CN210533333U

CN210533333U - 一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置

Info

Publication number: CN210533333U
Application number: CN201921106306.XU
Authority: CN
Inventors: 李昌龙; 卢凤文; 吴维义; 张世娟; 廖斌
Original assignee: Guizhou Transportation Planning Survey and Design Academe Co Ltd
Current assignee: Guizhou Transportation Planning Survey and Design Academe Co Ltd
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2029-07-16

Abstract

本实用新型公开了一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其包括固连在隧道衬砌表面上的传感系统和采集传输系统，在隧道内设置多个检测断面，在每一个检测断面的衬砌表面上设有多件传感系统，并且相邻的多个检测断面之间至少设有一件与每件传感系统连接的采集传输系统；通过传感系统实时监测隧道施工围岩松动圈变形量并将监测数据发送至采集传输系统，并与远程终端进行数据交互，进行不同等级预警。本实用新型结构简单，安装和使用便捷，成本低廉，能够排除隧道施工干扰，监测精度高、性能好，测量数据真实可靠，实现自动采集数据、自动报警并自动推送信息至后台，方便施工部门根据相应监测信息及时制定应对措施，大大提高隧道施工安全性和施工效率。

Description

一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置

技术领域

本实用新型涉及一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，属于隧道制造及监测设备技术领域。

背景技术

在隧道施工过程中，围岩松动圈变形量测是必测项目，测量仪器精度要求不低于0.1mm。由于精度限制，隧道施工过程中将围岩松动圈变形量测分为周边位移和拱顶下沉两个项目，分别采用收敛计和水准仪进行测量；必要时通过多点位移计监测围岩内部位移。此外，部分工程也摆脱了仪器精度的束缚，采用全站仪进行控制量测。然而，基于收敛计、水准仪、全站仪的测量方法均属于常规方法，不能完全满足信息化施工。调研发现，目前解决隧道信息化施工的监测手段有两种方式：一是激光收敛计自动监测预警；二是静力水准仪自动监测预警。这两种方法都受隧道施工环境等影响，并未得到广泛应用。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，可以克服现有技术的不足。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，它包括固连在隧道衬砌表面上的传感系统和采集传输系统；在隧道内设置多个检测断面，每个检测断面的衬砌表面上设置多件传感系统；并且相邻的多个检测断面之间至少设有一件与每件传感系统连接的采集传输系统；所述传感系统用于实时监测隧道施工围岩松动圈变形量并将监测数据发送至采集传输系统，所述采集传输系统用于采集监测数据，进行预警并将数据发送至远程终端。

在前述每一个检测断面上均设置3～5件传感系统；相邻检测断面之间距离不大于30m时，在2～3个检测断面布置一个采集传输系统，并且每个检测断面上的传感系统均通过线缆与所述采集传输系统连接；相邻检测断面距离大于30m时，在每个检测断面布置一个采集传输系统，其通过线缆与设置在该检测断面的传感系统连接。

前述传感系统包括呈对设置的支架，所述支架下端与预埋在衬砌内两相邻的工字钢架固连，上端通过螺母固连有基座板，在基座板中部设有保护盒和设置在保护盒内的拉绳位移传感器，所述拉绳位移传感器底部的感应线贯穿围岩松动圈分界线并与被测断面连接。

前述支架为螺杆，螺杆底端垂直设置在预埋在衬砌内两相邻的工字钢架上，二者焊接固连；所述螺杆延伸出衬砌表面，并且其延伸长度不小于15cm；所述基座板通过螺母固定在螺杆上，并且基座板与衬砌表面的距离10～15cm；在两螺杆中间开设有检测孔，所述检测孔孔底为被测断面，检测孔相对于被测断面垂直且与工字钢架平行设置，在检测孔内套设有中空注浆锚杆结构，所述中空注浆锚杆结构包括感应线保护管和设置在其内的引线，所述感应线保护管的底端与被测断面抵接，被测断面内预埋王字筋，所述引线底端与王字筋固连，上端与拉绳位移传感器的感应线连接。

前述检测孔孔径为

孔深为穿过隧道围岩松动圈分界线下方30～50cm；所述感应线保护管通过浇注水泥浆固连在检测孔内；所述王字筋的直径为

在王字筋顶端设有滑轮机构；所述引线为直径

的软钢丝线，所述引线绕过滑轮机构与王字筋固连并构成双线组结构，引线上端延伸出感应线保护管并与其顶部的距离为30～50cm。

前述采集传输系统包括机箱盒、中继器和报警器，所述机箱盒包括多通道数据采集仪和与之连接的无线传输模块DTU，无线传输模块DTU与报警器和远程终端连接；所述继电器安装在无线传输模块DTU与报警器之间，用于触发报警器发出警报，所述中继器安装在隧道衬砌表面顶部中心处，其与无线传输模块DTU连接，用于增强无线信号，提高监测、数据采集及传输精度；所述各部件均与供电系统连接，所述供电系统包括通过电路相互连接的整流器、充放电控制器和蓄电池，所述蓄电池通过充放电控制器与外接电源连接。

与现有技术比较，本实用新型公开了一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其包括传感系统和与之连接的采集传输系统；所述传感系统与采集传输系统固连在隧道衬砌表面上，并且隧道内设置多个检测断面，在每一个检测断面的衬砌表面上设有多件传感系统，并且相邻的多个检测断面之间至少设有一件与每件传感系统连接的采集传输系统；通过传感系统实时监测隧道施工围岩松动圈变形量并将监测数据发送至采集传输系统，所述采集传输系统与远程终端进行数据交互，进行不同等级预警。在隧道施工中，隧道的变形基本来源于围岩松动圈变形产生的位移，且在有钢架支护的隧道中，松动圈的变形首先传递给钢架，钢架之间的变形相对较迟缓。于此，根据隧道施工前期计算与评估，得出隧道内变形区域，并设置多个检测断面，在每一个检测检测断面上安装3～5件件传感系统；当相邻检测断面之间距离不大于30m时，在2～3个检测断面布置一个采集传输系统，并且每个检测断面上的传感系统均通过线缆与对应的采集传输系统连接，采用一件采集传输系统同时采集多个检测断面的数据；当相邻检测断面距离大于30m时，在每个检测断面布置一个采集传输系统用于单独采集该断面的数据，在最大程度上降低检测成本的同时保证检查精度；所述传感系统布置时，以三角形拓扑形式布置在每一个检测断面上，传感系统的监测元件为拉绳位移传感器，其精度可达到0.1mm，满足测量要求，安装则通过支架固连在衬砌表面上方，所述支架下端与预埋在衬砌内两相邻的工字钢架相连，在两工字钢架中间开设检测孔，孔底至围岩松动圈范围内，使拉绳位移传感器的感应线贯穿检测孔并固连在孔底，进而实时监测围岩松动圈范围内的变形量。本设计以检测断面上预埋在衬砌内两相邻的工字钢架为基准点安装传感系统，并在两工字钢架中间打孔引出参考点，对隧道施工围岩松动圈变形量进行实时监测，其可避免隧道施工环境的影响，使设备能够准确采集到变形数据。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型结构简单，安装和使用便捷，所需耗材价格低廉，经济实用性好。

(2)能够排除隧道施工干扰，参考点稳定，并且采用拉绳位移传感器进行监测，精度高、性能好，测量数据真实、可靠。

(3)拉绳位移计被拉伸或压缩的长度代表测量处围岩松动圈产生的位移量，数据能直观反映松动圈变形规律。

(4)智能化水平高，能够自动采集数据、自动报警并自动推送信息至后台，方便施工部门根据相应监测信息及时制定应对措施，大大提高隧道施工安全性和施工效率。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：

图1为本实用新型的安装结构示意图。

图2是图1的正面结构示意图(实施例一)。

图3是图1图1的正面结构示意图(实施例二)。

图4是图1中传感系统的安装结构示意图。

图5是图4中传感系统中拉绳位移传感器感应线与感应线保护管内的引线连接示意图。

图6是图1中机箱盒的结构示意图。

图7是本实用新型围岩松动圈范围示意图。

图8是本实用新型围岩松动圈变形拓扑三角形示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

如图1～图8所示，一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，它包括传感系统和与之连接的采集传输系统；所述传感系统与采集传输系统固连在隧道衬砌表面2上，并且隧道内设置多个检测断面，所述检测断面上设置多件传感系统，并且相邻的多个检测断面之间至少设有一件与每件传感系统连接的采集传输系统；所述传感系统用于实时监测隧道施工围岩松动圈变形量并将监测数据发送至采集传输系统，所述采集传输系统用于采集监测数据，进行预警并将数据发送至远程终端。

具体地，在每一个检测断面上均设置3～5件传感系统；相邻检测断面之间距离不大于30m时，在2～3个检测断面布置一个采集传输系统，并且每个检测断面上的传感系统均通过线缆与所述采集传输系统连接；相邻检测断面距离大于30m时，在每个检测断面布置一个采集传输系统，其通过线缆与设置在该检测断面的传感系统连接。

所述传感系统包括呈对设置的支架8，所述支架8下端与预埋在衬砌内两相邻的工字钢架1固连，上端通过螺母7固连有基座板3，在基座板3中部设有保护盒4和设置在保护盒4内的拉绳位移传感器5，所述拉绳位移传感器5底部连接有感应线6；所述感应线6贯穿围岩松动圈分界线13并与被测断面连接。

所述采集传输系统包括机箱盒17、中继器16、报警器18，所述机箱盒17安装在隧道衬砌表面2一侧，所述报警器18固连在机箱盒17的箱体顶部，所述机箱盒17包括多通道数据采集仪19、无线传输模块DTU20、继电器21和供电系统；所述多通道数据采集仪 19的信号输入接口与传感系统的拉绳位移传感器5连接，信号输出接口与无线传输模块 DTU20连接，无线传输模块DTU20与报警器18和远程终端连接；所述继电器21安装在无线传输模块DTU20与报警器18之间，所述中继器16安装在隧道衬砌表面2顶部中心处，其与无线传输模块DTU20连接，用于增强无线信号，实现通过无线网络精准将采集的数据传输到远程终端，提高监测准确性；所述多通道数据采集仪19用于同时采集同一检测断面上多组传感系统的数据；所述无线传输模块DTU20支持采集端和服务端双向传输，可实现 WiFi网络通讯，用于将数据传输至远程终端、接受远程终端的控制指令、超限时触发继电器21使报警器18发出警报；所述供电系统包括整流器22、充放电控制器23和蓄电池24，所述充放电控制器23与蓄电池24和外接电源25连接，所述整流器22用于将电流整合成上述给部件所需要的工作电源；所述充放电控制器23用于调节外接电源25提供的电压，使其对电池24充电和放电并将电源按要求输送给整流器22。

所述支架8为螺杆，所述螺杆底端垂直设置在预埋在衬砌内两相邻的工字钢架1上，二者焊接固连，所述螺杆延伸出衬砌表面2，并且螺杆顶端至衬砌表面2的距离不小于15cm。通过螺母7配合螺杆将基座板3固定在螺杆上，并且基座板3与衬砌表面2的距离 10～15cm。

在所述两相邻的工字钢架1中间开设有检测孔，所述检测孔孔底为被测断面，检测孔相对于被测断面垂直且与工字钢架1平行设置，在检测孔内套设有中空注浆锚杆结构，所述拉绳位移传感器的感应线6贯穿中空注浆锚杆结构与被测断面连接。所述检测孔孔径为

孔深为穿过隧道围岩松动圈分界线13下方30～50cm；所述中空注浆锚杆结构包括感应线保护管9，所述感应线保护管9的底端与被测断面抵接，在感应线保护管9内设有与被测断面固连的引线10，所述感应线保护管9通过浇注水泥浆12固连在检测孔内，在检测孔孔底的被测断面内预埋王字筋11，所述引线10底端固连在王字筋11上，上端与感应线保护管9顶部距离为30～50cm，并与拉绳位移传感器的感应线6连接。

所述王字筋11的直径为

在王字筋11顶端设有滑轮机构14；所述引线10为直径为

的双线组结构的软钢丝线，所述引线10通过滑轮机构14与王字筋11固连，具体地所述引线10绕过滑轮机构14构成双线组结构，其中一条引线与感应线6连接，另一条缠绕在调节螺钉15上，通过调节螺钉15可以调节引线10的预拉伸长度。所述滑轮机构14 保证引线10永久活动，便于引线10与感应线6的衔接安装与调节。

一种基于上述装置的隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警方法，具体步骤为：

s1、在隧道内设置多个检测断面，在初支过程中，在每一个检测断面上安装支架8和中空注浆锚杆结构；

s2、在远程终端上构建预警数据库，

所述预警数据库包括数据存储数据库、累计位移变形量预警数据库和速度变化值预警数据库；

s3、安装所述采集传输系统和多个传感系统；

s4、在初支段，进行实时监测和数据采集，通过采集传输系统与远程终端实时数据交互，进行不同等级预警；

s5、在二衬段，进行实时监测和数据采集，通过采集传输系统与远程终端实时数据交互，进行不同等级预警；

s6、在中空注浆锚杆结构内浇注水泥浆12，监测完成。

步骤s1中，所述支架8为3～5组设置，并以三角形拓扑形式布置在每一个检测断面上，在每组支架8中间安装中空注浆锚杆结构；

采用普氏冒落拱理论或弹塑性支护理论计算出隧道松动圈的范围；或根据表1中的围岩松动圈参考值表得出隧道松动圈的范围，进而划分围岩松动圈分界线13，在每组支架中间开设孔径为

的检测孔，孔深至穿过围岩松动圈分界线13下方30～50cm；并在检测孔插入中空注浆锚杆结构，浇注水泥浆12，完成中空注浆锚杆结构安装。

表1围岩松动圈参考值

围岩级别	稳定情况	松动圈(cm)
			Ⅰ	稳定围岩	0～40
Ⅱ	较稳定围岩	40～60
			Ⅲ	一般围岩	60～150
Ⅳ	一般不稳定围岩(软岩)	150～200
			Ⅴ	不稳定围岩(较软围岩)	200～300
Ⅵ	极不稳定围岩(极软围岩)	＞300

步骤s2中，根据隧道相关设计规范、理论计算及隧道施工经验等，构建累计位移变形量预警数据库和速度变化值预警数据库。

步骤s3中，在每个检测断面宜安装3～5件传感系统；并对每一件传感系统进行唯一编号标识；

而采集传输系统需根据实际情况布置，相邻检测断面之间距离较近时，具体为不大于30m 时，宜在2～3个检测断面布置一个采集传输系统，并且每个检测断面上的传感系统均通过线缆与所述采集传输系统连接，用一个采集传输系统同时采集所述2～3个检测断面的相关数据；相邻检测断面距离较远时，具体为大于30m时，宜在每个检测断面布置一个采集传输系统，其与设置在该检测断面上的传感系统连接，用于独立采集一个检测断面的相关数据。

根据隧道宽度从表1中确定预留变形量，选择传感系统中的拉绳位移传感器5型号，所述拉绳位移传感器5的量程大于2倍以上的预留变形量值；将拉绳位移传感器5固定在支架8上，使其底部的感应线6与中空注浆锚杆结构的引线10连接，通过调节螺钉15沿滑轮机构14调节引线10预拉伸长度，使初始采集状态的数据值为0。引线10的预拉出长度根据表2中的预留变形量进行选择。

表2预留变形量(mm)

步骤s4中，在初支段，将同一检测断面各测点的数据存储至数据存储数据库，并与累计位移变形量预警数据库、速度变化值预警数据库进行对比分析：

在累计位移变形量监测预警数据库设有变形量额定值U0，通过传感系统和采集传输系统实时监测、采集围岩松动圈变形量值，并将其存储至数据存储数据库，并与变形量额定值U0 进行对比，得到不同等级的预警，见表3，警级可分为三级，Ⅰ(红色，停止施工)、Ⅱ(橙色，应加强支护)、Ⅲ(绿色，正常施工)。

表3累计位移变形量预警等级

管理等级	管理位移(mm)	施工状态	颜色标识
				Ⅲ	U<(U0/3)	可正常施工	绿色
Ⅱ	(U0/3)≤U≤(2U0/3)	应加强支护	橙色
				Ⅰ	U>(2U0/3)	应采取特殊措施	红色

在速度变化值预警数据库内设置速率限值，当速度一次变化较大时或超出累计位移变形量预警等级范围时均按速度变化值预警，见表4，警级可分为三级，Ⅰ(红色，停止施工)、Ⅱ (橙色，应加强支护)、Ⅲ(绿色，正常施工)。

表4速度变化位移预警等级

速率限值	施工状态	颜色标识
			连续5天，变形速率小于0.2mm/d时	可正常施工	绿色
连续5天，变形速率1～0.2mm/d时	应加强支护	橙色
			连续5天，变形速率大于1.0mm/d时	应采取特殊措施	红色

步骤s5中，初支结束后，拆除采集传输系统和传感系统，采用PVC管将支架8及中空注浆锚杆结构保护起来，进行二衬施工。

在二衬段，重复步骤s2～s4，将同一检测断面各测点的数据存储至数据存储数据库，并与累计位移变形量预警数据库进行对比分析，进行灾害预警，警级可分为四级，Ⅰ(绿色，忽略级)、Ⅱ(黄色，注意级)、Ⅲ(橙色，预警级)、Ⅳ(红色，报警级)。

在各阶段监测中，将以三角形拓扑形式布置的传感系统监测到的数据集中处理，绘制成隧道松动圈的变形拓扑三角形26，并多次绘制三角形得到隧道轮廓变形规律，更加便于施工部门制定相应的应对措施。

步骤s6中，监测完成后，拆除采集传输系统和传感系统，并在中空注浆锚杆结构中浇注水泥浆12，完成隧道修复。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，它包括固连在隧道衬砌表面（2）上的传感系统和采集传输系统，其特征在于：在隧道内设置多个检测断面，每个检测断面的衬砌表面（2）上设置多件传感系统；并且相邻的多个检测断面之间至少设有一件与每件传感系统连接的采集传输系统；所述传感系统用于实时监测隧道施工围岩松动圈变形量并将监测数据发送至采集传输系统，所述采集传输系统用于采集监测数据，进行预警并将数据发送至远程终端。

2.根据权利要求1所述的隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其特征在于：在每一个检测断面上均设置3~5件传感系统；相邻检测断面之间距离不大于30m时，在2~3个检测断面布置一个采集传输系统，并且每个检测断面上的传感系统均通过线缆与所述采集传输系统连接；相邻检测断面距离大于30m时，在每个检测断面布置一个采集传输系统，其通过线缆与设置在该检测断面的传感系统连接。

3.根据权利要求2所述的隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其特征在于：所述传感系统包括呈对设置的支架（8），所述支架（8）下端与预埋在衬砌内两相邻的工字钢架（1）固连，上端通过螺母（7）固连有基座板（3），在基座板（3）中部设有保护盒（4）和设置在保护盒（4）内的拉绳位移传感器（5），所述拉绳位移传感器（5）底部的感应线（6）贯穿围岩松动圈分界线（13）并与被测断面连接。

4.根据权利要求3所述的隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其特征在于：所述支架（8）为螺杆，螺杆底端垂直设置在预埋在衬砌内两相邻的工字钢架（1）上，二者焊接固连；所述螺杆延伸出衬砌表面（2），并且其延伸长度不小于15cm；所述基座板（3）通过螺母（7）固定在螺杆上，并且基座板（3）与衬砌表面（2）的距离10~15cm；在两螺杆中间开设有检测孔，所述检测孔孔底为被测断面，检测孔相对于被测断面垂直且与工字钢架（1）平行设置，在检测孔内套设有中空注浆锚杆结构，所述中空注浆锚杆结构包括感应线保护管（9）和设置在其内的引线（10），所述感应线保护管（9）的底端与被测断面抵接，被测断面内预埋王字筋（11），所述引线（10）底端与王字筋（11）固连，上端与拉绳位移传感器的感应线（6）连接。

5.根据权利要求4所述的隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其特征在于：所述检测孔孔径为∅40~∅60，孔深为穿过隧道围岩松动圈分界线（13）下方30~50cm；所述感应线保护管（9）通过浇注水泥浆（12）固连在检测孔内；所述王字筋（11）的直径为∅8~∅12，在王字筋（11）顶端设有滑轮机构（14）；所述引线（10）为直径∅3.5的软钢丝线，所述引线（10）绕过滑轮机构（14）与王字筋（11）固连并构成双线组结构，引线（10）上端延伸出感应线保护管（9）并与其顶部的距离为30~50cm。

6.根据权利要求1所述的隧道施工围岩松动圈变形自动监测预警装置，其特征在于：所述采集传输系统包括机箱盒（17）、中继器（16）和报警器（18），所述机箱盒（17）包括多通道数据采集仪（19）和与之连接的无线传输模块DTU（20）、继电器（21），所述无线传输模块DTU（20）与报警器（18）和远程终端连接；所述继电器（21）安装在无线传输模块DTU（20）与报警器（18）之间，用于触发报警器（18）发出警报，所述中继器（16）安装在隧道衬砌表面（2）顶部中心处，其与无线传输模块DTU（20）连接，用于增强无线信号，提高监测、数据采集及传输精度；所述中继器（16）、报警器（18）、多通道数据采集仪（19）和无线传输模块DTU（20）均与供电系统连接，所述供电系统包括通过电路相互连接的整流器（22）、充放电控制器（23）和蓄电池（24），所述充放电控制器（23）与蓄电池（24）和外接电源（25）连接。