CN208296820U - 一种隧道实时沉降观测装置及实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种隧道实时沉降观测装置及实时监测装置，实时沉降观测装置，包括外壳，外壳前后连接红外发射器和红外接收器，外壳顶面内侧连接上极板，顶面外侧连接水平检测装置，外壳底面内侧连接下极板，底面外侧连接调平装置，极板间连接一根直杆，直杆上套设有铜立方体，外壳左侧面连接电源装置；实时监测装置包括前摄像头、后摄像头、上述沉降观测装置以及设置在隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的若干反光帽；前摄像头和后摄像头均与控制器连接，固定设置在外壳上，前摄像头的镜头和后摄像头的镜头同轴，且能够拍摄到镜头前方隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的反光帽；能够时时测量隧道地面沉降量，拱顶下降量，拱腰收敛位移量。

Description

一种隧道实时沉降观测装置及实时监测装置

技术领域

本实用新型涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种隧道实时沉降观测装置及实时监测装置。

背景技术

目前，我国铁路、公路、水利等隧道工程的发展进入了新的时期，隧道工程的建造数量与日俱增。随着隧道工程建设的展开，动态施工的理念得到越来越多的关注。动态施工的基本含义是隧道施工的各种决策都要在施工阶段的地质技术、施工阶段的量测技术和施工阶段的质量控制技术的基础上进行管理。因此，在动态施工中，量测、观察起到的作用是不能忽视的，它不是可有可无的，而是施工过程中的一个重要环节。量测所得的净空位移和拱顶沉降值是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现，是在隧道全长进行的重要量测项目。现在的隧道监测技术多有严重的滞后性，往往是在掌子面开挖后，再在拱顶挂尺，然后用量测仪器进行测量，而从掌子面开挖完成到测量人员得出测量结果的这段时间无法得到隧道的拱顶位移和净空位移。如果隧道因位移过大而有坍塌的趋势，也无法用传统的测量方法得知。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型一种隧道实时沉降观测装置实时监测装置。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种隧道实时沉降观测装置，包括外壳，外壳前后连接红外发射器和红外接收器，外壳顶面内侧连接上极板，顶面外侧连接水平检测装置，外壳底面内侧连接下极板，底面外侧连接调平装置，上极板与下极板间设置一根直杆，直杆上套设有铜立方体，外壳的侧面连接电源装置。

外壳为长方体外壳，所述的调平装置是长方体外壳的四个角连接的弹簧支座，弹簧支座高度可调，可压缩弹簧支座的弹簧以改变弹簧支座高度，通过改变各角点的高度调节水平。

所述的电源装置包括电源和滑动变阻器，上极板和下极板分别与电源的两极相连，滑动变阻器与电源并联。

直杆上设置有用于显示铜立方体上下位置的刻度。

还包括板车，板车包括平板，平板的底部设置有车轮，平板上安装有推杆，外壳通过其底面外侧连接的调平装置设置在平板的上表面。

还包括控制器，控制器与红外接收器连接。

一种隧道实时监测装置，包括前摄像头、后摄像头、上述沉降观测装置以及设置在隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的若干反光帽；

前摄像头和后摄像头均与控制器连接，固定设置在外壳上，前摄像头的镜头和后摄像头的镜头同轴，且能够拍摄到镜头前方隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的反光帽。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型的隧道实时沉降观测装置通过在外壳顶面内侧连接上极板，外壳底面内侧连接下极板，上下极板连接电源装置，通过电源装置给上下极板供电，能够使上下极板之间产生匀强磁场；在极板间连接一根直杆，直杆上套设有铜立方体，当给铜立方体带有一定的电荷量后，带电的铜立方体的重力与匀强电场对铜立方体施加的电场力相平衡，使带电的铜立方体能够悬浮于上下极板之间；在使用时，将实时沉降观测装置设置在待测量的位置，通过水平检测装置和接调平装置进行调整，使直杆呈竖直状态，当待测量的位置发生沉降后，铜立方体在竖直方向位置不动，外壳、直杆、红外发射器和红外接收器均随待测量位置一起沉降，在待测量位置发生沉降过程中，铜立方体对红外发射器发出的红外线进行遮挡，同时记录红外接收器未接收到的红外线的数量，通过该数量以及红外发射器发出的相邻两道红外线之间的距离计算待测量位置的沉降量。

进一步的，由于各地区重力加速度不同，在不同地区使用本实用新型的实时沉降观测装置时，需要通过调节滑动变阻器来调节上下极板之间的电场强度，以使得铜立方体能够在不同地区悬浮于上下极板之间。

本实用新型的隧道实时监测装置通过本实用新型的实时沉降观测装置实时观测隧道地面的沉降，并能到沉降量；通过前摄像头、后摄像头以及设置在隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的若干反光帽能够测量隧道拱顶的下降量以及拱腰收敛位移，在隧道产生拱顶沉降后，拱顶的反光帽随拱顶一起下降，从摄像头的镜头中读出被观察的拱顶的反光帽下降后，摄像头在竖直方向观察角度的变化，控制器根据前摄像头读出的竖直方向变化的观察角度，后摄像头读出的竖直方向变化的观察角度，前摄像头和后摄像头之间的距离以及隧道地面的沉降量计算出隧道拱顶的沉降值；在隧道拱腰发生收敛位移时，隧道拱腰两侧的反光帽随隧道拱腰一起移动，从摄像头的镜头中读出被观察的拱顶的反光帽移动后，摄像头在水平方向观察角度的变化，控制器根据前摄像头读出的水平方向变化的观察角度，后摄像头读出的水平方向变化的观察角度以及前摄像头和后摄像头之间的距离计算隧道拱腰收敛位移值；因此本实用新型的隧道实时监测装置能够时时监测隧道地面的沉降量、隧道拱顶的沉降值和隧道拱腰收敛位移值，实时性好，使用方便，节省人力的特点，克服了传统测量方法繁琐又严重滞后的问题，并能通过控制器将上述测量值传输到施工管理人员的通讯设备上，因此数据采集也更加便捷安全，提高了施工效率和施工的安全性。

附图说明

图1是本实用新型隧道实时沉降观测装置的结构示意图。

图2是本实用新型隧道实时沉降观测装置的正视图。

图3是本实用新型隧道实时沉降观测装置的左视图。

图4是本实用新型电源装置的电路图。

图5是本实用新型隧道实时沉降观测装置的俯视图。

图6是本实用新型隧道实时监测装置的使用图。

图7是本实用新型隧道实时监测装置的三维模型图。

图8是通过本实用新型的隧道实时监测装置拱顶测量时的几何关系图。

图9是通过本实用新型的隧道实时监测装置拱腰测量时的几何关系图。

图10是本实用新型采用的摄像头的镜头示意图图。

图中，1-直杆，2-红外发射器，3-铜立方体，4-外壳，5-调平装置，6-电源装置，7-水平检测装置，8-上极板，9-下极板，10-电源，11-滑动变阻器，12-架杆，13-红外接收器，14-车轮，15-平板，16-报警器，17-推杆，18-前摄像头，19-后摄像头，20-反光帽，21-控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本实用新型作进一步的说明。

如图1至图3所示，本实用新型的隧道实时沉降观测装置，包括外壳4，外壳4前后侧面分别连接红外发射器2和红外接收器13，外壳4顶面内侧连接上极板8，顶面外侧连接水平检测装置7，外壳4底面内侧连接下极板9，上极板8与下极板9平行且正对，底面外侧连接调平装置5，两个极板间连接一根直杆1，直杆1上套设有铜立方体3，外壳4左侧面连接电源装置6。

作为本实用新型优选的实施方案，外壳4为长方体外壳，调平装置5是长方体外壳的四个角连接的弹簧支座，可压缩弹簧改变弹簧支座高度，通过改变各角点的高度调节水平，调平装置5通过调整长方体的外壳四个角的高度，使得外壳底面呈水平。

如图4所示，作为本实用新型优选的实施方案，的电源装置6包括电源10和滑动变阻器11，上极板8和下极板9分别与电源10的两极相连，滑动变阻器11与电源10并联。

作为本实用新型优选的实施方案，电源10为12V，滑动变阻器11最大阻值为1KΩ。

作为本实用新型优选的实施方案，水平检测装置7内部装有水，顶部留一直径20mm的气泡，水平检测装置7表面有刻度，通过调节调平装置5，使得水平检测装置7中的气泡居于水平检测装置7的中部时，表明整个隧道实时沉降观测装置处于水平状态，此时，直杆1处于竖直状态。

如图2所示，作为本实用新型优选的实施方案，直杆1上设置有用于显示铜立方体3上下位置的刻度。

如图6和图7所示，作为本实用新型优选的实施方案，本实用新型隧道实时沉降观测装置还包括板车，板车包括平板15，平板15的底部设置有车轮14，平板15上安装有推杆17，外壳4通过其底面外侧连接的调平装置5设置在平板15的上表面，通过板车能够方便本实用新型隧道实时沉降观测装置的移动和使用。

参照图7，作为本实用新型优选的实施方案，本实用新型隧道实时沉降观测装置还包括控制器21，控制器21与红外接收器13连接，通过设置控制器21，能够将控制器与其它的显示设备、报警装置相连，能够便于本实用新型隧道实时沉降观测装置与实时传输与显示，以及预警提示。

作为本实用新型优选的实施方案，控制器21采用单片机。

作为本实用新型优选的实施方案，外壳4的外形尺寸为：长×宽×高＝(200mm-300mm)×(200mm-300mm)×(220mm-320mm)，外壳4为轻质塑料；上极板8和下极板9均为铝合金材料，上极板8与电源10的正极连接，下极板9与电源10的负极连接；铜立方体3的边长为15mm-20mm，铜立方体3的材质为纯铜，在测量时，铜立方体3带有-0.01C的电荷量；直杆1材质为玻璃，并刻有刻度，直杆1上刻度的量程为200mm-300mm；铜立方体3沿面上的轴心开设有中心孔，铜立方体3通过中心孔套在直杆1上，并且铜立方体3与直杆1之间接触面光滑；设置一根绝缘的架杆12，架杆12能够穿过外壳4，用于托起铜立方体3，使铜立方体3不与下极板9接触，并能使铜立方体3停留于匀强电场中的指定位置，在测量时，当铜立方体3到达指定位置后，将架杆12抽出；

基于本实用新型的上述的隧道实时沉降观测装置，对隧道实时进行沉降观测的方法，参照图1、图2、图6和图7，其过程如下：

将实时沉降观测装置设置在待测量的位置，调平实时沉降观测装置，使直杆1呈竖直状态；

使铜立方体3带电；

打开电源装置6，使上极板8和下极板9带电，并在上极板8和下极板9之间形成匀强电场；

带电的铜立方体3在匀强电场中受到向上的电场力，铜立方体3所受的电场力与铜立方体3的重力相互平衡，使铜立方体3处于悬浮状态；

打开红外发射器2和红外接收器13，红外发射器2从上到下每间隔预设距离发射一道水平的红外线，红外接收器13接收每一道红外线；

当待测量的位置发生沉降后，铜立方体3在竖直方向位置不动，外壳4、直杆1、红外发射器2和红外接收器13均随待测量位置一起沉降，在待测量位置发生沉降过程中，铜立方体3对红外发射器2发出的红外线进行遮挡，同时记录红外接收器13未接收到的红外线的数量，通过该数量以及红外发射器2发出的相邻两道红外线之间的距离计算待测量位置的沉降量。

作为本实用新型优选的实施方案，参照图4，由于各地区重力加速度不同，打开电源装置6后，调节滑动变阻器11，调节极板间电压，进一步改变极板间的电场强度，使铜立方体3受力平衡，处于悬浮状态。

作为本实用新型优选的实施方案，红外发射器2从上到下每间隔1mm发射一道水平的红外线。

作为本实用新型优选的实施方案，若红外线被铜立方体3遮挡，则红外接收器13会发出信号，控制器21接收信号并计数。

参照图6和图7，本实用新型的隧道实时监测装置，包括前摄像头18、后摄像头19、上述沉降观测装置以及设置在隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的若干反光帽20；

前摄像头18和后摄像头19均与控制器21连接，前摄像头18和后摄像头19均固定设置在外壳4上，前摄像头18的镜头和后摄像头19的镜头同轴，且能够拍摄到镜头前方隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的反光帽20，前摄像头18和后摄像头19的镜头表面均绘有刻度线(如图10所示)。

作为本实用新型优选的实施方案，如图10，前摄像头18和后摄像头19的镜头表面的刻度包括水平刻度和竖直刻度，竖直刻度与水平刻度的范围都是30度至150度，中点是90度，前摄像头18和后摄像头19的像素为三百万以上。

作为本实用新型优选的实施方案，外壳4上表面中线前后分别连接前摄像头18和后摄像头19，前摄像头18和后摄像头19均为高像素摄像头，摄像头连接电源装置和控制器，控制器还连接有报警装置。

作为本实用新型优选的实施方案，前摄像头18和后摄像头19都是工业摄像机。

基于本实用新型上述隧道实时监测装置的隧道实时监测方法，其过程如下：

通过实时沉降观测装置实时观测隧道地面的沉降；

当隧道地面发生沉降后，实时沉降观测装置测量出地面的沉降量；

如图6所示，通过前摄像头18和后摄像头19时时观察它们镜头前方拱顶和拱腰两侧的反光帽20；

参照图8，在隧道产生拱顶沉降后，拱顶的反光帽20随拱顶一起下降，从摄像头18，19的镜头中读出被观察的拱顶的反光帽20下降后，摄像头18，19在竖直方向观察角度的变化，控制器21根据前摄像头18读出的竖直方向变化的观察角度，后摄像头19读出的竖直方向变化的观察角度，前摄像头18和后摄像头19之间的距离以及隧道地面的沉降量计算出隧道拱顶的沉降值；

参照图9，在隧道拱腰发生收敛位移时，隧道拱腰两侧的反光帽20随隧道拱腰一起移动，从摄像头18，19的镜头中读出被观察的拱顶的反光帽20移动后，摄像头18，19在水平方向观察角度的变化，控制器21根据前摄像头18读出的水平方向变化的观察角度，后摄像头19读出的水平方向变化的观察角度以及前摄像头18和后摄像头19之间的距离计算隧道拱腰收敛位移值；

控制器21将测得的隧道地面的沉降量、隧道拱顶的沉降值和隧道拱腰收敛位移值传输到施工管理人员的通讯设备上。

综上，本实用新型能够对掌子面的情况进行实时监测，又使用方便、节省人力，克服了传统测量方法繁琐又严重滞后的问题，能为二次衬砌施工提供准确数据，能对隧道塌方等灾害进行预警，从而提高隧道施工的机械化、信息化水平。

本实用新型的实施的具体原理如下：

参照图1和图4，调平隧道实时沉降观测装置后，打开电源装置6，上下两极板(8、9)带电，上极板8与下极板9通电后相当于电容器，两极板间产生一匀强电场，电场线垂直向下，则带有负电的铜立方体3受到向上的电场力，铜立方体3所受电场力可与其重力平衡，即qU＝mgd。测量前，由于各地区重力加速度不同，需要通过滑动变阻器11调节两极板之间的电压大小，使铜立方体3受力平衡，打开红外发射器2和红外接收器13，红外发射器2从上到下每隔1mm发射一道水平的红外线，红外接收器13接收每一道红外线。随后的时间，隧道实时沉降观测装置中除了铜立方体3，其它部件均随沉降的发生而下沉，此时铜立方体3仍处于静止状态，铜立方体3相对于直杆1、红外发射器2和红外接收器13向上移动，移动时，铜立方体3会阻挡红外发射器2发出的红外线，当红外接收器13未接收到红外发射器2发出的红外线，则会发出信号，铜立方体上方红外接收器13的信号发给控制器21后，控制器21计数“1”，铜立方体下方红外接收器13的信号发给控制器21后，控制器计数“-1”，每一时刻累计所得的数字设为X₁，X₁即为隧道地面的沉降值。

参照图5至图10，在掌子面开挖后，在与摄像头平行位置，用射钉枪将带有反光帽20的钢钉射入拱顶和拱腰两侧，其中拱顶1处，拱腰两侧各一处，这三处测点的反光帽10所在平面与摄像头的镜头的轴线垂直。参照图8，通过前、后摄像头(18，19)观察拱顶反光帽20可读出一个角度，即反光帽20与摄像头光心连线与水平线的夹角。前摄像头18读出的角度为α，后摄像头19读出的角度为β，前后摄像头之间的距离为a，反光帽20到两个摄像头连线的竖直距离为H₁，可根据几何关系列出等式：H₁＝a/(cotβ-cotα)。在隧道产生拱顶沉降后，反光帽20下降，从摄像头中读出的角度变化，变化后前摄像头18读出的角度为γ，变化后后摄像头19读出的角度为δ，可根据几何关系列出等式：H₂＝a/(cotδ-cotγ)。则隧道的净空位移值为X₂＝H₁-H₂。则隧道的拱顶沉降值X为X₂与隧道地面的沉降值X₁之和，即X＝X₁+X₂。

参照图9，通过前摄像头18观察拱腰左侧反光帽可读出角度ε，后摄像头19读出的角度为左侧反光帽20与两摄像头连线的水平距离为L₁，可根据几何关系列出等式： 在隧道拱腰发生收敛位移时，前摄像头18读出的角度为η，后摄像头19读出的角度为θ，可根据几何关系列出等式：L₂＝a/(cotθ-cotη)。则隧道左侧拱腰收敛位移值L＝L₁-L₂。隧道右侧拱腰收敛位移值与左侧同样测得。以上所有的计算过程都由控制器21完成，计算结果可由控制器21传输到施工管理人员的通讯设备上。施工管理人员可设置危险位移值传输到控制器21，当控制器21的计算结果到达危险位移值，控制器21传输信号到报警器16，报警器16发出报警声。

Claims (7)

1.一种隧道实时沉降观测装置，其特征在于，包括外壳(4)，外壳(4)前后连接红外发射器(2)和红外接收器(13)，外壳(4)顶面内侧连接上极板(8)，顶面外侧连接水平检测装置(7)，外壳(4)底面内侧连接下极板(9)，底面外侧连接调平装置(5)，上极板(8)与下极板(9)之间设置一根直杆(1)，直杆(1)上套设有铜立方体(3)，外壳(4)的侧面连接电源装置(6)。

2.根据权利要求1所述的一种隧道实时沉降观测装置，其特征在于，外壳(4)为长方体外壳，所述的调平装置(5)是长方体外壳的四个角连接的弹簧支座，变弹簧支座高度可调。

3.根据权利要求1所述的一种隧道实时沉降观测装置，其特征在于，所述的电源装置(6)包括电源(10)和滑动变阻器(11)，上极板(8)和下极板(9)分别与电源(10)的两极相连，滑动变阻器(11)与电源(10)并联。

4.根据权利要求1所述的一种隧道实时沉降观测装置，其特征在于，直杆(1)上设置有用于显示铜立方体(3)上下位置的刻度。

5.根据权利要求1所述的一种隧道实时沉降观测装置，其特征在于，还包括板车，板车包括平板(15)，平板(15)的底部设置有车轮(14)，平板(15)上安装有推杆(17)，外壳(4)通过其底面外侧连接的调平装置(5)设置在平板(15)的上表面。

6.根据权利要求1所述的一种隧道实时沉降观测装置，其特征在于，还包括控制器(21)，控制器(21)与红外接收器(13)连接。

7.一种隧道实时监测装置，其特征在于，包括前摄像头(18)、后摄像头(19)、设置在隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的若干反光帽(20)以及权利要求6所述的沉降观测装置；

前摄像头(18)和后摄像头(19)均与控制器(21)连接，前摄像头(18)和后摄像头(19)均固定设置在外壳(4)上，前摄像头(18)的镜头和后摄像头(19)的镜头同轴，且能够拍摄到镜头前方隧道掌子面的拱顶和拱腰两侧的反光帽(20)。