CN103134462A - 隧道变形实时自动监测***及监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道变形实时自动监测***及监测方法，所述监测***包括有角度测量装置，角度测量装置由测斜单元安放管和测斜单元组成，所述测斜单元安放管插设在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩中，并且测斜单元安放管与拟开挖的隧道平行；所述测斜单元安放管内的所有的测斜单元通过数据线与信号处理器信号连接，信号处理器又与终端信号连接；所述信号处理器包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、输入模块和输出模块。本监测***及监测方法可以测量出隧道掌子面前方的不同位置的拱部围岩的垂向变形值及水平方向变形值及围岩变形随掌子面的靠近的变化趋势，可以对隧道的掌子面前方的围岩变形进行实时持续自动监测并将监测的结果实时传送至终端。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用在隧道施工中的隧道变形监测装置及监测方法。
背景技术
目前隧道的变形测量一般是在隧道的掌子面后方进行，测量的内容主要有隧道的拱顶下沉变形和收敛变形，可统称为收敛变形，测量基本采用人工测量，近年也有采用光学自动扫描成像等方式来进行测量。
近年发展的隧道开挖方法如“新意法”认为，隧道的掌子面前方的变形量同隧道的掌子面后方的变形量有一定的量化关系，也就是说如果能准确的测量到掌子面前方的围岩变形随着掌子面的临近的变化曲线（即隧道拱部围岩变形曲线），就能分析判断出掌子面的稳定程度及掌子面后方的总变形量，从而就可以采取相对应的措施来保证隧道在一定的成本下安全施工。但如何获得掌子面前方的围岩变形随着掌子面的临近的变化曲线，目前为止还没有较好的办法。
发明内容
本发明的目的是提供一种隧道变形实时自动监测***及监测方法，要解决隧道开挖时、不好获得掌子面前方的围岩变形随着掌子面的临近的变化曲线的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种隧道变形实时自动监测***，包括有角度测量装置，其特征在于：所述角度测量装置由两端均被密封住的测斜单元安放管和轴向间隔固定在测斜单元安放管内的测斜单元组成；所述测斜单元安放管插设在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩中，并且测斜单元安放管与拟开挖的隧道轴线平行；所述测斜单元安放管内的所有的测斜单元通过数据线与信号处理器信号连接，信号处理器又与终端信号连接。
所述信号处理器包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、输入模块和输出模块，其中输入模块通过数据线接收测斜单元发来的垂向角度值及水平方向角度值，CPU通过存储器将输入模块接收来的垂向角度值及水平方向角度值处理为最终结果，输出模块将最终结果传送给终端。
所述输出模块可为有线输出模块或/和无线输出模块。
所述无线输出模块可为GPRS模块、WIFI模块或3G模块。
所述测斜单元包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、A/D转换器、角度传感器和输出模块，其中角度传感器在CPU的控制下实时监测，并且角度传感器监测到的垂向角度值及水平方向角度值通过A/D转换器和CPU传至存储器，CPU再将存储器中存储的垂向角度值及水平方向角度值通过输出模块传至信号处理器。
所述测斜单元安放管可为塑料管或钢管。
所述终端可为手机、电脑或互联网服务器。
一种应用上述隧道变形实时自动监测***的隧道变形实时自动监测方法，其特征在于步骤如下：步骤一、在隧道开挖前，按施工要求在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩上打设与拟开挖的隧道轴线相对平行的变形监测孔，将隧道变形实时自动监测***中的角度测量装置***至变形监测孔中。步骤二、通过数据线将测斜单元与信号处理器连接，通过电源线将信号处理器与外接外接电源连接。步骤三、将所有测斜单元首次测量的角度设为零。步骤四、在隧道开挖过程中，测斜单元对隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩进行实时监测，并将实时监测到的垂向角度值及水平方向角度值传送至信号处理器，信号处理器根据公式 
计算出
、根据公式计算出
，并且信号处理器将
和
传送至终端,所述
为沿隧道开挖方向数、掌子面位于第N个测斜单元所处的位置时、掌子面处的拱部围岩的垂向变形值，所述
为沿隧道开挖方向数、掌子面位于第N个测斜单元所处的位置时、掌子面处的拱部围岩的水平方向变形值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元测得的垂向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N+X个测斜单元测得的垂向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元测得的水平方向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N+X个测斜单元测得的水平方向角度值，所述N为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元，所述X为沿隧道开挖方向数、掌子面前方的第X个测斜单元，所述L为测斜单元之间的间距。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明利用了固定位置的测斜单元安放管和测斜单元，可以测量出隧道掌子面前方的不同位置的拱部围岩的垂向变形值、水平方向变形值及围岩变形随掌子面的靠近的变化趋势。本发明还利用了信号处理器，可以对隧道的掌子面前方的围岩变形进行实时持续自动监测并将监测的结果实时传送至终端供技术人员使用。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是测斜单元的模块示意图。
图3是信号处理器与测斜单元配合的模块示意图。
图4是角度测量装置插在围岩中的示意图。
图5是角度测量装置的分布示意图。
附图标记：1－测斜单元安放管、2－测斜单元、3－数据线、4－隧道、5－掌子面、6－信号处理器、7－终端、8－外接电源、9－电源线、10－隧道已开挖部分、11－隧道未开挖部分、12－参考零点。
具体实施方式
实施例参见图1-5所示，这种隧道变形实时自动监测***，包括有角度测量装置。角度测量装置由两端均被密封住的测斜单元安放管1和轴向间隔固定在测斜单元安放管内的测斜单元2组成。
所述测斜单元安放管1插设在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩中，并且测斜单元安放管1与拟开挖的隧道4轴线平行。测斜单元安放管1为塑料管或钢管。本实施例中，测斜单元安放管1在隧道拱部开挖轮廓线外侧围岩中间隔插设有3个，在其它实施例中，也可以只插设1个，或者间隔插设2个、4个、5个、或者更多。
所述测斜单元安放管1内的所有的测斜单元2通过数据线3与信号处理器6信号连接，信号处理器6又与终端7信号连接。终端7可为手机、电脑或互联网服务器等。
所述信号处理器6包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、输入模块（即多用户输入通讯串口）和输出模块，其中输入模块通过数据线3接收测斜单元2发来的垂向角度值及水平方向角度值，CPU通过存储器将输入模块接收来的垂向角度值及水平方向角度值处理为最终结果，输出模块将最终结果传送给终端7。
本实施例中，输出模块由有线输出模块（即输出通讯串口）和GPRS模块组成，即信号处理器6既设有有线输出模块，又设有无线输出模块。使用时，信号处理器6既可以通过有线输出模块与终端7信号连接（即通过有限通讯的方式与终端7信号连接），也可以通过GPRS模块与终端7信号连接（即通过无线通讯的方式与终端7信号连接），也就是说，信号处理器6可以根据实际情况选择无线通讯或有限通讯与终端7信号连接。
在其它实施例中，也可以采用WIFI模块或3G模块等无线输出模块来代替GPRS模块。
在其它实施例中，信号处理器6还可以是光设有有线输出模块或光设有无线输出模块。
所述测斜单元2包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、A/D转换器、角度传感器和输出模块，其中角度传感器在CPU的控制下实时监测，并且角度传感器监测到的垂向角度值及水平方向角度值通过A/D转换器和CPU传至存储器，CPU再将存储器中存储的垂向角度值及水平方向角度值通过输出模块传至信号处理器6。
本发明在隧道开挖一定深度后，掌子面后方的变形也能实时测得，此种变形能反映隧道个护的强度。在隧道开挖完成后，该传感器仍可反应隧道的变形情况。
一般情况下，隧道开挖时，掌子面前方变形范围是在隧道高度的2-3倍距离以内。
本发明中的多个测斜单元可以对该测斜单元安放管1所在的变形监测孔进行变形观测。具体来说，测斜单元可以按一定间隔（通常1-3米）设置，由于隧道开挖时会造成周围土体变形，所以在开挖过程中随着掌子面的临近，一般掌子面前方土体会产生越来越大的变形，测斜单元能够观测到掌子面前方拱部围岩或其他位置随空间或时间变形情况，为掌子面前方的稳定性作定量的判断，也就是说，测斜单元可以测量出隧道掌子面前方的不同位置的变形量及变形随掌子面的靠近的变化趋势了。
所有的测斜单元2与信号处理器6联合使用，可以进行不间断观测。每一个测斜单元分别有各自的数据线连接到信号处理器，信号处理器将接收到的信号（即测斜单元测量到的垂向角度值及水平方向角度值）储存并处理，然后将处理结果通过有线或无线传输到终端7上，作为最优选的实施方式，终端7是互联网服务器，这样技术人员就可以随时掌握或通过网络查看、分析测量数据。具体来说，当隧道开挖时，变形监测孔最前端的测斜点距开挖断面较远，开挖对其几乎没有影响，其角度参数也基本没有变化。技术人员可以将最前端的测斜点作为基准点，通过终端7显示的结果（即同时显示垂向变形值和水平方向变形值两个值）绘制隧道拱部围岩变形曲线，分析拱部围岩变形情况，当围岩的垂向变形值或/和水平方向变形值达到预警值时，表明在隧道开挖过程中，围岩不稳定，需要采取加固措施。
所述应用隧道变形实时自动监测***的隧道变形实时自动监测方法，其步骤如下。
步骤一、在隧道开挖前，按施工要求在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩上打设与拟开挖的隧道轴线相对平行的变形监测孔，将隧道变形实时自动监测***中的角度测量装置***至变形监测孔中。
步骤二、通过数据线3将测斜单元2与信号处理器6连接，通过电源线9将信号处理器6与外接外接电源8连接。
步骤三、将所有测斜单元首次测量的角度设为零（也就是假设是一条直线）。
步骤四、在隧道开挖过程中，测斜单元对隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩进行实时监测，并将实时监测到的垂向角度值及水平方向角度值传送至信号处理器6，信号处理器6根据公式
计算出
、根据公式计算出
，并且信号处理器6将
和
传送至终端7,所述
为沿隧道开挖方向数、掌子面位于第N个测斜单元所处的位置时、掌子面处的拱部围岩的垂向变形值，所述
为沿隧道开挖方向数、掌子面位于第N个测斜单元所处的位置时、掌子面处的拱部围岩的水平方向变形值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元测得的垂向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N+X个测斜单元测得的垂向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元测得的水平方向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N+X个测斜单元测得的水平方向角度值，所述N为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元，所述X为沿隧道开挖方向数、掌子面前方的第X个测斜单元，所述L为测斜单元之间的间距。
举例说明：参见图4，某测斜单元安放管1中采用了一组由加速度倾角传感器制成的测斜单元十个，按3米间距布置在隧道的已施工的测斜单元安放管1中。如果十个测斜单元的倾角读数分别为、
，
、
，
、
，…，、
，设第十个测斜单元前方3米处为参考零点12，则掌子面处的拱部围岩的垂向变形值约为H五，掌子面处的拱部围岩的水平方向变形值约为h五，由第五个测斜单元至第十个测斜单元的读数可计算如下：
，
。
Claims (8)
1.一种隧道变形实时自动监测***，包括有角度测量装置，其特征在于：所述角度测量装置由两端均被密封住的测斜单元安放管（1）和轴向间隔固定在测斜单元安放管内的测斜单元（2）组成；所述测斜单元安放管（1）插设在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩中，并且测斜单元安放管（1）与拟开挖的隧道（4）轴线平行；所述测斜单元安放管（1）内的所有的测斜单元（2）通过数据线（3）与信号处理器（6）信号连接，信号处理器（6）又与终端（7）信号连接。
2.根据权利要求1所述的隧道变形实时自动监测***，其特征在于：所述信号处理器（6）包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、输入模块和输出模块，其中输入模块通过数据线（3）接收测斜单元（2）发来的垂向角度值及水平方向角度值，CPU将输入模块接收来的垂向角度值及水平方向角度值处理为最终结果，并存储于存储器，同时输出模块将最终结果传送给终端（7）。
3.根据权利要求2所述的隧道变形实时自动监测***，其特征在于：所述输出模块为有线输出模块或/和无线输出模块。
4.根据权利要求3所述的隧道变形实时自动监测***，其特征在于：所述无线输出模块为GPRS模块、WIFI模块或3G模块。
5.根据权利要求1所述的隧道变形实时自动监测***，其特征在于：所述测斜单元（2）包括有CPU、电源模块、时钟模块、存储器、A/D转换器、角度传感器和输出模块，其中角度传感器在CPU的控制下实时监测，并且角度传感器监测到的垂向角度值及水平方向角度值通过A/D转换器和CPU传至存储器，CPU再将存储器中存储的垂向角度值及水平方向角度值通过输出模块传至信号处理器（6）。
6.根据权利要求1所述的隧道变形实时自动监测***，其特征在于：所述测斜单元安放管（1）为塑料管或钢管。
7.根据权利要求1所述的隧道变形实时自动监测***，其特征在于：所述终端（7）为手机、电脑或互联网服务器。
8.一种应用上述权利要求1～7中任意一项所述的隧道变形实时自动监测***的隧道变形实时自动监测方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、在隧道开挖前，按施工要求在隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩上打设与拟开挖的隧道轴线相对平行的变形监测孔，将隧道变形实时自动监测***中的角度测量装置***至变形监测孔中；
步骤二、通过数据线（3）将测斜单元（2）与信号处理器（6）连接，通过电源线（9）将信号处理器（6）与外接外接电源（8）连接；
步骤三、将所有测斜单元首次测量的角度设为零；
步骤四、在隧道开挖过程中，测斜单元对隧道拱部开挖轮廓线外侧的围岩进行实时监测，并将实时监测到的垂向角度值及水平方向角度值传送至信号处理器(6)，信号处理器(6)根据公式 计算出
、根据公式
计算出
，并且信号处理器(6)将
和
传送至终端（7）,所述
为沿隧道开挖方向数、掌子面位于第N个测斜单元所处的位置时、掌子面处的拱部围岩的垂向变形值，所述为沿隧道开挖方向数、掌子面位于第N个测斜单元所处的位置时、掌子面处的拱部围岩的水平方向变形值，所述为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元测得的垂向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N+X个测斜单元测得的垂向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元测得的水平方向角度值，所述
为沿隧道开挖方向数、第N+X个测斜单元测得的水平方向角度值，所述N为沿隧道开挖方向数、第N个测斜单元，所述X为沿隧道开挖方向数、掌子面前方的第X个测斜单元，所述L为测斜单元之间的间距。
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