CN112304235B - 一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***及方法，包括监测数据采集层，数据通信储存层和用户呈现层，所述监测数据采集层负责采集现场的数据，通过无线传输数据到数据通信储存层；所述数据通信储存层包括通信控制器和作为云服务器的数据库；所述用户呈现层采用服务器或者移动终端，用于对数据查询、分析和处理，其包括数据查询模块、表格查询模块、工况查询模块、数据分析模块和报警统计模块。所述沉降监测装置包括刚性杆、CCD摄像机、刻度尺和若干水泥桩，每两个水泥桩之间设置一个刚性杆，利用刚性杆前端指针指示刻度尺变化监测沉降量。本发明通过无线传输数据，全过程非接触测量，布设方便、简单，不影响水面正常通航。

Description

一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***及方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种沉降自动监测技术，具体涉及一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***及方法。

背景技术

城市地铁建设的高速发展，缓解了城市交通压力的同时也带来了日趋突出的隧道开挖、运营安全防范问题，隧道变形监测技术应运而生。其安全监测内容主要包括隧道侵蚀监测，隧道结构监测以及地层监测，那么隧道沉降变形，尤其是水体下隧道开挖导致的沉降变形一直是监测重点，而国内外沉降的测量方法主要是以人工定期复测和引起先进仪器现场安装进行不间断测量为主，成本较高，实时性差，且传统监测数据的处理主要由人工完成，数据处理效率低，数据成果反馈不及时，不利于监测数据的分析和监测预报，影响工程决策。因此，构建一套自动监测***、实时发布隧道开挖过程中水底沉降变形数据和异常报警显得尤为重要。

发明内容

此专利方法是在隧道掘进过程中的水底安装工业摄像机实时对测点拍照测量进行沉降变形监测的方法。变形监测精度高，无磨损，实时性好，全过程非接触测量，不影响水面正常通航；布设方便、简单，能实时自动获取监测数据，掌握沉降变形趋势。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***，其特征在于：包括监测数据采集层，数据通信储存层和用户呈现层，所述监测数据采集层作为***的数据支撑来源，主要负责采集现场的数据，通过无线传输数据到数据通信储存层；所述数据通信储存层包括通信控制器和作为云服务器的数据库；所述用户呈现层采用服务器或者移动终端，用于对数据查询、分析和处理，其包括数据查询模块、表格查询模块、工况查询模块、数据分析模块和报警统计模块。

进一步地，所述监测数据采集层包括沉降监测装置、数据采集模块、FIFO存储器、微处理器和通信芯片，所述数据采集模块采集沉降监测装置的监控数据通过FIFO存储器临时存储，并通过微处理器和通信芯片与数据通信储存层进行无线通信数据传递。

进一步地，所述沉降监测装置包括刚性杆、CCD摄像机、刻度尺和若干水泥桩，若干水泥桩分布在若干监测点上，每两个水泥桩之间设置一个刚性杆，所述刚性杆一端固定在一个水泥桩上，另一端为自由端，该自由端设有指针和CCD摄像机，与该自由端相对的另一个水泥桩上设有竖直方向安装的刻度尺，该自由端上的CCD摄像机用于拍摄指针在另一个水泥桩上刻度尺上的刻度，所述刚性杆在水泥桩之间的安装方向相同。

进一步地，每个刚性杆的自由端均设有一个对CCD摄像机补光的光源。

进一步地，所述刻度尺四周的水泥桩上设有对其喷水的喷水冲刷装置。

进一步地，所述若干监测点分布在隧道顶部水底的一条直线上，该直线与隧道轴向垂直。

一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在隧道顶部的水底设置奇数个监测点，搭建上述水底沉降变形监测***，监测点编号记为1，2…i…n，编号1和编号n的为基准点，2至n-1为测点，

步骤2、搭建好水底沉降变形监测***后马上采集数据一次，记录除了1号以外每个监测点的刻度尺上指针读数，作为为沉降的初始值；

步骤3、监测过程中，每间隔一段时间采样一次，记测点i的刻度尺上指针的变化值Δ_i，指针在刻度尺上下的移动变化分别记为正、负值，任意一个测点k的沉降值为

k≥2。

进一步地，步骤1中设置监测点的方法如下：

当隧道掘进到水下区域时，沿着垂直隧道掘进方向上选择监测线，在监测线上根据其长度尺寸均匀划分多个监测点，其中首尾两个监测点为远离隧道掘进区域不受隧道开采影响的基准点，首尾两个监测点之间的都是测点。

与现有沉降变形监测技术相比，本发明具有的有益效果为：

①本发明提出的一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测方法，是在隧道掘进过程中的水底安装工业摄像机实时对测点拍照测量进行沉降变形监测的方法。变形监测精度高，采用毫米刻度尺，工业用摄像机实时拍摄指针变化，沉降变形数据随着刚性杆的变化而变化，无接触无磨损。

②实时性好，通过数据采集终端***，将拍摄图像实时通过5G或4G信号发送到计算机经过相应软件处理，全过程非接触测量，布设方便、简单，不影响水面正常通航。

附图说明

图1为本发明实施例中水底沉降变形监测***架构图；

图2为本发明实施例中水底沉降变形监测***总体设计图；

图3为本发明实施例中水体下隧道掘进示意图；

图4为本发明实施例中水体下隧道掘进俯视图；

图5为本发明实施例中垂直隧道A-A’剖面测点示意图；

图6为本发明实施例中测点、刚性杆等硬件设施局部放大图。

6-刚性杆，7-指针，8-刻度尺，9-CCD摄像机，10-LED光源，11-数据采集模块，12-喷水冲刷装置，13-隧道，14-河床，15-水面。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作出进一步的详细阐述。

如图1和图2所示，一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***，包括监测数据采集层，数据通信储存层和用户呈现层，所述监测数据采集层作为***的数据支撑来源，主要负责采集现场的数据，通过无线传输数据到数据通信储存层；所述数据通信储存层包括通信控制器和作为云服务器的数据库；所述用户呈现层采用服务器或者移动终端，用于对数据查询、分析和处理，其包括数据查询模块、表格查询模块、工况查询模块、数据分析模块和报警统计模块。

所述监测数据采集层包括沉降监测装置、数据采集模块、FIFO存储器、微处理器和通信芯片，所述数据采集模块采集沉降监测装置的监控数据通过FIFO存储器临时存储，并通过微处理器和通信芯片与数据通信储存层进行无线通信数据传递，本实施例中通信芯片为5G芯片或者4G芯片。

如图5和图6所示，所述沉降监测装置包括刚性杆6、CCD摄像机9、刻度尺8和若干水泥桩，5个水泥桩分布在5个监测点上，每两个水泥桩之间设置一个刚性杆6，一共四个刚性杆6，所述刚性杆6一端固定在一个水泥桩上，另一端为自由端，该自由端设有指针7和CCD摄像机9，与该自由端相对的另一个水泥桩上设有竖直方向安装的刻度尺8，指针7指在在该刻度尺8上，该自由端上的CCD摄像机9用于拍摄指针7在另一个水泥桩上刻度尺8上的刻度，所述刚性杆6在水泥桩之间的安装方向相同。本实施例中，数据采集模块11为数据采集卡。

每个刚性杆6的自由端均设有一个对CCD摄像机9补光的光源，本实施例中，光源采用LED光源10，这种光源具有效率高，体积小，抗高温，耗电量低，发光稳定，使用寿命长，环保和坚固耐用等优点。保证CCD摄像机9能够获得清晰的指针7读数照片；所述刻度尺8四周的水泥桩上设有对其喷水的喷水冲刷装置12，方便冲洗尺身，保持尺面数值清晰。

所述CCD摄像机9，具有灵敏度高，使用寿命长，畸变小，体积小，抗震动，无残影等优点。由于在水下工作，需要防水装置并在摄像机前视窗设置自动喷水冲洗镜头，保持镜头前镜像清晰。

所述测点及刚性杆6，预先制作水泥桩，连接使用的刚性杆6不易变形。

所述相关软件研发，可采用现有控制技术进行***初始化，可以调整摄像机曝光时间及采样周期，自动开机采集图像，自动关机并保存数据，自动冲刷镜头及尺身。对图像数据进行处理，将经过处理的数据进行实时显示。

本发明实施例中，所述CCD摄像机9、光源、自动喷水冲刷装置12、FIFO存储器、微处理器(本实施例为ARM处理器)和通信芯片均可以采用电池供电，并且采用IP68级防水设备。

所述若干监测点分布在隧道13顶部水底的一条直线上，该直线与隧道13轴向垂直。

一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1、在隧道13顶部的水底设置奇数个监测点，搭建上述的水底沉降变形监测***，监测点编号记为1，2…i…n，编号1和编号n(本实施例为5)为远离隧道13开挖现场且稳定不发生沉降变形的基准点，

步骤2、搭建好水底沉降变形监测***后马上采集数据一次，记录除了1号以外每个监测点的刻度尺8上指针7读数，作为为沉降的初始值；

步骤3、监测过程中，每间隔一段时间采样一次，记测点i的刻度尺8上指针7的变化值Δ_i，指针在刻度尺上下的移动变化分别记为正、负值，比如指针相对于初始值上移量记为正值，下移量记为负值，任意一个测点k的沉降值为

k≥2。

监测过程中，定时启动自动喷水冲刷装置12对刻度尺8和指针7进行喷水冲洗，以保持CCD摄像机9所述拍摄照片清晰度。

步骤1中设置监测点的方法如下：

如图3所示，当隧道13掘进到水下区域时，首先确定隧道13掘进方向，在与隧道13掘进方向垂直的方向设置一个虚拟面(A-A’剖面)，该虚拟面与水底相交得到一条线为监测线，图4中的A-A’线，在监测线上根据其长度尺寸均匀划分多个监测点，其中首位两个监测点为远离隧道13掘进区域的基准点，首尾两个基准点之间的都是测点，如图5所示，分别为基准点1、测点2、测点3、测点4和基准点5。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***，其特征在于：包括监测数据采集层，数据通信储存层和用户呈现层，所述监测数据采集层作为***的数据支撑来源，主要负责采集现场的数据，通过无线传输数据到数据通信储存层；所述数据通信储存层包括通信控制器和作为云服务器的数据库；所述用户呈现层采用服务器或者移动终端，用于对数据查询、分析和处理，其包括数据查询模块、表格查询模块、工况查询模块、数据分析模块和报警统计模块；

所述监测数据采集层包括沉降监测装置、数据采集模块、FIFO存储器、微处理器和通信芯片，所述数据采集模块采集沉降监测装置的监控数据通过FIFO存储器临时存储，并通过微处理器和通信芯片与数据通信储存层进行无线通信数据传递；

所述沉降监测装置包括刚性杆、CCD摄像机、刻度尺和若干水泥桩，若干水泥桩分布在若干监测点上，每两个水泥桩之间设置一个刚性杆，所述刚性杆一端固定在一个水泥桩上，另一端为自由端，该自由端设有指针和CCD摄像机，与该自由端相对的另一个水泥桩上设有竖直方向安装的刻度尺，该自由端上的CCD摄像机用于拍摄指针在另一个水泥桩上刻度尺上的刻度，所述刚性杆在水泥桩之间的安装方向相同。

2.如权利要求1所述隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***，其特征在于：每个刚性杆的自由端均设有一个对CCD摄像机补光的光源。

3.如权利要求1所述隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***，其特征在于：所述刻度尺四周的水泥桩上设有对其喷水的喷水冲刷装置。

4.如权利要求1-3任意一项所述隧道掘进过程中的水底沉降变形监测***，其特征在于：所述若干监测点分布在隧道顶部水底的一条直线上，该直线与隧道轴向垂直。

5.一种隧道掘进过程中的水底沉降变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在隧道顶部的水底设置奇数个监测点，搭建采用权利要求 4中所述的水底沉降变形监测***，监测点编号记为1，2…i…n，编号1和编号n的为基准点，2至n-1为测点，步骤2、搭建好水底沉降变形监测***后马上采集数据一次，记录除了1号以外每个监测点的刻度尺上指针读数，作为沉降的初始值；

步骤3、监测过程中，每间隔一段时间采样一次，记测点i的刻度尺上指针的变化值Δ_i，指针在刻度尺上下的移动变化分别记为正、负值，任意一个测点k的沉降值为

6.如权利要求5所述隧道掘进过程中的水底沉降变形监测方法，其特征在于：步骤1中设置监测点的方法如下：

当隧道掘进到水下区域时，沿着垂直隧道掘进方向上选择监测线，在监测线上根据其长度尺寸均匀划分多个监测点，其中首尾两个监测点为远离隧道掘进区域不受隧道开采影响的基准点，首尾两个监测点之间的都是测点。

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