CN108180885A - 一种隧道变形自动监测***及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道变形自动监测***，包括主控制器和多个设置在隧道拱腰位置处的子监测装置，所述主控制器通信连接有终端和存储器，所述子监测装置包括与所述主控制器通信连接的子控制器、以及与所述子控制器连接的静力水准仪和三轴加速度计，多个所述静力水准仪等高布设，多个所述静力水准仪的贮液筒通过连接管连通。本发明还公开了一种隧道变形自动监测方法。本发明同时使用静力水准仪和三轴加速度计监测隧道变形，能为施工提供预警，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，以隧道基准点的观测值为基准值计算隧道观测点的沉降值和倾角变化值，便于分析隧道整体变形情况，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于隧道监测技术领域，具体涉及一种隧道变形自动监测***及监测方法。
背景技术
我国从上世纪八十年代开始对隧道的安全监测进行分析和研究。1988年初，西南交通大学和广州公路局共同研究并制定了《公路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》，作为隧道安全监测的指导规范。在工程监测方面，近年来主要还是采取人工检测的方法。监测人员定期通过检测仪器例如全站仪、水准仪、收敛尺等对隧道关键点位进行测量，将所得数据上报隧道管理部门，隧道管理部门组织专家对数据进行定期分析，得到隧道的损伤信息
国外在隧道自动化安全监测方面较为领先，已取得了一些成果，但是也存在一些问题：例如传感器重复利用率较低、***集成难度大、***开发周期较长、后期维护工程量大、数据精度低等。国内在这方面稍微落后，基本上还采取人工检测的方法对隧道进行安全监测。国内外在隧道安全监测领域均存在如下不足：(1)不能进行实时监测，即不能及时反映隧道施工或运营过程中拱顶沉降量的真实变化。(2)对施工干扰大。由于监测过程中需要不断地架设仪器，所以对现场施工干扰很大。(3)监测工作危险，监测人员通常需要频繁的靠近施工现场，进一步加大了监测工作的危险性。(4)监测费用昂贵，因人工检测需要对隧道同一断面进行多次测量，加之每次测量都费时、费力，最终导致监测费用较高。(5)测量数据不可靠，由于多次测量过程中人为的操作误差，最终导致监测数据误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种隧道变形自动监测***及监测方法，其结构简单、设计合理，同时使用静力水准仪和三轴加速度计监测隧道变形，能为施工提供预警，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，以隧道基准点的观测值为基准值计算隧道观测点的沉降值和倾角变化值，便于分析隧道整体变形情况，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种隧道变形自动监测***，其特征在于：包括主控制器和多个设置在隧道拱腰位置处的子监测装置，所述主控制器通信连接有终端和存储器，所述子监测装置包括与所述主控制器通信连接的子控制器、以及与所述子控制器连接的静力水准仪和三轴加速度计，多个所述静力水准仪等高布设，多个所述静力水准仪的贮液筒通过连接管连通。
上述的一种隧道变形自动监测***，其特征在于：所述主控制器连接有参数输入模块，所述子控制器连接有声光报警模块。
上述的一种隧道变形自动监测***，其特征在于：所述主控制器连接有显示器。
上述的一种隧道变形自动监测***，其特征在于：所述终端为手机、平板电脑或嵌入式数据处理单元。
本发明的一种隧道变形自动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、安装子监测装置：在隧道拱腰位置处设置隧道基准点和隧道观测点，隧道基准点和隧道观测点等高布设，其中隧道观测点的个数为n个，n为不小于3的正整数，在隧道基准点位置处和隧道观测点位置处均安装子监测装置，以三轴加速度计为中心建立空间直角坐标系，并规定方向；
步骤二、获取子监测装置的监测数据：安装在隧道基准点位置处的静力水准仪获取隧道沉降基准值，并将获取到的隧道沉降基准值经子控制器传输给主控制器，主控制器将接收到的隧道沉降基准值存入存储器中的隧道沉降基准值数据库I11，其中表示静力水准仪在ti时刻采集到的隧道沉降基准值，表示静力水准仪在tj时刻采集到的隧道沉降基准值，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,m，m为不小于2的正整数；
n个安装在隧道观测点位置处的静力水准仪分别获取隧道沉降观测值，并将获取到的隧道沉降观测值均经子控制器传输给主控制器，主控制器将接收到的隧道沉降观测值存入存储器中的隧道沉降观测值数据库I21， 其中表示安装在第k个观测点位置处的静力水准仪在ti时刻采集到的隧道沉降基准值，表示安装在第k个观测点位置处的静力水准仪在tj时刻采集到的隧道沉降基准值，k＝1,2,...,n；
安装在隧道基准点位置处的三轴加速度计获取隧道倾斜基准角，并将获取到的隧道倾斜基准角经子控制器传输给主控制器，主控制器将接收到的隧道倾斜基准角存入存储器中的隧道倾斜基准角数据库I12， 其中表示静力水准仪在ti时刻采集到的隧道倾斜基准角，表示静力水准仪在tj时刻采集到的隧道倾斜基准角；
n个安装在隧道观测点位置处的三轴加速度计分别获取隧道倾斜观测角，并将获取到的隧道倾斜观测角均经子控制器传输给主控制器，主控制器将接收到的隧道倾斜观测角存入存储器中的隧道倾斜观测角数据库I22， 其中表示安装在第k个观测点位置处的三轴加速度计在ti时刻采集到的隧道倾斜观测角，表示安装在第k个观测点位置处的三轴加速度计在tj时刻采集到的隧道倾斜观测角；
步骤三、隧道变形指标计算：隧道变形指标包括隧道沉降值和隧道倾角，具体计算过程如下：
步骤301、隧道沉降值计算：主控制器根据公式计算第k个观测点相对基准点的沉降值其中ΔHi-j表示基准点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值，表示第k个观测点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值；
步骤302、隧道倾角计算：主控制器根据公式计算第k个观测点相对基准点的倾角变化值Δθk-i-j，其中Δθi-j表示隧道基准点在t i时刻到tj时刻之间的倾角变化值，表示第k个隧道观测点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值；
步骤四、隧道变形指标输出：主控制器将步骤三中计算得到的第k个观测点相对基准点的沉降值和第k个观测点相对基准点的倾角变化值Δθk-i-j传输给终端进行显示，重复步骤一至步骤三，实现隧道变形的自动实时监测，并通过终端进行连续显示。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤一中以三轴加速度计为中心建立的空间直角坐标系与地面直角坐标系重合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。
2、本发明同时使用静力水准仪和三轴加速度计监测隧道变形，静力水准仪用于实时检测隧道拱腰位置处的压力值，根据同一个静力水准仪在不同时刻检测到的压力值的差值，可得知该静力水准仪的安装位置处的隧道沉降变形，能为施工提供预警；三轴加速度计用于检测隧道拱腰位置处在空间直角坐标系的三个轴向上的倾角，同一个三轴加速度计在不同时刻检测到的倾角进行比较，即可得知该三轴加速度计的安装位置处的隧道倾角变形，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，对隧道存在的安全隐患提前进行排查。
3、本发明在隧道拱腰位置处设置有和隧道观测点等高的隧道基准点，以隧道基准点的观测值为基准值计算隧道观测点的沉降值和倾角变化值，方便通过对n个观测点相对基准点的沉降值进行分析从而得到隧道整体的沉降量，通过对n个观测点相对基准点的倾角变化值进行分析从而得到隧道整体的倾角变化值，使用效果好。
综上所述，本发明结构简单、设计合理，同时使用静力水准仪和三轴加速度计监测隧道变形，能为施工提供预警，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，以隧道基准点的观测值为基准值计算隧道观测点的沉降值和倾角变化值，便于分析隧道整体变形情况，使用操作方便，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明隧道变形自动监测***的电路原理框图。
图2为本发明的方法流程图。
附图标记说明:
1—主控制器； 2—终端； 3—存储器；
4—子控制器； 5—静力水准仪； 6—三轴加速度计；
7—显示器； 8—声光报警模块； 9—参数输入模块。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种隧道变形自动监测***，包括主控制器1和多个设置在隧道拱腰位置处的子监测装置，所述主控制器1通信连接有终端2和存储器3，所述子监测装置包括与所述主控制器1通信连接的子控制器4、以及与所述子控制器4连接的静力水准仪5和三轴加速度计6，多个所述静力水准仪5等高布设，多个所述静力水准仪5的贮液筒通过连接管连通。
实际使用时，静力水准仪5用于实时检测隧道拱腰位置处的压力值，并将静力水准仪5实时检测到的压力值传输给子控制器4，子控制器4将静力水准仪5实时检测到的压力值传输给主控制器1，主控制器1将静力水准仪5实时检测到的压力值存储在存储器3中，方便工作人员调用查看。工作人员通过对同一个静力水准仪5在不同时刻检测到的压力值进行比较，即可得知该静力水准仪5的安装位置处的隧道沉降变形，压力变化值为正值表示该静力水准仪5的安装位置处的地基沉降，压力变化值为负值表示该静力水准仪5的安装位置处的地基抬高，能为施工提供预警。
实际使用时，三轴加速度计6用于检测隧道拱腰位置处在空间直角坐标系的三个轴向上的倾角，并将三轴加速度计6实时检测到的倾角传输给子控制器4，子控制器4将三轴加速度计6实时检测到的倾角传输给主控制器1，主控制器1将三轴加速度计6实时检测到的倾角存储在存储器3中，方便工作人员调用查看。工作人员通过对同一个三轴加速度计6在不同时刻检测到的倾角进行比较，即可得知该三轴加速度计6的安装位置处的隧道倾角变形，便于工作人员实时了解隧道的安全状况，对隧道存在的安全隐患提前进行排查。
如图1所示，本施例中，所述主控制器1连接有参数输入模块9，所述子控制器4连接有声光报警模块8。
实际使用时，通过参数输入模块9输入压力阈值和倾角阈值，当静力水准仪5实时检测到的压力值大于压力阈值、或三轴加速度计6实时检测到的倾角大于倾角阈值时，主控制器4发出控制信号给子控制器4，子控制器4将控制信号发送给声光报警模块8，声光报警模块8报警，提醒隧道内的施工人员及时撤离或采取有效手段。
如图1所示，本实施例中，所述主控制器1连接有显示器7。
实际使用时，主控制器1将子控制器4传输的三轴加速度计6实时检测到的倾角和静力水准仪5实时检测到的压力值通过显示器7显示出来，方便工作人员直观感知。
本实施例中，所述终端2为手机、平板电脑或嵌入式数据处理单元。
实际使用时，手机和平板电脑均可随工作人员移动，灵活性好，手机或平板电脑可采用3G网络、4G网络或wifi网络与主控制器1进行通信，提高了施工预警的范围，使用效果好。
如图2所示，本发明的一种隧道变形自动监测方法，包括以下步骤：
步骤一、安装子监测装置：在隧道拱腰位置处设置隧道基准点和隧道观测点，隧道基准点和隧道观测点等高布设，其中隧道观测点的个数为n个，n为不小于3的正整数，在隧道基准点位置处和隧道观测点位置处均安装子监测装置，以三轴加速度计6为中心建立空间直角坐标系，并规定方向。
实际使用时，以三轴加速度计6为中心建立的空间直角坐标系与地面直角坐标系重合。
步骤二、获取子监测装置的监测数据：安装在隧道基准点位置处的静力水准仪5获取隧道沉降基准值，并将获取到的隧道沉降基准值经子控制器4传输给主控制器1，主控制器1将接收到的隧道沉降基准值存入存储器3中的隧道沉降基准值数据库I11，其中表示静力水准仪5在ti时刻采集到的隧道沉降基准值，表示静力水准仪5在tj时刻采集到的隧道沉降基准值，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,m，m为不小于2的正整数；n个安装在隧道观测点位置处的静力水准仪5分别获取隧道沉降观测值，并将获取到的隧道沉降观测值均经子控制器4传输给主控制器1，主控制器1将接收到的隧道沉降观测值存入存储器3中的隧道沉降观测值数据库I21， 其中表示安装在第k个观测点位置处的静力水准仪5在ti时刻采集到的隧道沉降基准值，表示安装在第k个观测点位置处的静力水准仪5在tj时刻采集到的隧道沉降基准值，k＝1,2,...,n；安装在隧道基准点位置处的三轴加速度计6获取隧道倾斜基准角，并将获取到的隧道倾斜基准角经子控制器4传输给主控制器1，主控制器1将接收到的隧道倾斜基准角存入存储器3中的隧道倾斜基准角数据库I12， 其中表示静力水准仪5在ti时刻采集到的隧道倾斜基准角，表示静力水准仪5在tj时刻采集到的隧道倾斜基准角；n个安装在隧道观测点位置处的三轴加速度计6分别获取隧道倾斜观测角，并将获取到的隧道倾斜观测角均经子控制器4传输给主控制器1，主控制器1将接收到的隧道倾斜观测角存入存储器3中的隧道倾斜观测角数据库I22， 其中表示安装在第k个观测点位置处的三轴加速度计6在ti时刻采集到的隧道倾斜观测角，表示安装在第k个观测点位置处的三轴加速度计6在tj时刻采集到的隧道倾斜观测角。
步骤三、隧道变形指标计算：隧道变形指标包括隧道沉降值和隧道倾角，具体计算过程如下：
步骤301、隧道沉降值计算：主控制器4根据公式计算第k个观测点相对基准点的沉降值其中ΔHi-j表示基准点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值，表示第k个观测点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值。
步骤302、隧道倾角计算：主控制器4根据公式计算第k个观测点相对基准点的倾角变化值Δθk-i-j，其中Δθi-j表示隧道基准点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值，表示第k个隧道观测点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值。
实际使用时，由于多个静力水准仪5的贮液筒通过连接管连通，因此当隧道发生沉降时，多个静力水准仪5的贮液筒内的浮子位置随隧道沉降而同步变化，因此以隧道基准点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值和第k个观测点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值之间的差值作为第k个观测点相对基准点的沉降值，方便通过对n个观测点相对基准点的沉降值进行分析从而得到隧道整体的沉降量，使用效果好。
隧道基准点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值和第k个隧道观测点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值之间的差值作为第k个观测点相对基准点的倾角变化值，n个隧道观测点的基准值相同，方便通过对n个观测点相对基准点的倾角变化值进行分析从而得到隧道整体的倾角变化值，使用效果好。
步骤四、隧道变形指标输出：主控制器4将步骤三中计算得到的第k个观测点相对基准点的沉降值和第k个观测点相对基准点的倾角变化值Δθk-i-j传输给终端2进行显示，重复步骤一至步骤三，实现隧道变形的自动实时监测，并通过终端2进行连续显示。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种隧道变形自动监测***，其特征在于：包括主控制器(1)和多个设置在隧道拱腰位置处的子监测装置，所述主控制器(1)通信连接有终端(2)和存储器(3)，所述子监测装置包括与所述主控制器(1)通信连接的子控制器(4)、以及与所述子控制器(4)连接的静力水准仪(5)和三轴加速度计(6)，多个所述静力水准仪(5)等高布设，多个所述静力水准仪(5)的贮液筒通过连接管连通。
2.按照权利要求1所述的一种隧道变形自动监测***，其特征在于：所述主控制器(1)连接有参数输入模块(9)，所述子控制器(4)连接有声光报警模块(8)。
3.按照权利要求1所述的一种隧道变形自动监测***，其特征在于：所述主控制器(1)连接有显示器(7)。
4.按照权利要求1所述的一种隧道变形自动监测***，其特征在于：所述终端(2)为手机、平板电脑或嵌入式数据处理单元。
5.按照权利要求1所述的一种隧道变形自动监测***进行隧道变形自动监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、安装子监测装置：在隧道拱腰位置处设置隧道基准点和隧道观测点，隧道基准点和隧道观测点等高布设，其中隧道观测点的个数为n个，n为不小于3的正整数，在隧道基准点位置处和隧道观测点位置处均安装子监测装置，以三轴加速度计(6)为中心建立空间直角坐标系，并规定方向；
步骤二、获取子监测装置的监测数据：安装在隧道基准点位置处的静力水准仪(5)获取隧道沉降基准值，并将获取到的隧道沉降基准值经子控制器(4)传输给主控制器(1)，主控制器(1)将接收到的隧道沉降基准值存入存储器(3)中的隧道沉降基准值数据库I11，其中表示静力水准仪(5)在ti时刻采集到的隧道沉降基准值，表示静力水准仪(5)在tj时刻采集到的隧道沉降基准值，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,m，m为不小于2的正整数；
n个安装在隧道观测点位置处的静力水准仪(5)分别获取隧道沉降观测值，并将获取到的隧道沉降观测值均经子控制器(4)传输给主控制器(1)，主控制器(1)将接收到的隧道沉降观测值存入存储器(3)中的隧道沉降观测值数据库I21，其中表示安装在第k个观测点位置处的静力水准仪(5)在ti时刻采集到的隧道沉降基准值，表示安装在第k个观测点位置处的静力水准仪(5)在tj时刻采集到的隧道沉降基准值，k＝1,2,...,n；
安装在隧道基准点位置处的三轴加速度计(6)获取隧道倾斜基准角，并将获取到的隧道倾斜基准角经子控制器(4)传输给主控制器(1)，主控制器(1)将接收到的隧道倾斜基准角存入存储器(3)中的隧道倾斜基准角数据库I12， 其中表示静力水准仪(5)在ti时刻采集到的隧道倾斜基准角，表示静力水准仪(5)在tj时刻采集到的隧道倾斜基准角；
n个安装在隧道观测点位置处的三轴加速度计(6)分别获取隧道倾斜观测角，并将获取到的隧道倾斜观测角均经子控制器(4)传输给主控制器(1)，主控制器(1)将接收到的隧道倾斜观测角存入存储器(3)中的隧道倾斜观测角数据库I22，其中表示安装在第k个观测点位置处的三轴加速度计(6)在ti时刻采集到的隧道倾斜观测角，表示安装在第k个观测点位置处的三轴加速度计(6)在tj时刻采集到的隧道倾斜观测角；
步骤三、隧道变形指标计算：隧道变形指标包括隧道沉降值和隧道倾角，具体计算过程如下：
步骤301、隧道沉降值计算：主控制器(4)根据公式计算第k个观测点相对基准点的沉降值其中ΔHi-j表示基准点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值，表示第k个观测点在ti时刻到tj时刻之间的压力变化值；
步骤302、隧道倾角计算：主控制器(4)根据公式计算第k个观测点相对基准点的倾角变化值Δθk-i-j，其中Δθi-j表示隧道基准点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值，表示第k个隧道观测点在ti时刻到tj时刻之间的倾角变化值；
步骤四、隧道变形指标输出：主控制器(4)将步骤三中计算得到的第k个观测点相对基准点的沉降值和第k个观测点相对基准点的倾角变化值Δθk-i-j传输给终端(2)进行显示，重复步骤一至步骤三，实现隧道变形的自动实时监测，并通过终端(2)进行连续显示。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤一中以三轴加速度计(6)为中心建立的空间直角坐标系与地面直角坐标系重合。
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