便轨道安装和拆卸，橡胶吸盘保护了贴壁铁板与衬砌之间环氧树脂混合液凝固直接暴露在空气下，大大提升了轨道的使用寿命。轨道内部的伞型设计充分考虑到了轨道长期使用导致的灰尘卡死轨道和潮湿空气对轨道的腐蚀氧化作用，把轨道保护在其内侧，最小程度的间隙其与空气的接触。

针对伞型轨道特别设计了固定轨道、标准轨道、分叉轨道等不同的轨道形式，且不同的形式轨道可通过轨道连接套筒相互连接，利于在监测节点处将1、2装置二者分离开行动，相互不影响。

进一步，伞型挂钩的设计充分考虑了其与伞型轨道的拼装组合，受力性能良好，行走依靠其内部的四个小齿轮卡着轨道上了轮印行走，行走稳定性好，定位的稳定性高。且其与轨道间的空隙填满润滑油，利于轨道长期稳定使用。挂钩下端设置螺纹可以通过对接卡口与连接杆连接，便于连接杆下的盒子安装和检修。

【附图说明】

图1是有轨自动监测装置；

图2是激光发射盒示意图；

图3是PSD测量盒示意图；

图4a是固定轨道的侧视图；图4b是固定轨道的正视图；图4c是固定轨道的俯视图；

图5a是伞型轨道的标准轨道图；图5b是伞型轨道的分叉轨道图；图5c是伞型轨道的连接套筒图；

图6是伞型轨道连接图；

图7是隧道拱顶轨道安装示图；

图8是测量原理示意图；

图9是监测系统原理图；

图中：1.激光测量盒、2.PSD读数盒、3.连接杆、4.对接卡口、5.伞型轨道、6.伞型挂钩、7.连接空隙、8.转动齿轮、9.齿轮轨道、10.齿轮轴、11.贴壁铁板、12.橡胶吸盘、13.第一对开闸门、14.第一控制盒、15.第一转盘、16.激光发射器、17.第一伺服马达、18.第一控制电路、13’.第二对开闸门、14’.第二控制盒、15’.第二转盘、17’.第二伺服马达、18’.第二控制电路、19.PSD感光板、20.轨道连接套筒、21.数据传输系统、22.数据管理分析系统、23.警报系统、24.中控平台、25.固定轨道、26.标准轨道、27.分岔轨道。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细阐述，但本实用新型不限于该实施例。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选施例中详细说明具体的细节。

如图1所示，本实用新型一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，包括：测量装置和轨道装置。轨道装置包括：伞型轨道5和伞型挂钩6；测量装置包括：激光测量盒1、PSD读数盒2，当然也可以选择其他的能够水准测量的测量装置。

如图4a～4c所示，伞型轨道5上设有齿轮轨道9和连接空隙7，特别地，固定轨道25、分叉轨道27上特定部位含有表面粗糙的贴壁铁板11和橡胶吸盘12。固定轨道25、分叉轨道27上部贴壁铁板11与隧道拱顶相粘合，使轨道安装在隧道拱顶，此外，橡胶吸盘12压缩后起到吸附隧道拱顶作用。伞型轨道5内部为雨伞型，力学性能良好，稳定性强，同时防止灰尘进入导致的轨道卡死失灵等故障。其上部突出的部分为贴壁铁板11，其曲率与隧道拱顶处相同，便于与隧道贴合。与隧道粘合采用环氧树脂和环氧树脂固化剂(环氧树脂与隧道衬砌直接接触，故采用如多胺、双氰双胺等碱性固化剂)混合的办法，保护衬砌混凝土、保证粘合速度、便于安装固定，同时保证粘合的质量和耐久性。其上部的橡胶吸盘12用于轨道安装过程中贴壁铁板11涂抹混合剂后吸附隧道衬砌，利于轨道安装，且保证混合剂粘合和使用过程中灰尘进入对粘合剂效果的影响，增强使用寿命。在拆卸装置过程中可以首先让橡胶吸盘12内进入空气，然后橡胶吸盘12注入环氧树脂溶剂，便于盛放溶剂与凝固后的环氧树脂反应，避免送机洒落对人损害和和隧道内环境破坏，该设计利于装置拆卸维修。其下部设有齿轮轨道9，便于伞型轨道5运动。

如图5a～5c所示，伞型轨道5内部中空如伞，外部设计成流线型，由热膨胀系数小的材料制作而成。所述伞型轨道5由多个具有支路的轨道单元拼接组成，伞型轨道5内部为中空的连接空隙7，连接空隙7内设置有齿轮轨道9；轨道单元包括：固定轨道25、标准轨道26和分叉轨道27，其中，两个分叉轨道27相对设置形成具有支路的轨道，具有支路的轨道依次连接标准轨道26和固定轨道25形成一个轨道单元；各类轨道之间通过轨道连接套筒20连接。

如图4a～4c所示，伞型挂钩6嵌于伞型轨道5内部，形态与后者内部空隙形状相似，伞型挂钩6包括：转动齿轮8、齿轮轴10且内置传动装置，其下部呈螺纹状。如图1所示，伞型挂钩6通过转动齿轮8与伞型轨道5的齿轮轨道9相连。伞型轨道5与伞型挂钩6之间采用润滑剂填充。伞型挂钩6包括：转动齿轮8、齿轮轴10且内置传动装置，其下部呈螺纹状，便于与下部的连接杆3通过对接卡口4连接，伞型挂钩设置成伞型增强了受力稳定性，其形态与伞型轨道5内部空隙形状相似，且嵌于其内部，增强了与伞型轨道5的贴合性。伞型挂钩6通过转动齿轮8与伞型轨道5的齿轮轨道9相连，伞型挂钩6下设有4个转动齿轮8(前后各两个)，增强伞型挂钩6运动稳定性。

伞型轨道5包括：固定轨道25、标准轨道26、分叉轨道27。如图6所示，各类轨道之间通过轨道连接套筒20连接。

如图1和图3所示，连接杆3上部的螺纹状与伞型挂钩6下部的螺纹状通过对接卡口4相连。连接杆3下端与激光测量盒1或PSD读数盒2相连。方便其下部的激光测量盒1或PSD读数盒2安装与拆卸检修。其中，激光测量盒1包括：两对对开闸门13、控制盒14转盘15、激光器16。所述对开闸门13安设在控制盒的两侧盒面上，所述控制盒14包括伺服马达17、控制电路18，控制电路18集成无线传输模块，可与上位机数据传输。伺服马达17通过自带转轴与转盘15相连，转盘15上放置激光发生器16。

激光测量盒1两对对开闸门13可以接收控制盒14的指令，在监测工作进行的时候保持打开状态，便于工作且减少不必要光线摄入影响PSD感光板19工作，在监测工作结束的时候保持闭合状态，加强对激光测量盒1的防尘土、隔湿保护。控制盒14内把伺服马达17与控制电路18集成，控制电路18接收中控平台24的指令并通过内置单片机执行伞型挂钩6即激光测量盒1的运动，并在到指定的位置后精确停下来，并能够保证每次停留下来的位置与前次相同。所述伺服马达17受控制电路18控制转盘15转动，从而带动激光器16转动到指定的方向，所述伺服马达17可把电压信号转化为转矩和转速以驱动控制，转动精度高转动速度快，并且控制电路18可以记录并存储转动角度，以便后续操作，控制电路18集成无线传输模块便于数据交流。

PSD读数盒2与所述激光测量盒1大体相似，不同的是在所述PSD读数盒2的转盘15上放置PSD感光板19，同时其控制电路18’还特别地内置了信号解码模块。具体地，PSD读数盒2内部包括：第二控制盒14’、第二转盘15’和两对对开第二闸门13’；第二闸门13’设置在第二控制盒14’的两侧盒面上，第二控制盒14’包括第二伺服马达17’及第二控制电路18’，第二伺服马达17’通过自带转轴与转盘15’相连，第二转盘15’上放置PSD感光板19，第二控制电路18’集成无线传输模块并内置信号解码模块。PSD感光板19可根据实际的要求选择一维的PSD-2534、PSD-0375等或者二维的PSD-2121、PSD-2727、PSD-6060等型号，并在控制电路18中配备相对应的数据采集卡，以便对环境中的光源进行处理，并识别电信号的数据。激光测量盒1发射的激光照准在PSD读数盒2中PSD感光板19上，可以立即反馈出此时光斑的X、Y坐标，并传输至数据管理分析系统22，多次测量对比做差可以得到隧道长期运营过程中的拱顶沉降情况。

本实用新型进行检测可以采用人工测量也可以进行自动化控制进行测量，其中，自动化控制的测量系统如图9所示，包括：数据传输系统21、数据管理分析系统22、警报系统23和中控平台24。数据传输系统21可以接收中控平台24的指令并将其无线传输至激光测量盒1和PSD读数盒2中的控制电路18中去，同时接收激光测量盒1和PSD读数盒2中的反馈数据，并传输至数据管理分析系统22，数据管理分析系统22负责对数据传输系统21传输的数据进行处理分析，并根据数据的情况可以自动生成各项数据的历史变化量、日变化量、周变化量、月变化量、季变化量数据，并与预设的阀值相比。各数据以表格和折线图的形式显示出来，也可以根据用户要求输出相应内容，通过软件预设可以将指定数据发送给工作人员。系统可以把数据以*.Txt和*.xls等格式导出，工作人员也可以导出制定的数据。系统也可以将做好的*.Txt和*.xls格式文件导入，并进行分析处理。分析处理的结果通过警报系统23，根据返回的数据判断是否发生危险并发出警报，并根据危险程度将警报分级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。警报内容包括：警报等级、危险断面位置、部分实测数据、初步的预判警报原因和处理意见。警报分为语音和文字俩种方式：语音警报将响铃以提示危险发生；文字报警以邮件、手机短信等形势向监测部门和各个相关部门的电脑、手机终端显示。隧道运营正常无警报发出时，监测部门和各管理部门可以通过电脑、手机终端登陆该系统查看实时监控数据，包括拱顶沉降曲线、沉降最大值、衬砌安全系数和历史警报等信息。

一种免钻孔安装的隧道拱顶伞型轨道装置的安装方法，包括以下步骤：

1)确定安装固定轨道25和分叉轨道27的位置并做隧道拱顶清灰处理。为保证轨道受力性能良好，原则上1-2m可以安装一个固定轨道25或分叉轨道27，以使轨道固定。

2)在固定轨道25和分叉轨道27的贴壁铁板11上涂抹环氧树脂和固化剂，采用多胺、双氰双胺等碱性固化剂。

3)涂抹环氧树脂和固化剂的11固定轨道和13分叉轨道分别粘在确定的位置，同时向上顶压橡胶吸盘，让吸盘吸附隧道衬砌。

4)固定轨道25和分叉轨道27端头安装轨道套筒20。

5)将预制好对应长度的标准轨道26安装在两个固定点的轨道套筒20上，安装完毕。

参见图8，一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测方法，包括以下步骤：

1)中控平台24发出监测指令传输至数据传输系统21，并由数据传输系统将控制信号分别传输至激光测量盒1中的控制电路18以控制激光测量盒1到位置P1以及PSD读数盒2中的控制电路18’PSD读数盒2到位置P2，并控制伺服马达17转动，直至激光测量盒1中的激光发生器16的激光对准PSD读数盒2中PSD感光板19，并由控制电路18’中信号解码模块读取对应的X、Y坐标，并返回到数据传输系统21中去，此结束一次测量。

2)中控平台24发出监测指令传输至数据传输系统21，并由数据传输系统分别控制激光测量盒1由位置P1经过支路L2到位置P3和PSD读数盒2中的控制电路18’控制伺服马达17’转动PSD感光板19角度，直至处于位置P3处的激光测量盒1中的激光发生器16的激光对准位置P2处PSD读数盒2中PSD感光板19，并读取对应的X、Y坐标，并返回到数据传输系统21中去，此结束第二次测量。

3)中控平台24发出监测指令传输至数据传输系统21，并由数据传输系统分别控制PSD读数盒2由位置P2经过支路L3到位置P4和激光测量盒1中的控制电路18控制伺服马达17转动激光发生器16的激光角度，直至处于位置P4处的激光测量盒1中的激光发生器16的激光对准位置P3处PSD读数盒2中PSD感光板19，并读取对应的X、Y坐标，并返回到数据传输系统21中去，此结束第三次测量。

4)重复上述交替测量过程，每次测量的结果与上次测量的结果的Y坐标进行对比做差，可以得到各测点的竖直沉降，X坐标可以辅助判定1、2中的伺服马达17需要微调的角度。

本实用新型能解决监控量测技术人员过多而造成的较高的人力成本问题；能解决受自动化水平低而导致的监控量测频率低的问题；能解决监控量测精准度不理想导致的测量数据不理想的问题；可以真实精准的反映隧道长期在微幅振动下的拱顶长期沉降问题。采用本实用新型能够大大提高监测的自动化水平，提高监控量测频率及时反馈监测数据隧道运营情况，大大降低人力成本，节约资金。

以上，仅为本实用新型的较佳实施例，并非仅限于本实用新型的实施范围，凡依本实用新型专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本实用新型的技术范畴。

Claims (8)

1.一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，包括：用于安装测量装置的轨道装置；

所述轨道装置包括：伞型轨道(5)和伞型挂钩(6)；伞型轨道(5)内部为中空的连接空隙(7)，连接空隙(7)内设置有齿轮轨道(9)；伞型轨道(5)上设置有用于与隧道拱顶连接的快速固定装置；所述伞型挂钩(6)嵌于伞型轨道(5)内部的连接空隙(7)中，伞型挂钩(6)上设置有转动齿轮(8)且内置传动装置；伞型挂钩(6)通过转动齿轮(8)与伞型轨道(5)内的齿轮轨道(9)相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，所述的快速固定装置包括用于与隧道拱顶相粘合的贴壁铁板(11)和用于吸附隧道拱顶的橡胶吸盘(12)；橡胶吸盘(12)设置在贴壁铁板(11)外周。

3.根据权利要求2所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，贴壁铁板(11)通过环氧树脂与隧道拱顶相粘合。

4.根据权利要求1所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，所述伞型轨道(5)由多个具有支路的轨道单元拼接组成，轨道单元包括：固定轨道(25)、标准轨道(26)和分叉轨道(27)，其中，两个分叉轨道(27)相对设置形成具有支路的轨道，具有支路的轨道依次连接标准轨道(26)和固定轨道(25)形成一个轨道单元；各类轨道之间通过轨道连接套筒(20)连接。

5.根据权利要求1所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，所述的伞型轨道(5)与伞型挂钩(6)之间填充润滑剂。

6.根据权利要求1所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，所述的测量装置通过连接杆(3)设置在伞型挂钩(6)下端，连接杆(3)上部的螺纹状与伞型挂钩(6)下部的螺纹状通过对接卡口(4)相连。

7.根据权利要求1所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，所述的伞型轨道(5)内部为伞型的连接空隙(7)，外部结构为流线型，所述的伞型挂钩(6)的形状与伞型轨道(5)内部连接空隙(7)形状相匹配。

8.根据权利要求1所述的一种免钻孔安装用于监测隧道拱顶沉降的伞型轨道装置，其特征在于，所述的测量装置安装在伞型挂钩(6)下端，测量装置为包括激光测量盒(1)和PSD读数盒(2)。