CN111060022B - 一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***，包括：激光测量单元：其能够利用激光光程差测量结构物的位移和/或位移变化率，自动分析单元：将位移和/或位移变化率分别与数据库中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果；激光测量单元包括附于结构物的用于反射激光的楔形靶板，其中，楔形靶板具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而自动分析单元能够根据不同施工阶段的结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较；其中，至少两个各异的反射角能够在盾构不同的施工阶段改变激光光程差的变化率。

Description

一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***及方法

技术领域

本发明涉及隧道建设技术领域，尤其涉及一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***及方法。

背景技术

盾构下穿是一项构建市政地下空间的重要工程技术。其采用盾构机在地层浅表进行掘进形成能够铺设市政管道、地铁等的隧道。但是，城市表面或者地层以下均建设有既有结构物，例如地表的建筑物、地层中已建的隧道等。对于地表的结构物而言，盾构下穿对其最重要的损害是由于地表沉降导致其出现整体沉降。因此，如何对盾构下穿过程中的地表结构物的位移进行监测是有待急需解决的技术问题。

公开号为CN10632292A的中国专利公开的一种盾构隧道施工引起建筑物沉降的计算方法。包括以下步骤：在不考虑建筑物，先对盾构隧道施工引起的地表沉降进行计算，计算出建筑物所在处以及其周围一定范围内各点的位移；通过温克尔弹性地基梁地基反力的计算；绘制出考虑建筑物时的地表沉降曲线；将计算出的不考虑建筑物时的地表沉降与计算出的考虑建筑物时的地表沉降绘制在同一张图上，可知该发明方法对于考虑建筑物的刚度对盾构隧道引起的建筑物沉降的影响反映在了计算出的地表沉降计算结果中；将上述计算结果与沉降基准相比较可以判断建筑物的安全性；因此，本发明用于预测出建筑物在盾构隧道开挖的影响下的附加沉降量，对建筑物的安全评估有着重要的意义。

例如，公开号为CN108999612A公开的中国专利公开的一种基于互联网的地铁隧道施工安全监测***。安全监测***包括：地面沉降监测模块、地面建筑物沉降及倾斜监测模块、地下管线监测模块、桩基托换监测模块、联络通道及泵房施工监测模块、地中垂直位移和水平位移的监测模块、地下水位的监测模块、岩土与隧道结构相互作用监测模块、管片变形监测模块。本发明的监测方案以安全检测为目的，根据不同的工程项目确定监护对象，针对监测对象安全稳定的主要指标进行方案设计。监测点的布置能够全面地反映监测对象的工作状态。本发明在满足监测性能和精度的前提下，降低测量频率，减少检测元件，以节约监测费用。

例如，公开号为CN106295057B的中国专利公开的一种土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法。根据盾构在初始掘进阶段的掘进数据和地表沉降数据，通过推导盾构掘进参数(N/v)与盾构排土引起的地层损失的关系式，反算出螺旋输送机排土效率η和地表沉降槽宽度i，建立盾构在下一环掘进时的地表沉降预测公式：选择下一环掘进参数，代入公式计算，从而实现对地表沉降值的预测。

例如，公开号为CN106949877A的中国专利公开的一种多维度盾构隧道上方地表沉降的监测方法。包括对建筑物位移、路面位移和土体自身位移三个维度的监测；在地表沉降范围内选择监测对象与对应的监测断面；使用全站仪和棱镜对建筑物位移进行监测；使用全站仪和螺钉对路面位移进行监测；使用测斜仪与沉降仪对土体自身位移进行监测；将监测数据传输至数据库中，对建筑物、道路和土体自身的沉降趋势进行分析，当监测值超过预设警戒值时***发出报警信息。与现有技术相比，本发明通过对三种对象的沉降进行监测，有利于工程人员全方位了解在施工过程中盾构工作对地表沉降的影响，以便及时采取相应措施，保证施工过程中的安全。

结构物的形变与施工阶段密切相关。但是，在现有技术中结构物的形变测量均是按照一定的人为经验而进行的，例如结构物的沉降位移的最大值如何监控，其沉降位移的变化率如何监控。因此，其测量可能存在如下不足：无法在各个施工阶段有针对性地对结构物的形变进行测量，例如各个施工阶段结构物的沉降位移规律是不同的，其无法实施针对性测量和监控。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***，包括：激光测量单元：其能够利用激光光程差测量所述结构物的位移和/或位移变化率，自动分析单元：将所述位移和/或所述位移变化率分别与数据库中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果。

在本发明中，所述激光测量单元包括附于所述结构物的用于反射激光的楔形靶板楔形靶板400的反射面因为反射角的设置而成楔形面，所以如果激光的反射点变化，则前后两束激光形成激光光程差，根据几何关系则可以推算出结构物的位移变化以及位移变化率(位移相对时间的变化)。

在本发明中，所述楔形靶板具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，以使得所述至少两个各异的反射角能够跟随盾构的施工进程改变所述激光光程差的变化率。按照本发明的测量方式：激光的反射点会随着结构物的沉降而发生变化，位于不同楔形面上的反射点能够直接地改变激光光程差与沉降位移的几何关系，从而激光光程差的变化率会跟随盾构的施工进程而发生改变，以此自动分析单元可以根据该变化率调整对结构物不同的监测力度。2、本发明可以在同一结构物上设置多个楔形靶板，通过发射一束平行激光光至多个楔形靶板上，测量不同经过多个楔形靶板后的激光光程，可以测量该结构物是否发生倾斜，并且能够根据其中一束激光光程差的变化率对结构物是否发生倾斜进行可变频次的测量。3、由于反射角是根据不同施工阶段的结构物的沉降规律而设置的，因此位移和/或位移变化率的设定阈值与反射角是可以彼此对应的，用于在激光光程差的变化率发生了变化的情况下，自动分析单元能够根据不同施工阶段的结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较，从而对不同施工阶段的结构物的沉降实施不同准则的监控方式。

本发明提供一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***和方法，至少具有根据下优势：

1、由于楔形靶板的反射角是不同的，且对应于不同的施工阶段，因此在结构物沉降过程中，激光的反射点会随着结构物的沉降而发生变化，位于不同楔形面上的反射点能够直接地改变激光光程差与沉降位移的几何关系，从而激光光程差的变化率会跟随盾构的施工进程而发生改变，以此自动分析单元可以根据该变化率调整对结构物不同的监测力度，例如在激光光程差随时间的变化与达到预设的变化率，则自动分析单元增加对结构物不同的监测频率。

2、本发明可以在同一结构物上设置多个楔形靶板，通过发射一束平行激光至多个楔形靶板上，测量不同经过多个楔形靶板后的激光光程，可以测量该结构物是否发生倾斜，并且能够根据其中一束激光光程差的变化率对结构物是否发生倾斜进行可变频次的测量。

3、由于反射角是根据不同施工阶段的结构物的沉降规律而设置的，因此位移和/或位移变化率的设定阈值与反射角是可以彼此对应的，用于在激光光程差的变化率发生变化的情况下，自动分析单元能够根据不同施工阶段的结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较，从而对不同施工阶段的结构物的沉降实施不同准则的监控方式，例如，在激光光程差随时间的变化率达到预设的变化率时，则自动分析单元读取结构物的与该预设的变化率相对应的位移的设定阈值。

根据一种优选的实施方式，所述至少两个反射角按照如下方式设置：建立盾构下穿的数值仿真模型；基于所述数值仿真模型的数值仿真结果获取所述结构物的沉降曲线；将所述沉降曲线按照施工阶段至少分为两段，分别计算至少两段的结构物的位移变化率，并按照所述激光光程差的变化率与所述位移变化率相互契合的方式设置所述反射角。

根据一种优选的实施方式，所述设定阈值至少按照如下方式设定：根据盾构刀盘的行进路径将所述沉降曲线分为前期沉降曲线、中期沉降曲线和后期沉降曲线，其中，基于所述前期沉降曲线设定前期位移阈值和/或前期位移变化率阈值；基于所述中期沉降曲线设定中期位移阈值和/或中期位移变化率阈值；基于所述后期沉降曲线设定后期位移阈值和/或后期位移变形率阈值；其中，所述前期沉降曲线对应所述盾构刀盘未穿至所述结构物的阶段，所述中期沉降曲线对应有所述盾构刀盘正穿至所述结构物的阶段，所述后期沉降曲线对应所述盾构刀盘已穿过所述结构物的阶段。

根据一种优选的实施方式，所述激光测量单元的激光发射器能够发射至少两束平行激光，所述至少两束平行激光经附于所述结构物不同位置的至少两个楔形靶板反射至所述激光测量单元的激光接收器，从而所述自动分析单元能够根据所述发射至少两束平行激光的激光行程计算所述结构物的倾斜率，用于分析所述结构物是否相对地面发生了倾斜，其中，所述倾斜率的设定阈值与所述至少两个各异的反射角相互对应。

根据一种优选的实施方式，所述激光发射器的激光发射频率配置为：所述激光测量单元能够在盾构正穿至所述结构物时的第二测量频率大于在盾构未穿至所述结构物时的第一测量频率；和/或所述激光测量单元能够在盾构下穿至所述结构物时的第二测量频率大于在盾构已穿过所述结构物时的第三测量频率。

根据一种优选的实施方式，所述自动分析单元配置为如下方式读取所述数据库中的设定阈值：在所述激光光程差小于或等于第一反射角对应的第一激光光程差阈值的情况下，所述自动分析单元读取所述第一反射角对应的第一设定阈值；和/或在所述激光光程差大于所述第一反射角对应的第一激光光程差阈值且小于或等于所述第二反射角对应的第二激光光程差阈值的情况下，所述自动分析单元读取所述第二反射角对应的第二设定阈值；和/或在所述激光光程差大于第二反射角对应的第二激光光程差阈值且小于或等于所述第三反射角对应的第三激光光程差阈值的情况下，所述自动分析单元读取所述第三反射角对应的第三设定阈值。

根据一种优选的实施方式，述分析***包括报警单元，所述报警单元按照如下方式配置：在所述结构物的位移大于或等于对应的施工阶段的位移的设定阈值的情况下，所述报警单元发出第一报警信号；和/或在所述结构物的位移的变化率大于或等于对应的施工阶段的位移的变化率的设定阈值的情况下，所述报警单元发出第二报警信号。

根据一种优选的实施方式，用于测量不同结构物的位移的激光测量单元分别与自动分析单元通信连接以形成局域网网络，其中，所述自动分析单元与所述数据库通信连接，以使得在盾构施工过程中所述分析***能够对至少两个不同结构物的位移进行大数据监控。

根据一种优选的实施方式，本发明还公开一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析方法，包括：由激光测量单元基于激光光程差测量所述结构物的位移和/或位移变化率，由自动分析单元将所述位移和/或所述位移变化率分别与数据库中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果：所述激光测量单元包括附于所述结构物的用于反射激光的楔形靶板，其中，所述楔形靶板具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，所述至少两个各异的反射角能够跟随盾构的施工进程改变所述激光光程差的变化率；其中，所述至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而所述自动分析单元能够根据不同施工阶段的所述结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与所述位移和/或位移变化率进行比较。

根据一种优选的实施方式，本发明公开了一种用于测量盾构下穿结构物形变的楔形靶板，所述楔形靶板附于所述结构物上用于反射激光测量单元中的发射的激光，其中，所述楔形靶板具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，所述至少两个各异的反射角能够在盾构不同的施工阶段改变所述激光光程差的变化率；其中，所述至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而所述自动分析单元能够根据不同施工阶段的所述结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与所述位移和/或位移变化率进行比较。

附图说明

图1是本发明提供的一种***的激光测量示意图；

图2是本发明提供的一种优选的楔形靶板的示意图；

图3是本发明提供的第一测量示意图；

图4是本发明提供的第二测量示意图；

图5是本发明提供的第三测量示意图；

图6是本发明提供的结构物未发生倾斜时的第四测量示意图；

图7是本发明提供的结构物发生倾斜时的第五测量示意图；

图8是本发明提供的一种优选的监控局域网络示意图。

附图标记列表

100：激光测量单元 300：数据库

200：自动分析单元 400：楔形靶板

具体实施方式

下面结合附图1-8进行详细说明。

实施例1

本实施例公开一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***，包括激光测量单元100和自动分析单元200。

激光测量单元100包括激光发射器、楔形靶板400、激光接收器和测量计算设备。测量计算设备是具有运算功能的数据服务器、服务芯片中的至少一种。楔形靶板400是采用能够反射激光的材料制成的。结合附图1，激光发射器将激光发射至楔形靶板400，激光经过楔形靶板400反射至激光接收器，完成一次测量。楔形靶板400固定安装在结构物上。楔形靶板400的反射面因为反射角的设置而成楔形面，所以如果激光的反射点变化，则前后两束激光形成激光光程差△s，根据几何关系则可以推算出结构物的位移变化以及位移变化率(位移相对时间的变化)。结合如图2-5所示，楔形靶板400设置有三个反射角，则激光光程差△s与沉降位移△h之间的几何关系为：

ΔS≤L₁，Δh＝ΔS·tanβ₁

L₁＜ΔS≤L₂，Δh＝L₁·tanβ₁+(ΔS-L₁)tanβ₂＝Δh₁+(ΔS-L₁)tanβ₂

L₂＜ΔS≤L₃，Δh＝L₁·tanβ₁+(L₂-L₁)·tanβ₂+(ΔS-L₂)tanβ₂＝Δh₁+Δh₂+(ΔS-L₂)tanβ₃

式中：

L₁：第一反射楔面的水平长度，也是第一激光光程差阈值；△h₁：第一反射楔面的垂直高度，也是第一施工阶段的允许的最大沉降位移。

L₂：第二反射楔面的水平长度，也是第二激光光程差阈值；△h₂：第二反射楔面的垂直高度，也是第二施工阶段的允许的最大沉降位移。

L₃：第三反射楔面的水平长度，也是第三激光光程差阈值；△h₃：第三反射楔面的垂直高度，，也是第三施工阶段的允许的最大沉降位移。

自动分析单元200是具有运算服务功能的处理器，其能够将位移和/或位移变化率分别与数据库300中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果。设定阈值包括位移的设定阈值和位移变化率的设定阈值。

本发明中，楔形靶板400具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角。例如，如图2所示，反射角共计有三个。反射角也可以是两个、4个或者以上。反射角的设置个数和角度可以通过数值分析结果的结构物的沉降规律设置。本发明通过楔形靶板400反射激光，以使得激光光程差△s与沉降位移具有几何关系。按照本发明的测量方式：1、由于反射角是不同的，在结构物沉降过程中，激光的反射点会随着结构物的沉降而发生变化，位于不同楔形面上的反射点能够直接地改变激光光程差△s与沉降位移的几何关系，从而激光光程差△s的变化率会跟随盾构的施工进程而发生改变，以此自动分析单元200可以根据该变化率调整对结构物不同的监测力度，例如在激光光程差△s随时间的变化与达到预设的变化率，则自动分析单元200增加对结构物不同的监测频率。2、本发明可以在同一结构物上设置多个楔形靶板400，通过发射一束平行激光至多个楔形靶板400上，测量不同经过多个楔形靶板400后的激光光程，可以测量该结构物是否发生倾斜，并且能够根据其中一束激光光程差△s的变化率对结构物是否发生倾斜进行可变频次的测量。3、由于反射角是根据不同施工阶段的结构物的沉降规律而设置的，因此位移和/或位移变化率的设定阈值与反射角是可以彼此对应的，用于在激光光程差△s的变化率发生变化的情况下，自动分析单元200能够根据不同施工阶段的结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较，从而对不同施工阶段的结构物的沉降实施不同准则的监控方式，例如，在激光光程差△s随时间的变化率达到预设的变化率时，则自动分析单元200读取结构物的与该预设的变化率相对应的位移的设定阈值。

优选地，至少两个反射角按照如下方式设置：

S1：建立盾构下穿的数值仿真模型。数值仿真模型是一种基于有限元法模拟而建立的广泛地应用于水利工程、土建工程、机械工程、桥梁工程和冶金工程等等工程领域的数学模型。其主要是一种求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术，由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能够适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。例如，在盾构下穿掘进中，数值分析方法可以模拟盾构机不同掘进速度对临近土体扰动的影响。数值分析可以采用现有的数值分析平台，例如ANSYS、ABAQUS、FLAC-3D、LS-Dyna和MIDAS/GTS等有限元分析平台等。数值分析模型的步骤主要包括物理模型的建立、边界条件的建立和网格划分。物理模型包括隧道岩土几何模型、结构物物理模型、盾构机物理模型以及结构物和隧道的空间关系。边界条件的建立包括岩土的力学模型、盾构机的力学模型、结构物的力学模型、盾构节的掘进参数以及定义盾构机与岩土之间的作用关系。网格划分即将隧道岩土物理模型、结构物物理模型、盾构机物理模型进行离散处理。

S2：基于数值仿真模型的数值仿真结果获取结构物的沉降曲线。沉降曲线可以通过有限元仿真平台后处理得到。例如，可以提取结构物重心的位移作为结构物的沉降曲线。

S3：将沉降曲线按照施工阶段至少分为两段。根据盾构刀盘的行进路径至少可以将沉降曲线分为前期沉降曲线和中期沉降曲线。沉降曲线还可以分为前期沉降曲线、中期沉降曲线和后期沉降曲线。沉降曲线还可以分为前期沉降曲线、前期-中期过渡沉降曲线、中期沉降曲线和中期-后期过渡沉降曲线、后期沉降曲线。优选地，本实施例中将沉降曲线分为前期沉降曲线、中期沉降曲线和后期沉降曲线。前期沉降曲线对应盾构刀盘未穿至结构物的阶段，该阶段的沉降规律为结构物缓慢沉降，且其沉降的位移较小。中期沉降曲线对应有盾构刀盘正穿至结构物的阶段，该阶段的沉降规律为结构物快速沉降，且其沉降的位移较大。后期下沉曲线对应盾构刀盘已穿越过结构物的阶段，该阶段的沉降规律为结构物慢速沉降，且其沉降的位移变小。为了能够有效地对结构物的沉降进行有效地监控，分别计算至少两段的结构物的位移变化率，并按照激光光程差△s的变化率与位移变化率相互契合的方式设置反射角。位移变化率可以是位移差值与时间的比值。在本发明中，基于数值分析结果的位移变化率越大，激光光程差△s变化率随结构物位移的变化越小，因此反射角设置的越大。即：对应盾构刀盘穿越至结构物下方的反射角是最大的，其能够具有如下优势：1、结构物在对应盾构刀盘穿越至结构物下方时，很小的激光光程差△s变化对应的位移变化率相对于盾构刀盘未穿越至结构物下方时的变化也可以是较大的，依次来提高激光测量单元100的敏感性，从而使得微小的激光光程差△s也能够有效地用于监测结构物的位移变化；2、在自动分析单元200接收到激光光程差△s微小的变化率时，能够自动地切换至监测盾构刀盘穿越至结构物下方时的监测状态，这个监测状态可以是提高激光测量单元100的监测密度，也设定有盾构刀盘穿越至结构物下方时结构物的位移阈值和位移的变化率阈值。

盾构刀盘与结构物的位置关系可以按照如下方式定义：首先，在空间数学模型中，将结构物整体平移至待预设隧道的上方，形成第一虚拟结构物；然后再将结构物按照其几何中心或者重心与预设隧道的轴线重合的方式平移，形成第二虚拟结构物，使得预设隧道能够贯穿第二虚拟结构物；其次，在刀盘运动过程中，如果刀盘运动至第二虚拟结构物内时，则可以描述为盾构刀盘正穿越至结构物(第二施工阶段)；如果刀盘尚未运动至第二虚拟结构物内时，则可以描述为盾构刀盘尚未穿越至结构物(第一施工阶段)；如果刀盘已运动出第二虚拟结构物时，则可以描述为盾构刀盘已穿越出结构物(第三施工阶段)。

优选地，激光发射器的激光发射频率配置为：激光测量单元100能够在盾构正穿至结构物时的第二测量频率大于在盾构未穿至结构物时的第一测量频率。和/或激光测量单元100能够在盾构下穿至结构物时的第二测量频率大于在盾构已穿过结构物时的第三测量频率。例如，如图3，当激光的反射点位于第一反射楔面时(此时盾构未穿至结构物)，激光测量单元100的第一测量频率为2次/h。例如，如图4，当激光的反射点位于第二反射楔面时(此时盾构正穿至结构物)，激光测量单元100的第一测量频率为6次/h。例如，如图5，当激光的反射点位于第三反射楔面时(此时盾构已穿出结构物)，激光测量单元100的第一测量频率为3次/h。按照这种方式，本发明能够有针对性地在盾构正穿至结构物时对结构物的沉降位移进行监测，具体地：1、结构物的沉降位移在盾构正穿至结构物时随时间的变化率是比其他施工阶段大的，因此提升其测量频率，能够有效地根据记录数据刻画出其沉降规律，为现场施工提供例如调整刀盘扭矩、调整掘进速度和增加支护等施工参数调节的指导；2、由于第二反射角β₂分别大于第一反射角β₁和第三反射角β₃，较大的沉降位移△s才会引起较大的激光光程差△h，因此，加大激光测量单元100在盾构正穿至结构物时的测量频率有利于提升沉降位移△s的测量精度；其次，现场需要配置过多的测量人员对结构物进行测量，为此根据本发明的测量频率设置可以对测量工程人员进行排班和调度，以节约人力资源成本。

结合附图2-5，优选地，自动分析单元200配置为如下方式读取数据库中的设定阈值：在激光光程差△s小于或等于第一反射角β₁对应的第一激光光程差阈值L₁的情况下，自动分析单元200读取第一反射角β₁对应的第一设定阈值。和/或在激光光程差△s大于第一反射角β₁对应的第一激光光程差阈值L₁且小于或等于第二反射角β₂对应的第二激光光程差阈值L₂的情况下，自动分析单元200读取第二反射角β₂对应的第二设定阈值。和/或在激光光程差△s大于第二反射角β₂对应的第二激光光程差阈值L₂且小于或等于第三反射角β₃对应的第三激光光程差阈值L₃的情况下，自动分析单元200读取第三反射角β₃对应的第三设定阈值。设定阈值主要包括位移阈值和位移变化率阈值。例如，第一位移阈值是第一施工阶段的允许的最大沉降位移△h₁。第一位移变化率阈值是指在单位时间内结构物在第一施工阶段允许的位移变化的最大值。同理，第二位移阈值是第二施工阶段的允许的最大沉降位移△h₂。第二位移变化率阈值是指在单位时间内结构物在第二施工阶段允许的位移变化的最大值。例如，在盾构正穿至结构物下方时，自动分析单元200读取第二施工阶段对应的最大沉降位移△h₁及第二位移变化率，并以此作为结构物位移和位移变化率的比较标准。按照这种方式，本发明具有如下的优势：自动分析单元200够在第一施工阶段、第二施工阶段和第三施工阶段对结构物的位移进行不同准则的判定，△h₂大于△h₁和△h₃，以使得自动分析单元200能够在盾构的不同施工阶段根据不同实施准则对结构物的形变进行报警或预警。

优选地，分析***包括报警单元。报警单元与自动分析单元200通信连接。例如，报警单元与自动分析单元200可以集成在一个计算机中。报警单元可以将其报警信号通过无线协议发送至工程人员的收集APP中或者将报警信号显示于指挥中心的大屏幕上。报警单元按照如下方式配置：在结构物的位移大于或等于对应的施工阶段的位移的设定阈值的情况下，报警单元发出第一报警信号。和/或在结构物的位移的变化率大于或等于对应的施工阶段的位移的变化率的设定阈值的情况下，报警单元发出第二报警信号。例如，在盾构正穿至结构物下方时，自动分析单元200读取第二施工阶段对应的最大沉降位移△h₁及第二位移变化率，并以此作为结构物位移和位移变化率的比较标准，如果激光测量单元100测量出的结构物的位移大于或等于对应的施工阶段的位移的设定阈值的情况下，报警单元发出第一报警信号，该第一报警信号可以是呈现在指挥中心的屏幕上，用以指导现场作业。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

由于隧道走向以及地质条件的影响，结构物发生的形变除结构物沉降外还包括结构物的倾斜，尤其是在盾构下穿至结构物下方时。

优选地，激光测量单元100的激光发射器能够发射至少两束平行激光。至少两束平行激光经附于结构物不同位置的至少两个楔形靶板反射至激光测量单元100的激光接收器。至少两束平行激光至少对应有至少两个光程。例如，在结构物的高度方向布置有两个同规格的楔形靶板400。如图6所示，在结构物未发生倾斜的情况下，两束平行激光的激光光程S₁＝S₂。而，如图7所示，在结构物发生倾斜的情况下，则两束平行激光的激光光程S₁与S₂不等，则发生倾斜后结构物相对地面的倾斜角度α可以按照如下方式：

α＝arctan(|S₁-S₂|/H)

其中，H为两束平行激光在高度方向上的间距。

优选地，在激光测量单元100中，结构物的倾斜率按照倾斜角度α的正切值计算，以表示结构物的倾斜率λ：

λ＝tanα＝|S₁-S₂|/H

按照这种方式，本发明还具有如下的优势：1、第一束激光在测量结构物位移变化的同时还能够一并结合第二束激光测量结构物的倾斜率，能够降低测量的耗时和成本。2、倾斜率的设定阈值还可以与至少两个各异的反射角相互对应。例如，在激光光程差△s小于或等于第一反射角β₁对应的第一激光光程差阈值L₁的情况下，自动分析单元200读取第一反射角β₁对应的第一倾斜率设定阈值。和/或在激光光程差△s大于第一反射角β₁对应的第一激光光程差阈值L₁且小于或等于第二反射角β₂对应的第二激光光程差阈值L₂的情况下，自动分析单元200读取第二反射角β₂对应的第二倾斜率设定阈值。和/或在激光光程差△s大于第二反射角β₂对应的第二激光光程差阈值L₂且小于或等于第三反射角β₃对应的第三激光光程差阈值L₃的情况下，自动分析单元200读取第三反射角β₃对应的第三倾斜率设定阈值。

实施例3

本实施例可以是对实施例1、2的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

在一个盾构建设隧道的工程中，尤其是在城市隧道建设工程中，需要进行监控的结构物的数量较多，且由于结构物之间的距离一般较小。因此，为了使得指挥中心或者指挥分中心实施获取现场监测数据，优选地，用于测量不同结构物的位移的激光测量单元100分别与自动分析单元200通信连接以形成局域网网络。例如，激光测量单元100的测量设备和自动分析单元200可以集成为在一个计算机中。结合附图8所示。自动分析单元200与数据库300通信连接，以使得在盾构施工过程中分析***能够对至少两个不同结构物的位移进行大数据监控。从而，该***能够在一个盾构建设隧道的工程中，对整个盾构施工过程的结构物进行大数据监控。例如，数据库300可以是云端服务器，其可以位于整个盾构隧道建设的指挥中心，所有的自动分析单元200均可以通过无线网络与之进行数据交换。数据库300也可以是雾端服务器，其可以是位于某个地铁施工站点建设的指挥分中心，其仅负责该施工站点内的结构物的位移监测。数据库300存储有盾构施工中不同结构物的不同施工阶段的位移阈值、位移变化率阈值和倾斜率阈值。

实施例4

本实施例可以是对实施例1、2、3或4及其组合的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

优选地，设定阈值至少按照如下方式设定：

根据盾构刀盘的行进路径将沉降曲线分为前期沉降曲线、中期沉降曲线和后期沉降曲线。这些曲线是来自于数值仿真平台，其能够有效地指导现场进盾构施工，可以作为盾构安全施工的指导参数。因此，基于前期沉降曲线设定前期位移阈值和/或前期位移变化率阈值。基于中期沉降曲线设定中期位移阈值和/或中期位移变化率阈值。基于后期沉降曲线设定后期位移阈值和/或后期位移变形率阈值。位移变形率阈值：在同一施工阶段的一定掘进时间内，最大位移值与最小位移值的差值与该掘进时间的比值；又或者，在该一定掘进时间内，最大位移值与平均位移值的差值与该掘进时间的比值。其中，前期沉降曲线对应盾构刀盘未穿至结构物的阶段(第一施工阶段)。期沉降曲线对应有盾构刀盘正穿至结构物的阶段(第二施工阶段)。后期沉降曲线对应盾构刀盘已穿过结构物的阶段(第三施工阶段)。基于数值分析结果获取结构物在模拟盾构下穿过程中的下沉曲线。有效地，中期下沉曲线包括了盾构刀盘正通过结构物的阶段，也可以包括部分盾构刀盘未通过结构物的阶段(主要通过下沉曲线的计算位移变化率确定，按照数学中的拐点确定)和/或已通过结构物的阶段(主要通过计算下沉曲线的位移变化率确定，按照数学中的拐点确定)。后期下沉曲线对应盾构刀盘已通过结构物的阶段。基于前期下沉曲线设定前期变形率阈值。基于述中期下沉曲线设定中期变形率阈值。基于后期下沉曲线设定后期变形率阈值。在盾构实际掘进过程中，在其各个掘进阶段，结构物的沉降速率是不同的。并且，在盾构穿越结构物的过程中，结构物的沉降速率是最快的。因此，前期变形率阈值和后期变形率阈值小于中期变形率阈值。按照这种方式，根据数值仿真结果的不同阶段的结构物的沉降发展特征，分阶段地对结构物的变形监测以及实施不同的保护方案，进而根据监测结果在施工过程中对沉降采取相应的施工参数调整以及保护方案的调整，从而有效地保证各个下穿阶段结构物的变形管控。

实施例5

本实施例公开了一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析方法，在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

优选地，该方法包括：

由激光测量单元100基于激光光程差测量结构物的位移和/或位移变化率；

由自动分析单元200将位移和/或位移变化率分别与数据库300中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果；进一步，优选地，激光测量单元100还可以测量结构物的倾斜率，数据库300还包括倾斜率阈值；

优选地，激光测量单元100包括附于结构物的用于反射激光的楔形靶板400；

楔形靶板400具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，至少两个各异的反射角能够跟随盾构的施工进程改变激光光程差的变化率。

至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而自动分析单元200能够根据不同施工阶段的结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较。

实施例6

本实施例公开了一种用于测量盾构下穿结构物形变的楔形靶板400。不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

楔形靶板400附于结构物上用于反射激光测量单元100中的发射的激光。楔形靶板400具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，至少两个各异的反射角能够在盾构不同的施工阶段改变激光光程差的变化率。至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而自动分析单元100能够根据不同施工阶段的结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较。

例如，如图2所示为一种优选的楔形靶板400，其设置有三个反射角β₁、β₂、β₃，其中：

β₁，对应结构物未穿至结构物，对应结构物的前期沉降曲线；

β₂，对应结构物已穿至结构物，对应结构物的中期沉降曲线；

β₃，对应结构物已穿过结构物，对应结构物的后期沉降曲线。

其中，β₂大于β₁、β₂大于β_3。其能够具有如下优势：1、结构物在对应盾构刀盘穿越至结构物下方时，很小的激光光程差△s变化对应的位移变化率相对于盾构刀盘未穿越至结构物下方时的变化也可以是较大的，依次来提高激光测量单元100的敏感性，从而使得微小的激光光程差△s也能够有效地用于监测结构物的位移变化；2、在自动分析单元200接收到激光光程差△s微小的变化率时，能够自动地切换至监测盾构刀盘穿越至结构物下方时的监测状态，这个监测状态可以是提高激光测量单元100的监测密度，也设定有盾构刀盘穿越至结构物下方时结构物的位移阈值和位移的变化率阈值。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析***，包括：

激光测量单元(100)：其能够利用激光光程差测量所述结构物的位移和/或位移变化率，

自动分析单元(200)：将所述位移和/或所述位移变化率分别与数据库(300)中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果；

其特征在于，

所述激光测量单元(100)包括附于所述结构物的用于反射激光的楔形靶板(400)，

其中，所述楔形靶板(400)具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，以使得所述至少两个各异的反射角能够跟随盾构的施工进程改变所述激光光程差的变化率；

其中，所述至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而所述自动分析单元(200)能够根据不同施工阶段的所述结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与所述位移和/或位移变化率进行比较，

所述自动分析单元(200)配置为如下方式读取所述数据库中的设定阈值：

在所述激光光程差(△s)小于或等于第一反射角(β₁)对应的第一激光光程差阈值(L₁)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第一反射角(β₁)对应的第一设定阈值；和/或

在所述激光光程差(△s)大于所述第一反射角(β₁)对应的第一激光光程差阈值(L₁)且小于或等于第二反射角(β₂)对应的第二激光光程差阈值(L₂)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第二反射角(β₂)对应的第二设定阈值；和/或

在所述激光光程差(△s)大于第二反射角(β₂)对应的第二激光光程差阈值(L₂)且小于或等于第三反射角(β₃)对应的第三激光光程差阈值(L₃)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第三反射角(β₃)对应的第三设定阈值。

2.根据权利要求1所述的分析***，其特征在于，所述至少两个反射角按照如下方式设置：

建立盾构下穿的数值仿真模型；

基于所述数值仿真模型的数值仿真结果获取所述结构物的沉降曲线；

将所述沉降曲线按照施工阶段至少分为两段，分别计算至少两段的结构物的位移变化率，并按照所述激光光程差的变化率与所述位移变化率相互契合的方式设置所述反射角。

3.根据权利要求2所述的分析***，其特征在于，所述设定阈值至少按照如下方式设定：

根据盾构刀盘的行进路径将所述沉降曲线分为前期沉降曲线、中期沉降曲线和后期沉降曲线，

其中，基于所述前期沉降曲线设定前期位移阈值和/或前期位移变化率阈值；

基于所述中期沉降曲线设定中期位移阈值和/或中期位移变化率阈值；

基于所述后期沉降曲线设定后期位移阈值和/或后期位移变形率阈值；

其中，所述前期沉降曲线对应所述盾构刀盘未穿至所述结构物的阶段，

所述中期沉降曲线对应有所述盾构刀盘正穿至所述结构物的阶段，

所述后期沉降曲线对应所述盾构刀盘已穿过所述结构物的阶段。

4.根据权利要求3所述的分析***，其特征在于，所述激光测量单元(100)的激光发射器能够发射至少两束平行激光，所述至少两束平行激光经附于所述结构物不同位置的至少两个楔形靶板反射至所述激光测量单元(100)的激光接收器，从而所述自动分析单元(200)能够根据所述发射至少两束平行激光的激光行程计算所述结构物的倾斜率，用于分析所述结构物是否相对地面发生了倾斜，

其中，所述倾斜率的设定阈值与所述至少两个各异的反射角相互对应。

5.根据权利要求4所述的分析***，其特征在于，所述激光发射器的激光发射频率配置为：

所述激光测量单元(100)能够在盾构正穿至所述结构物时的第二测量频率大于在盾构未穿至所述结构物时的第一测量频率；和/或

所述激光测量单元(100)能够在盾构下穿至所述结构物时的第二测量频率大于在盾构已穿过所述结构物时的第三测量频率。

6.根据权利要求5所述的分析***，其特征在于，所述分析***包括报警单元，所述报警单元按照如下方式配置：

在所述结构物的位移大于或等于对应的施工阶段的位移的设定阈值的情况下，所述报警单元发出第一报警信号；和/或

在所述结构物的位移的变化率大于或等于对应的施工阶段的位移的变化率的设定阈值的情况下，所述报警单元发出第二报警信号。

7.根据权利要求6所述的分析***，其特征在于，用于测量不同结构物的位移的激光测量单元(100)分别与自动分析单元(200)通信连接以形成局域网网络，

其中，所述自动分析单元(200)与所述数据库(300)通信连接，以使得在盾构施工过程中所述分析***能够对至少两个不同结构物的位移进行大数据监控。

8.一种盾构下穿结构物形变的激光自动化分析方法，包括：

由激光测量单元(100)基于激光光程差测量所述结构物的位移和/或位移变化率，

由自动分析单元(200)将所述位移和/或所述位移变化率分别与数据库(300)中对应的设定阈值进行比较并输出比较结果：

其特征在于，

所述激光测量单元(100)包括附于所述结构物的用于反射激光的楔形靶板(400)，

其中，所述楔形靶板(400)具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，所述至少两个各异的反射角能够跟随盾构的施工进程改变所述激光光程差的变化率；

其中，所述至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而所述自动分析单元(200)能够根据不同施工阶段的所述结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与所述位移和/或位移变化率进行比较，

所述自动分析单元(200)配置为如下方式读取所述数据库中的设定阈值：

在所述激光光程差(△s)小于或等于第一反射角(β₁)对应的第一激光光程差阈值(L₁)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第一反射角(β₁)对应的第一设定阈值；和/或

在所述激光光程差(△s)大于所述第一反射角(β₁)对应的第一激光光程差阈值(L₁)且小于或等于第二反射角(β₂)对应的第二激光光程差阈值(L₂)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第二反射角(β₂)对应的第二设定阈值；和/或

在所述激光光程差(△s)大于第二反射角(β₂)对应的第二激光光程差阈值(L₂)且小于或等于第三反射角(β₃)对应的第三激光光程差阈值(L₃)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第三反射角(β₃)对应的第三设定阈值。

9.一种用于测量盾构下穿结构物形变的楔形靶板(400)，其特征在于，

所述楔形靶板(400)附于所述结构物上用于反射激光测量单元(100)中的发射的激光，

其中，所述楔形靶板(400)具有对应不同施工阶段的至少两个各异的反射角，所述至少两个各异的反射角能够在盾构不同的施工阶段改变所述激光光程差的变化率；

其中，所述至少两个各异的反射角分别对应各自的设定阈值，从而自动分析单元(200)能够根据不同施工阶段的所述结构物的沉降规律读取各自的设定阈值并与位移和/或位移变化率进行比较，

所述自动分析单元(200)配置为如下方式读取数据库中的设定阈值：

在所述激光光程差(△s)小于或等于第一反射角(β₁)对应的第一激光光程差阈值(L₁)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第一反射角(β₁)对应的第一设定阈值；和/或

在所述激光光程差(△s)大于所述第一反射角(β₁)对应的第一激光光程差阈值(L₁)且小于或等于第二反射角(β₂)对应的第二激光光程差阈值(L₂)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第二反射角(β₂)对应的第二设定阈值；和/或

在所述激光光程差(△s)大于第二反射角(β₂)对应的第二激光光程差阈值(L₂)且小于或等于第三反射角(β₃)对应的第三激光光程差阈值(L₃)的情况下，所述自动分析单元(200)读取所述第三反射角(β₃)对应的第三设定阈值。

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