CN108036765A - 一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***及方法,包括监测单元、无线传输单元和远程控制单元,监测单元包括监测仪和反射装置,监测仪布设于隧道拱顶,反射装置至少有两个,布设于拱腰,所述监测仪上设置有激光发射机构,且激光发射机构可转动,向外发射激光,激光经过反射装置反射后由监测仪接收,根据接收到激光信号经过的时间和激光的速度计算其到反射装置之间的距离,根据激光发射机构匀速转动的角速度和接收信号经过的时间计算其与各个反射装置所在方向之间的夹角,计算得到隧道拱顶沉降和周边收敛变形的相对值;监测单元将计算结果通过无线传输单元传输给远程控制单元,同时接收远程控制单元发送控制命令。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***及方法。
背景技术
监控量测是目前隧道施工中的一个不可缺少的环节,特别是在围岩条件比较差的施工环境中,为保证隧道施工的安全性和经济性,在隧道施工过程中需要使用各种仪器设备对围岩与支护结构的变形、地表沉降、应力、应变等进行量测,据此来判断隧道开挖对地表环境的影响范围和程度、围岩的稳定性及支护情况。隧道净空收敛是监控量测的主要对象之一,是隧道围岩应力状态变化的最直接反映,量测净空收敛位移可以为判断隧道空间的稳定性提供可靠依据。隧道净空收敛分为拱顶沉降和周边收敛变形。隧道净空收敛监控量测很多采用三基线法,而目前的监测技术需要技术人员使用收敛计手动操作,实施起来存在诸多不便,一方面是不能有效保证技术人员的人身安全;另一方面,技术人员测量时必定影响施工的进度,因为现行的测量方法在本质上均为应用收敛计或者全站仪,需要保证测量断面范围内无障碍物遮挡,会占用较大空间;而且由于监控量测需要经常进行,每次均为人工操作必然要花费大量时间和精力,也很难保证监控量测每隔一定的时间能够按时进行;而且隧道内空间较为狭小,现场条件复杂,存在与现场施工作业的相互制约和安全隐患;另外,由于现场工作条件的不良影响,如隧道中多存在泥浆,若收敛计尺身粘上泥浆,则张力加载会出现误差,进而影响测量精度;此外,收敛计量测受到温度影响,而常用收敛计(如JSS30A-20型)无温度测量和记录装置。
针对上述问题,亟需一种安全方便的全新设备和方法,能够实现对隧道净空收敛的准确和自动量测,并能保证技术人员的安全,而且监控量测工作能够与现场施工作业互不影响。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***及方法,本发明能够自动监控量测隧道净空收敛并能实现遥控和无线数据传输。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,包括监测单元、无线传输单元和远程控制单元,其中:
所述监测单元包括监测仪和反射装置,监测仪布设于隧道拱顶,反射装置至少有两个,布设于拱腰,所述监测仪上设置有激光发射机构,且激光发射机构可转动,向外发射激光,激光经过反射装置反射后由监测仪接收,根据接收到激光信号经过的时间和激光的速度计算其到反射装置之间的距离,根据激光发射机构匀速转动的角速度和接收信号经过的时间计算其与各个反射装置所在方向之间的夹角,计算得到隧道拱顶沉降和周边收敛变形的相对值;
监测单元将计算结果通过无线传输单元传输给远程控制单元,同时接收远程控制单元发送控制命令。
进一步的,所述激光发射机构包括激光发射器和激光传感器,且激光传感器和激光发射器可在隧道断面内180°旋转,激光发射器向外发射激光,激光传感器能记录接收到激光的时间。
进一步的,所述激光发射机构设置于旋转装置或可转动支架上。其实现形式多样,只要能够保证激光发射机构可在隧道断面内180°旋转即可。
进一步的,所述反射装置包括反射板、固定件和球面铰支座,反射板与固定件之间通过球面铰支座连接,反射板能够在一定范围内旋转。
进一步的,所述无线传输单元包括天线。
进一步的,所述反射装置对称布设于两侧拱腰,且位于同一水平面。两个反射装置应尽量布设于同一平面,不能彼此相距太远。根据现有经验及规范进行量化分析时,均是按照布设于同一平面展开的。考虑到严格将测点布设于同一平面内在操作时可能会难以实现,但只要近似布设在同一平面内,稍有误差对长期测量结果的影响可以忽略。
基于上述***的工作方法,控制激光发射机构匀速转动,向外发射激光,激光经过反射装置反射后由监测仪接收,根据接收到激光信号经过的时间和激光的速度计算其到反射装置之间的距离,根据激光发射机构匀速转动的角速度和接收信号经过的时间计算其与各个反射装置所在方向之间的夹角,计算得到隧道拱顶沉降和周边收敛变形的相对值。
进一步的,激光发射机构向一侧旋转并发射一束激光,当激光遇到该侧设置的反射装置B时会被反射,反射的激光被监测仪接收后会计算出监测仪与反射装置B之间的距离lAB;随后,激光发射机构向另一个方向旋转,记录旋转角度,当激光遇到另一个反射装置C时进行激光测距,计算出AC两点之间的距离lBC并计算出AB与AC之间的夹角α;根据公式计算得出BC两点之间的距离lBC,根据公式计算出AB与BC之间的夹角β的正弦值sinβ,再根据公式lAD=lAB·sinβ计算出AD两点之间的距离lAD,D为反射装置B、C的中点;lBC表示隧道周边收敛变形的相对值,lAD表示隧道拱顶沉降的相对值。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明设计巧妙,操作简单,体积小巧,可以实现对隧道净空收敛的自动监控量测。
(2)本发明安装在隧道顶部,所占空间较小,装置的使用受现场施工环境的影响较小,因而测量可与现场施工同时进行。
(3)本发明可实现遥控和无线数据传输,能够实现自动化的数据测量和收集,操作时能够较好地保证技术人员的人身安全。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图;
图2为本发明的监测仪示意图;
图3为本发明的反射装置示意图;
图4为本发明的遥控器示意图;
图中:1—监测仪;2—反射装置;3—遥控器;4—钢筋;5—激光传感器;6—激光发射器;7—天线;8—旋转装置;9—球面铰支座;10—钢筋;11—反射板;12—显示器 13—红外发射器;14a—监测仪开启按钮;14b—监测仪关闭按钮;14c—开始监测按钮。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中,术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词,并非特指本发明中任一部件或元件,不能理解为对本发明的限制。
本发明中,术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义,不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的,现有技术中存在目前的监测技术需要技术人员使用收敛计手动操作,实施起来存在诸多不便;而且隧道内空间较为狭小,现场条件复杂,存在与现场施工作业的相互制约和安全隐患;另外,由于现场工作条件的不良影响,如隧道中多存在泥浆,若收敛计尺身粘上泥浆,则张力加载会出现误差,进而影响测量精度的不足,为了解决如上的技术问题,本申请提出了一种基于三基线法的隧净空收敛监控量测***。
本申请的一种典型的实施方式中,如图1所示,一种基于三基线法的隧净空收敛监控量测***,包括监测机构和遥控器。监测机构布设于隧道洞壁上,对隧道净空收敛进行自动监控量测,并将数据记录和保存,遥控器可对监测机构进行遥控并能接收监控量测所获得的数据。
监测机构包括监测仪1和反射装置2。如图3所示,反射装置通过一根钢筋10布设于隧道拱腰,反射板11与钢筋10之间通过球面铰支座9连接,反射板11能够在一定范围内旋转。如图2所示,监测仪通过两根钢筋4布设于隧道拱顶,由电池供电,监测仪的激光传感器5和激光发射器6可实现在隧道断面内180°旋转,激光发射器向外发射激光,激光传感器能记录接收到激光所需的时间并计算两个反射装置所在的方向之间的夹角;监测仪1根据测量获得的距离和角度数据,再利用相关公式即可计算得出隧道拱顶沉降和周边收敛变形的相对数值。
如图4所示,遥控器能实现对监测仪的遥控,控制监测仪的开启、关闭和启动监测,并能接收监测仪无线传输的数据。
下面将结合图1叙述一个算例,介绍基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***的计算原理:
将该***的监测机构在隧道内安装完毕后,用遥控器开启监测仪1启动监测,此时监测仪1上的激光发射器6会开始向左旋转并发射一束激光;当激光遇到反射装置2的反射板11时会被反射,反射的激光被监测仪接收后会计算出AB两点之间的距离lAB;随后,激光发射器6会向另一个方向旋转,激光传感器5自动记录旋转角度,当激光遇到另一个反射装置时重复上述步骤进行激光测距,计算出AC两点之间的距离lBC并计算出AB与AC之间的夹角α;根据公式计算得出BC两点之间的距离lBC,根据公式可计算出AB与BC之间的夹角β的正弦值sinβ,再根据公式lAD=lAB·sinβ可计算出AD两点之间的距离lAD;lBC可表示隧道周边收敛变形的相对值,lAD可表示隧道拱顶沉降的相对值。
一种基于三基线法的隧净空收敛监控量测***,有如下使用方法:
A.将该***的监测机构安装在隧道内的相应位置;
B.用遥控器开启监测仪启动监测,监测仪的激光发射器6在竖直方向旋转并发射激光,当激光遇到反射装置2的反射板11时会被反射,反射的激光被激光传感器5接收后会计算得出监测仪到反射装置之间的距离,和监测仪到两个反射装置所在的方向之间的夹角;
C.当监测结束时,遥控器会自动接收监测仪的监测结果并将其显示在显示器12上,技术人员将数据记录完毕后可用遥控器关闭监测仪。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,其特征是:包括监测单元、无线传输单元和远程控制单元,其中:
所述监测单元包括监测仪和反射装置,监测仪布设于隧道拱顶,反射装置至少有两个,布设于拱腰,所述监测仪上设置有激光发射机构,且激光发射机构可转动,向外发射激光,激光经过反射装置反射后由监测仪接收,根据接收到激光信号经过的时间和激光的速度计算其到反射装置之间的距离,根据激光发射机构匀速转动的角速度和接收信号经过的时间计算其与各个反射装置所在方向之间的夹角,计算得到隧道拱顶沉降和周边收敛变形的相对值;
监测单元将计算结果通过无线传输单元传输给远程控制单元,同时接收远程控制单元发送控制命令。
2.如权利要求1所述的一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,其特征是:所述激光发射机构包括激光发射器和激光传感器,且激光传感器和激光发射器可在隧道断面内180°旋转,激光发射器向外发射激光,激光传感器能记录接收到激光的时间。
3.如权利要求1所述的一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,其特征是:所述激光发射机构设置于旋转装置或可转动支架上。
4.如权利要求1所述的一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,其特征是:所述反射装置包括反射板、固定件和球面铰支座,反射板与固定件之间通过球面铰支座连接,反射板能够在一定范围内旋转。
5.如权利要求1所述的一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,其特征是:所述无线传输单元包括天线。
6.如权利要求1所述的一种基于三基线法的隧道净空收敛监控量测***,其特征是:所述反射装置对称布设于两侧拱腰,且位于同一水平面。
7.基于如权利要求1-6中任一项所述的***的工作方法,其特征是:控制激光发射机构匀速转动,向外发射激光,激光经过反射装置反射后由监测仪接收,根据接收到激光信号经过的时间和激光的速度计算其到反射装置之间的距离,根据激光发射机构匀速转动的角速度和接收信号经过的时间计算其与各个反射装置所在方向之间的夹角,计算得到隧道拱顶沉降和周边收敛变形的相对值。
8.如权利要求7所述的工作方法,其特征是:激光发射机构向一侧旋转并发射一束激光,当激光遇到该侧设置的反射装置B时会被反射,反射的激光被监测仪接收后会计算出监测仪与反射装置B之间的距离lAB;随后,激光发射机构向另一个方向旋转,记录旋转角度,当激光遇到另一个反射装置C时进行激光测距,计算出AC两点之间的距离lBC并计算出AB与AC之间的夹角α;根据公式计算得出BC两点之间的距离lBC,根据公式计算出AB与BC之间的夹角β的正弦值sinβ,再根据公式lAD=lAB·sinβ计算出AD两点之间的距离lAD,D为反射装置B、C的中点;lBC表示隧道周边收敛变形的相对值,lAD表示隧道拱顶沉降的相对值。
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