CN112326805A - 隧道穹顶在线监测方法、***、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及安全监测技术领域，公开了一种隧道穹顶在线监测方法、***、电子设备及存储介质，能够对隧道穹顶的受力情况进行实时、准确地监测，上述***包括：在隧道穹顶上方土层内水平埋设的监测管；布设在监测管内多个位置的振动传感器，用于检测监测管内多个位置处的振动信号；布设在监测管一端管口处的波产生装置和波检测装置，波产生装置用于产生沿监测管传播的机械波，波检测装置用于检测机械波在监测管的管壁内传播时的反射波；数据处理装置，用于根据振动传感器输出的振动信号和波检测装置检测到的反射波，确定监测管上的裂纹情况和形变情况，根据裂纹情况和形变情况确定监测管的受力情况，进而确定隧道穹顶的受力情况。

Description

隧道穹顶在线监测方法、***、电子设备及存储介质

技术领域

本申请涉及安全监测技术领域，尤其涉及一种隧道穹顶在线监测方法、***、电子设备及存储介质。

背景技术

目前隧道施工中，普遍存在隧道穹顶下沉的问题，隧道中穹顶的下沉可能引发隧道及周边建筑设施的重大安全风险或事故。目前针对隧道的监测沉降方法，主要还是采用全站仪人工监测，然而，全站仪的监测需要人工逐点监测，耗时耗力，且不能实时监测，同时，监测精度与工作人员的操作有关，导致其测量误差较大，测量精度较低。

发明内容

本申请实施例提供一种隧道穹顶在线监测方法、***、电子设备及存储介质，能够对隧道穹顶的受力情况进行实时、准确地监测，提前预警隧道穹顶存在的安全隐患。

一方面，本申请一实施例提供了一种隧道穹顶在线监测***，包括：

在隧道穹顶上方土层内水平埋设的监测管；

布设在所述监测管内多个位置的振动传感器，用于检测所述监测管内多个位置处的振动信号；

布设在所述监测管一端管口处的波产生装置和波检测装置，所述波产生装置用于产生沿所述监测管传播的机械波，所述波检测装置用于检测所述机械波在所述监测管的管壁内传播时的反射波；

数据处理装置，用于根据各个振动传感器输出的振动信号确定所述监测管上的第一裂纹情况，根据所述波检测装置检测到的反射波确定所述监测管上的第二裂纹情况和形变情况，根据所述第一裂纹情况和所述第二裂纹情况确定所述监测管上的裂纹情况，根据所述裂纹情况和所述形变情况确定所述监测管的受力情况，根据所述监测管的受力情况确定所述隧道穹顶的受力情况。

可选地，所述数据处理装置具体用于：

针对每个振动传感器，将所述每个振动传感器输出的振动信号与预设标准振动信号波形进行比对，获得每个振动传感器对应的比对结果；

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹情况。

可选地，所述数据处理装置具体用于：

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹位置；

根据第一裂纹位置周围的振动传感器的比对结果，确定第一裂纹严重程度。

可选地，所述数据处理装置具体用于：

分析所述波检测装置检测到的反射波，以获得反射波特征信息，所述反射波特征信息包括以下至少一种：反射波的强度、波长、相位、极化、反射时长、反射波的数量；

根据所述反射波特征信息，确定所述监测管的第二裂纹情况和形变情况。

可选地，所述数据处理装置还用于；

根据所述波检测装置检测到的反射波的强度，确定所述监测管周围的土层的密度；

根据所述监测管周围的土层的密度，对所述隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况进行预警。

可选地，所述波产生装置包括压电材料，所述压电材料用于在外加电压作用下产生沿所述监测管传播的机械波。

可选地，所述***还包括声波采集装置，用于采集所述监测管出现裂纹时产生的声波；

所述数据处理装置还用于根据所述声波采集装置接收到的声波，确定所述监测管上的第三裂纹情况；

所述数据处理装置具体用于根据所述第一裂纹情况、所述第二裂纹情况和所述第三裂纹情况，确定所述监测管上的裂纹情况。

可选地，至少两个声波采集装置分别设置在所述监测管内的不同位置处；

所述数据处理装置具体用于：根据所述至少两个声波采集装置接收到声波的信号特征，确定所述监测管上的第三裂纹严重程度，根据所述至少两个声波采集装置接收到的同一声波的时间差，确定所述监测管上的第三裂纹位置。

一方面，本申请一实施例提供了一种隧道穹顶在线监测方法，包括：

根据监测管内的多个振动传感器输出的振动信号，确定所述监测管上的第一裂纹情况，其中，所述监测管水平埋设在隧道穹顶上方土层内；

控制波产生装置产生沿所述监测管传播的机械波，并根据波检测装置检测到的所述机械波的反射波，确定所述监测管上的第二裂纹情况和形变情况，其中，所述波产生装置和所述波检测装置布设在所述监测管一端管口处；

根据所述第一裂纹情况和所述第二裂纹情况，确定所述监测管上的裂纹情况；

根据所述裂纹情况和所述形变情况确定所述监测管的受力情况；

根据所述监测管的受力情况确定所述隧道穹顶的受力情况。

可选地，所述根据监测管内的多个振动传感器输出的振动信号，确定所述监测管上的第一裂纹情况，具体包括：

针对每个振动传感器，将所述每个振动传感器输出的振动信号与预设标准振动信号波形进行比对，获得每个振动传感器对应的比对结果；

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹情况。

可选地，所述根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹情况，具体包括：

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹位置；

根据第一裂纹位置周围的振动传感器的比对结果，确定第一裂纹严重程度。

可选地，所述根据波检测装置检测到的所述机械波的反射波，确定所述监测管上的第二裂纹情况和形变情况，具体包括：

分析所述波检测装置检测到的反射波，以获得反射波特征信息，所述反射波特征信息包括以下至少一种：反射波的强度、波长、相位、极化、反射时长、反射波的数量；

根据所述反射波特征信息，确定所述监测管的第二裂纹情况和形变情况。

可选地，所述方法还包括；

根据所述波检测装置检测到的反射波的强度，确定所述监测管周围的土层的密度；

根据所述监测管周围的土层的密度，对所述隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况进行预警。

可选地，所述波产生装置包括压电材料，所述压电材料用于在外加电压作用下产生沿所述监测管传播的机械波。

可选地，所述方法还包括：

根据所述声波采集装置采集到的所述监测管出现裂纹时产生的声波，确定所述监测管上的第三裂纹情况；

所述根据所述第一裂纹情况和所述第二裂纹情况，确定所述监测管上的裂纹情况，具体包括：

根据所述第一裂纹情况、所述第二裂纹情况和所述第三裂纹情况，确定所述监测管上的裂纹情况。

可选地，至少两个声波采集装置分别设置在所述监测管内的不同位置处；

所述根据所述声波采集装置采集到的所述监测管出现裂纹时产生的声波，确定所述监测管上的第三裂纹情况，具体包括：

根据所述至少两个声波采集装置接收到声波的信号特征，确定所述监测管上的第三裂纹严重程度；

根据所述至少两个声波采集装置接收到的同一声波的时间差，确定所述监测管上的第三裂纹位置。

一方面，本申请一实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行计算机程序时实现上述任一种方法的步骤。

一方面，本申请一实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时实现上述任一种方法的步骤。

一方面，本申请一实施例提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述任一种TCP传输性能的控制的各种可选实现方式中提供的方法。

本申请实施例提供的隧道穹顶在线监测方法、***、电子设备及存储介质，在隧道穹顶上方的土层内预埋了监测管，使得隧道穹顶上方的土层对监测管施压，通过监测管内设置的各种传感器，检测监测管的裂纹和形变获知监测管的受力情况，进而获知监测管下方隧道穹顶的受力情况，实现了自动化、智能化的在线监测，并综合多种传感器的监测手段，提高了监测准确度。此外，与隧道穹顶相比，在相同压力下，监测管更易发生形变和损毁，即可基于监测管放大隧道穹顶的受力，更早的判断出隧道穹顶存在的安全隐患。因此，本申请实施例的隧道穹顶在线监测***，能够对隧道穹顶的受力情况进行实时、准确地监测，提前预警隧道穹顶存在的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的隧道穹顶在线监测***的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的监测管在隧道穹顶上方的安装示意图；

图3A为本申请一实施例提供的监测管内的振动传感器的安装示意图；

图3B为本申请一实施例提供的一组振动传感器均匀分布在管壁内侧的圆周上的示意图；

图4为本申请一实施例提供的波产生装置和波检测装置的安装示意图；

图5A为本申请一实施例提供的振动传感器输出的标准振动信号波形的示意图；

图5B为本申请一实施例提供的三个振动传感器实际输出的振动信号的波形图；

图6为本申请一实施例提供的声波采集装置检测原理的示意图；

图7为本申请一实施例提供的隧道穹顶在线监测方法的流程示意图；

图8为本申请一实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

为了方便理解，下面对本申请实施例中涉及的名词进行解释：

压电效应的原理是：如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之对压电材料施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果对压电材料施加的压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流；而将高频电信号加在压电材料上时，则产生高频声信号（机械震动）。

声发射：材料局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射（AcousticEmission，简称AE），有时也称为应力波发射。由于材料内部结构发生变化而引起材料内应力突然重新分布，使机械能转变为声能，产生弹性波，声发射的频率一般在1KHz-1MHz之间。

声发射传感器检测的是材料内部局域缺陷产生的应力波，是用来检测的材料内部局域产生的振动，可以说是“微观现象”；所以安装方式只要将声发射传感器紧贴在待测物体上面即可，也可使用夹具。不过，因为这种应力波在介质之间传递的时候，其衰减较为严重，所以一般会在待测物体与传感器之间涂抹耦合剂。此外还有空气耦合声发射传感器（PXR04A），不需要与待测物体接触就可以进行检测。

电磁波在空间传播时，其电场矢量的瞬时取向称为极化，通常用电场强度矢量端点随着时间在空间描绘出的轨迹来表示电磁波的极化，波的极化也叫波的偏振。

为进一步说明本申请实施例提供的技术方案，下面结合附图以及具体实施方式对此进行详细的说明。虽然本申请实施例提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法中可以包括更多或者更少的操作步骤。在逻辑上不存在必要因果关系的步骤中，这些步骤的执行顺序不限于本申请实施例提供的执行顺序。

参考图1，本申请实施例提供一种隧道穹顶在线监测***10，包括：监测管11、振动传感器12、波产生装置13、波检测装置14和数据处理装置15。

参考图2，可采用暗挖法进行隧道施工，先挖出两个小隧道，然后在小隧道上方的地质构建更宽的隧道穹顶20，通过钢筋水泥浇灌形成可靠的隧道穹顶20，然后将隧道穹顶20之下，两个小隧道之间的支撑土层和支撑物去掉，形成宽大的隧道。在隧道穹顶20上方土层内、朝隧道延伸方向打入至少一个监测管11，监测管11保持水平且尽量靠近隧道穹顶20，监测管11越靠近隧道穹顶20，基于监测管11获得的监测数据，能够更灵敏地反映出隧道穹顶20的受力情况。具体地，多个监测管11可均匀分布在隧道穹顶20上方的土层内，以监测隧道穹顶20上不同位置处的受力情况。

参考图3A，可在监测管11内多个不同的位置处分别布设振动传感器12，振动传感器12用于检测监测管11内多个位置处的振动信号。振动传感器12可通过固定件或粘合剂附着在监测管11的管壁内侧，从监测管11一端的管口开始，每间隔一定距离就在管壁内侧设置一组振动传感器，一组振动传感器包括至少一个振动传感器12。参考图3B，当一组振动传感器包括多个振动传感器12时，这多个振动传感器12可以均匀分布在管壁内侧的圆周上，通过综合一组振动传感器中多个振动传感器12输出的振动信号，减小在该距离处监测到的振动信号的误差。

根据既有经验可知，监测管11自身受到土层施加的压力时会产生振动，当监测管11上产生裂纹时，不同位置的振幅和频率会发生改变，距离裂纹越近的振动传感器12表现越强，即振动信号所表现的信号波形振幅越大。基于这种改变的规律，可以根据各个位置处的振动传感器12输出的振动信号与预设的标准振动信号波形的对比结果，反向推到出监测管11是否发生裂纹以及出现裂纹的位置。

基于此，数据处理装置15用于根据各个振动传感器12输出的振动信号确定监测管11上的第一裂纹情况，该第一裂纹情况可包括裂纹位置和裂纹的严重程度。

参考图4，波产生装置13和波检测装置14设置在监测管11一端管口处，波产生装置13用于产生沿监测管11传播的机械波，波检测装置14用于检测机械波在监测管11的管壁内传播时的反射波。图4中带箭头的虚线示意了管壁内机械波的传播方向，当监测管11的管壁未发生形变或产生裂纹时，机械波传播到监测管11的另一端后才会反射回来，当监测管11的管壁产生裂纹时，裂纹会反射部分机械波，另一部分机械波穿过裂纹后继续向前传输，当监测管11中间某一位置处受压产生形变时，该形变位置处会反射机械波。波检测装置14可包括多个波传感器组成的面阵列传感装置141，检测区域可覆盖监测管11管壁的横截面，通过波检测装置14可检测机械波在监测管11的管壁内传播时的反射波。

基于此，数据处理装置15用于根据波检测装置14检测到的反射波，确定监测管11上的第二裂纹情况和形变情况。具体地，可通过分析波检测装置14的检测区域内各点接收到的反射波的强度、接收到反射波的时刻等信息，确定监测管11内是否存在裂纹和形变、以及裂纹和形变的位置。

例如，根据接收到反射波的时刻和机械波产生时刻之间的时间差、以及机械波在管壁内的传播速度，即可计算得到反射机械波的位置到管口的距离，即裂纹位置或形变位置到管口的距离。根据同一时刻面阵列传感装置141上接收到反射波的位置区域的大小，确定该裂纹位置处的裂纹大小，或该形变位置处的形变大小。

具体实施可通过以下方式判断反射波是裂纹还是形变导致的：若面阵列传感装置141上的某个位置仅收到一次反射波，且根据接收到反射波的时刻确定这次反射波不是监测管11另一端反射的，则可确定这次反射波是监测管11形变导致的；若面阵列传感装置141上的某个位置收到至少两次反射波，且最后一次是监测管11另一端反射的，则可以确定除最后一次反射波外其它反射波为裂纹反射的；若面阵列传感装置141上的某个位置收到至少两次反射波，且最后一次不是监测管11另一端反射的，则可以确定最后一次反射波是监测管11形变导致的，其它反射波是裂纹导致的。

进一步地，数据处理装置15还用于根据第一裂纹情况和第二裂纹情况确定监测管11上的裂纹情况。

例如，可将第一裂纹情况和第二裂纹情况进行去重处理，将去重处理结果作为监测管上的裂纹情况；或者，基于第一裂纹情况对第二裂纹情况进行验证，以排除误差。假设第二裂纹情况中包括监测管11内3米位置处存在裂纹、5米位置处存在裂纹，第一裂纹情况中包括监测管11内3米位置处存在裂纹、但不包括5米位置处存在裂纹，则可以确定监测管11内3米位置处确实存在裂纹，而5米位置处可能不存在裂纹，此时可进一步判断5米位置对应的反射波强度的大小，若反射波强度小于强度下限值，则可以确定5米位置处不存在裂纹，否则确定5米位置处存在裂纹。上述仅为判断的一个示例，实际应用中还可以采用其它方式融合第一裂纹情况和第二裂纹情况，以获得监测管11上的裂纹情况。

通过综合振动传感器12和机械波检测两种方式确定监测管11上的裂纹情况，提高裂纹的检测准确度。

进一步地，数据处理装置15还用于根据监测管11的裂纹情况和形变情况确定监测管11的受力情况，根据监测管11的受力情况确定隧道穹顶的受力情况。

具体实施时，可预先通过实验，确定监测管11的裂纹情况、形变情况与监测管11的受力情况之间的匹配关系，例如：若监测管11某一位置发生2毫米的形变量，则监测管11在该位置受到1000N的力，若监测管11某一位置出现一条裂纹，则监测管11在该位置受到10000N的力，若监测管11某一位置附近出现两条裂纹，则监测管11在该位置受到20000N的力，进一步的还可以确定裂纹大小和受力大小之间的关系。上述匹配关系与监测管11的材料以及管壁厚度有关，一般监测管11可选择韧性好、易产生形变的材料，且管壁厚度适中，这样既保证监测管11能够显示出土层对监测管11的施压情况，又能保证机械波能够在管壁中较好的传播，监测管11的材料和壁厚可根据实际场景进行选择，不作限定。此外，监测管11自身的机械强度要高，监测管11打入土层的一端可设置一个强度较高的锥形结构，保证监测管11可以顺利打入土层内。

基于此，数据处理装置15可根据监测管11的裂纹情况和形变情况、以及上述匹配关系，确定监测管11的受力情况。其中，监测管11的受力情况包括受力位置和受力大小，其中监测管11的受力位置可根据裂纹位置和形变位置确定，监测管11的受力大小可根据裂纹数量、裂纹大小、形变大小以及匹配关系确定。

进而，数据处理装置15可根据监测管11的受力情况确定隧道穹顶的受力情况，其中，隧道穹顶的受力情况包括受力位置和受力大小，隧道穹顶的受力位置可根据监测管11的位置以及监测管11的受力位置确定，隧道穹顶的受力大小可根据监测管11的受力大小确定。

实际应用中，振动传感器12、波产生装置13、波检测装置14均可通过有线或无线的通信方式与数据处理装置15进行通信，将各自检测到的信号发送给数据处理装置15。每个监测管11、振动传感器12、波产生装置13以及波检测装置14都有各自唯一的身份ID，数据处理装置15根据身份ID，区分各个监测管11、振动传感器12、波产生装置13以及波检测装置14，并确定各个监测管11、振动传感器12、波产生装置13以及波检测装置14所处的位置。

本申请实施例的隧道穹顶在线监测***，在隧道穹顶上方的土层内预埋了监测管11，使得隧道穹顶上方的土层对监测管11施压，通过监测管11内设置的各种传感器，检测监测管11的裂纹和形变获知监测管11的受力情况，进而获知监测管11下方隧道穹顶的受力情况，实现了自动化、智能化的在线监测，并综合多种传感器的监测手段，提高了监测准确度。此外，与隧道穹顶相比，在相同压力下，监测管11更易发生形变和损坏，即可基于监测管11放大隧道穹顶的受力，更早的判断出隧道穹顶存在的安全隐患。

因此，本申请实施例的隧道穹顶在线监测***，能够对隧道穹顶的受力情况进行实时、准确地监测，提前预警隧道穹顶存在的安全隐患。

在上述任一实施方式的基础上，波产生装置13可以是超声波产生设备，波检测装置14为超声波监测设置。

或者，波产生装置13可包括压电材料，压电材料可附着在监测管11管壁的侧面，基于压电材料的逆压电效应，在压电材料上施加高频电压信号，这样压电材料可在外加电压作用下产生沿监测管11传播的机械波。实际应用中，压电材料可制成与管壁横截面大小相当的圆环形状，并附着在监测管11一端的管壁上，以保证产生的机械波均沿者监测管11在管壁内传播。

在上述任一实施方式的基础上，数据处理装置15可将每个振动传感器12输出的振动信号与预设的标准振动信号波形进行对比，以获得每个振动传感器12对应的比对结果，然后各个振动传感器12对应的对比结果，判断监测管11上的裂纹位置和裂纹的严重程度，即第一裂纹情况。

具体实施时，可从振动传感器12自身变化比对和不同振动传感器12间变化对比两方面，来判断监测管11上的裂纹位置和裂纹的严重程度。自身变化对比是指当前某一振动传感器12与标准振动信号波形对比是否发生变化，理论上发生裂纹时的波形变化为基波与谐波振幅对比增强，且基波振幅变小、谐波变大，谐波振幅超过基波振幅，同时还会产生杂波，即基波振幅的主导地位下降但谐波振幅高度增强，且在基波与各谐波之间具有不同程度杂波。因此，该示例中主要是从基波和谐波的变化来描述振动信号的变化程度，当振动传感器12输出的振动信号中的基波振幅变小、谐波振幅变大时，可确定该振动传感器12附近出现了裂纹，且振动信号的变化程度越大（即基波振幅变小的幅度越大、谐波振幅变大的幅度越大），传感器越接近裂纹位置。

不同振动传感器12间变化对比是指在同一监测管11上不同振动传感器12之间，对各自输出的振动信号发生变化的程度进行对比。在同一监测管11上所有的振动传感器12中，振动信号变化程度越大的振动传感器12，越接近裂纹位置。

振动传感器12的自身对比可以用于确定裂纹位置，振动传感器12之间的对比可以进一步精确裂纹位置。

具体地，可通过预设标准振动信号波形以及该波形与实际信号波形的参数差值范围，确定具体的裂纹情况，裂纹情况包括裂纹位置和严重程度。

具体地，可通过预设的标准振动信号波形与振动传感器12实际输出的振动信号的参数差值作为对比结果，根据参数差值以及预设的参数差值范围，判断监测管11上的第一裂纹情况。

其中，预设的标准振动信号波形如图5A所示，即监测管11没有裂纹和形变的情况下呈现的接近理想的波形，如图5A所示，振动信号的基波的振幅与产生的N次谐波（N为奇数）的频率成n倍递增、振幅成n倍递减，且中间无杂波。

预设的参数差值范围至少用于限定振动波形的振幅和频率参数，且本申请实施例中预设的参数差值范围包括正常差值范围、裂纹预警差值范围以及折断预警差值范围，各范围的门限值可以根据实际工作情况自行设置，本申请实施例不做唯一限定。在一个具体示例中，正常差值范围中振幅参数为[0,0.2]，单位为mm；即振动传感器12实际输出的振动信号中基波的振幅与标准振动信号波形相比，基波与谐波的振幅差值均不超过0.2mm，则可视为自身波形未改变；裂纹预警差值范围中振幅参数为(0.2,2]，单位为mm，此处裂纹预警差值范围可以进一步细化为多个小范围，来判断裂纹的严重程度，如轻微裂纹、中度裂纹、重度裂纹等；折断预警差值范围中振幅参数为大于2mm；当然该差值范围的设置需要根据监测管11的长度、材料、管壁厚度等进行调整设置，同理频率参数的差值范围设置方式也相同，不再赘述。

以图5B为例，在距离监测管11管口不同距离的3个位置分别设置了振动传感器12采集的振动信号，与标准振动信号波形相比，第一振动传感器12-1、第二振动传感器12-2以及第三振动传感器12-3采集的振动信号呈现的波形，均产生增强变化且各振动传感器12波形的变化程度逐次降低，同时各振动传感器12的振动波形与标准振动信号波形相比，基波振幅变小、谐波振幅变大，因此裂纹位于第一振动传感器12-1和第二振动传感器12-2之间靠近第一振动传感器12-1的位置。

因此，监测管11内设置的振动传感器12的位置越密集，对于裂纹位置的定位更加准确。

当然，还可以预先确定振动信号的波形变化程度与裂纹距离的对应关系，该裂纹距离是指裂纹和振动传感器12之间的距离，根据这一对应关系可精准地确定裂纹的位置。

进一步地，数据处理装置15具体用于： 根据各个振动传感器12对应的对比结果，确定监测管11上的第一裂纹位置，根据第一裂纹位置周围的振动传感器12的比对结果，确定第一裂纹严重程度，以获得第一裂纹情况。

在确定出裂纹位置后，获得该裂纹周围一个或多个振动传感器12的振动信号，计算获得的各个振动信号与标准振动信号波形的参数差值，根据参数差值以及预设的参数差值范围，判断该裂纹位置处的裂纹的严重程度。

在上述任一实施方式的基础上，数据处理装置15具体用于分析波检测装置检测到的反射波，以获得反射波特征信息，根据反射波特征信息确定监测管11的第二裂纹情况和形变情况。其中，反射波特征信息包括以下至少一种：反射波的强度、波长、相位、极化、反射时长、反射波的数量。

其中，反射波的反射时长是波产生装置13产生机械波的时刻和波检测装置接收到该反射波的时刻之间的时间差。根据反射波的反射时长，可确定反射波是监测管11另一端反射的，还是监测管11内部的裂纹或形变反射的，进一步地，还可以根据反射时长和机械波在管壁中的传播速度，确定裂纹或形变的具***置。

根据波检测装置接收到的反射波的数量以及每次反射波的反射时长，可以确定反射波是裂纹反射的，还是监测管11上形变位置反射的。具体地，若面阵列传感装置141上的某个位置仅收到一次反射波，且该反射波不是监测管11另一端反射的，则可以确定这次反射波是监测管11形变导致的；若面阵列传感装置141上的某个位置收到至少两次反射波，且最后一次是监测管11另一端反射的，则可以确定除最后一次反射波外其它反射波为裂纹反射的；若面阵列传感装置141上的某个位置收到至少两次反射波，且最后一次不是监测管11另一端反射的，则可以确定最后一次反射波是监测管11形变导致的，其它反射波是裂纹导致的。进一步地，根据同一时刻面阵列传感装置141上接收到反射波的位置区域的大小，确定该裂纹位置处的裂纹大小或该形变位置处的形变大小，以获得裂纹的严重程度或形变量。

当波产生装置13生成的机械波在监测管11管壁内传播时，传播的路程越长，强度损耗越大，反射波的强度越弱。此外，形变位置会反射绝大部分的机械波，因此反射波的强度较大，而裂纹位置只会反射部分的机械波，因此反射波的强度较小。因此，反射波的强度可用于辅助判断裂纹或形变的位置。

同样，裂纹或形变位置也会导致反射波的波长、相位发生变化，或者产生极化，因此，分析反射波的波长、相位、极化，同样可以用于辅助判断裂纹或形变的位置。

在上述任一实施方式的基础上，数据处理装置15还用于；根据波检测装置检测到的反射波的强度，确定监测管11周围的土层的密度；根据监测管11周围的土层的密度，对隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况进行预警。

波产生装置13生成的机械波在管壁中传播时，会有部分波通过管壁和围绕管壁的土层的界面进入土层，监测管11周围的土层密度越大，土层压得管壁越紧，通过土层泄露的波能量越大，同等条件下反射波强度就越小，反之监测管11周围的土层越疏松，通过土层泄露的波能量越小，同等条件下反射波强度越大。基于上述原理，为了保证每一次数据处理的可靠性，避免裂纹或形变的干扰，可预先通过实验，确定监测管11周围土层的密度和监测管11另一端反射的反射波强度之间的对应关系。实际应用中，从接收到的反射波中找出未经过裂纹或形变位置、且直接由监测管11另一端反射的反射波，基于上述预先确定的土层密度和反射波强度的对应关系，确定上述直接由监测管11另一端反射的反射波所对应的土层密度。

当土层过于疏松时，容易在隧道中构建的加固结构与周围土层之间形成空洞，引发安全问题。为此，可预先设定多个地质等级，用以描述隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况，例如可包括正常等级、轻微等级、中度等级、严重等级，每个等级对应一个土层密度范围，根据监测到的隧道穹顶上方的土层密度，确定对应的地质等级，并输出预警信息，告知隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况。

在上述任一实施方式的基础上，本申请实施例的隧道穹顶在线监测***还包括声波采集装置16，声波采集装置16可安装在监测管11内，声波采集装置16用于采集监测管11出现裂纹时产生的声波。

其中，声波采集装置16可以是声发射传感器或宽频麦克风等。

当土层对监测管11施加的压力超过监测管11承受限度时，监测管11表面或内部会出现裂纹，伴随产生声发射现象，此时可通过声波采集装置16采集声发射现象产生的声波。因此，当声波采集装置16监测到声发射现象时，即可确定监测管11出现裂纹。

相应地，数据处理装置15还用于根据声发射传感器接收到的声波，确定监测管11上的第三裂纹情况，并根据第一裂纹情况、第二裂纹情况和第三裂纹情况，确定监测管11上的裂纹情况。

例如，数据处理装置15可根据声发射传感器接收到的声波，确定监测管11上出现了新裂纹，随即控制波产生装置13生成机械波，并根据波检测装置14接收到的反射波，获得新的第二裂纹情况；同时根据振动传感器12输出的振动信号获得新的第一裂纹情况；根据新的第一裂纹情况和第二裂纹情况，并结合历史的第一裂纹情况和第二裂纹情况，判断是否有新裂纹出现，以对新的第一裂纹情况和第二裂纹情况进行验证；通过验证后，根据新的第一裂纹情况和第二裂纹情况，确定监测管11上的裂纹情况。

本申请实施例的隧道穹顶在线监测***包括至少两个声波采集装置16，至少两个声波采集装置16分别设置在监测管11内的不同位置处，基于至少两个声波采集装置16采集到的声波，可进一步确定裂纹对应的位置和严重程度。

相应地，数据处理装置15具体用于：根据至少两个声波采集装置16接收到声波的信号特征，确定监测管11上的第三裂纹严重程度，根据至少两个声波采集装置16接收到的同一声波的时间差，确定监测管11上的第三裂纹位置，以获得第三裂纹情况。

以图6为例，声波采集装置16-1和声波采集装置16-2分别设置在监测管11的两端，假设声波从产生裂纹的P点处传播到声波采集装置16-1所花费的时间为t₁，声波从产生裂纹的P点处传播到声波采集装置16-2所花费的时间为t₂，声波的传播速度为v，监测管11的长度为L，声波采集装置16-1和声波采集装置16-2接收到声波的时间差为Δt，则可以得到如下等式：

求解上述公式可以得到，P点到声波采集装置16-1的距离为（L-vΔt）/2，这样即可确定出产生裂纹的位置。

声发射现象中因裂纹产生的声波的频率、振幅等参数均与裂纹的大小存在关联，可预先确定监测管中的裂纹大小与产生的声波的频率、振幅之间的对应关系，基于该对应关系，判断实际采集到的声波所对应的裂纹大小。进一步地，还可以设置多个裂纹等级，如轻微裂纹、中度裂纹、重度裂纹等，每个裂纹等级对应不同的频率范围和振幅范围，各范围的门限值可以根据实际工作情况自行设置，本申请实施例不做唯一限定。

综合通过不同检测手段获得的第一裂纹情况、第二裂纹情况和第三裂纹情况，最终确定监测管11上的裂纹情况，提高了裂纹检测的精准度，有助于提高分析隧道穹顶受力情况时的准确度。

如图7所示，基于上述任一实施方式中的隧道穹顶在线监测***，本申请实施例还提供了一种隧道穹顶在线监测方法，可应用于上述隧道穹顶在线监测***中的数据处理装置15，具体包括如下步骤：

S701、根据监测管内的多个振动传感器输出的振动信号，确定监测管上的第一裂纹情况。

其中，监测管水平埋设在隧道穹顶上方土层内，具体参考图2。

S702、控制波产生装置产生沿监测管传播的机械波，并根据波检测装置检测到的机械波的反射波，确定监测管上的第二裂纹情况和形变情况。

其中，波产生装置和波检测装置布设在监测管一端管口处，具体参考图4。

S703、根据第一裂纹情况和第二裂纹情况，确定监测管上的裂纹情况。

例如，可将第一裂纹情况和第二裂纹情况进行去重处理，将去重处理结果作为监测管上的裂纹情况；或者，基于第一裂纹情况对第二裂纹情况进行验证，以排除误差。

S704、根据裂纹情况和形变情况确定监测管的受力情况。

具体实施时，可预先通过实验，确定监测管11的裂纹情况、形变情况与监测管11的受力情况之间的匹配关系，然后根据监测管11的裂纹情况和形变情况、以及上述匹配关系，确定监测管11的受力情况。其中，监测管11的受力情况包括受力位置和受力大小，监测管11的受力位置可根据裂纹位置和形变位置确定，监测管11的受力大小可根据裂纹数量、裂纹大小、形变大小以及匹配关系确定。

S705、根据监测管的受力情况确定隧道穹顶的受力情况。

其中，隧道穹顶的受力情况包括受力位置和受力大小，隧道穹顶的受力位置可根据监测管11的位置以及监测管11的受力位置确定，隧道穹顶的受力大小可根据监测管11的受力大小确定。

可选地，步骤S701具体包括如下步骤：

针对每个振动传感器，将每个振动传感器输出的振动信号与预设标准振动信号波形进行比对，获得每个振动传感器对应的比对结果；

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定监测管上的第一裂纹情况。

进一步地，步骤S701中的根据各个振动传感器对应的对比结果，确定监测管上的第一裂纹情况，具体包括：

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定监测管上的第一裂纹位置；

根据第一裂纹位置周围的振动传感器的比对结果，确定第一裂纹严重程度。

可选地，步骤S702中的根据波检测装置检测到的机械波的反射波，确定监测管上的第二裂纹情况和形变情况，具体包括：

分析波检测装置检测到的反射波，以获得反射波特征信息，反射波特征信息包括以下至少一种：反射波的强度、波长、相位、极化、反射时长、反射波的数量；

根据反射波特征信息，确定监测管的第二裂纹情况和形变情况。

可选地，本申请实施例的隧道穹顶在线监测方法还包括如下步骤：根据波检测装置检测到的反射波的强度，确定监测管周围的土层的密度；根据监测管周围的土层的密度，对隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况进行预警。

可选地，波产生装置包括压电材料，压电材料用于在外加电压作用下产生沿监测管传播的机械波。

可选地，本申请实施例的隧道穹顶在线监测方法还包括如下步骤：根据声波采集装置采集到的监测管出现裂纹时产生的声波，确定监测管上的第三裂纹情况。

基于此，步骤S703具体包括：根据第一裂纹情况、第二裂纹情况和第三裂纹情况，确定监测管上的裂纹情况。

进一步地，至少两个声波采集装置分别设置在监测管内的不同位置处。

基于此，根据声波采集装置采集到的监测管出现裂纹时产生的声波，确定监测管上的第三裂纹情况，具体包括：

根据至少两个声波采集装置接收到声波的信号特征，确定监测管上的第三裂纹严重程度；

根据至少两个声波采集装置接收到的同一声波的时间差，确定监测管上的第三裂纹位置。

更为具体实施方式可参考数据处理装置15的执行逻辑，不再赘述。

本申请实施例提的隧道穹顶在线监测方法与上述隧道穹顶在线监测***采用了相同的发明构思，能够取得相同的有益效果，在此不再赘述。

基于与上述隧道穹顶在线监测方法相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种电子设备，如图8所示，该电子设备80可以包括处理器801和存储器802。

处理器801可以是通用处理器，例如中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DigitalSignal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件，可以实现或者执行本申请实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

存储器802作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块。存储器可以包括至少一种类型的存储介质，例如可以包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器、随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）、静态随机访问存储器（Static Random Access Memory，SRAM）、可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、带电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）、磁性存储器、磁盘、光盘等等。存储器是能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。本申请实施例中的存储器802还可以是电路或者其它任意能够实现存储功能的装置，用于存储程序指令和/或数据。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；上述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于：移动存储设备、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁性存储器（例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘（MO）等）、光学存储器（例如CD、DVD、BD、HVD等）、以及半导体存储器（例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器（NAND FLASH）、固态硬盘（SSD））等各种可以存储程序代码的介质。

或者，本申请上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁性存储器（例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘（MO）等）、光学存储器（例如CD、DVD、BD、HVD等）、以及半导体存储器（例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器（NAND FLASH）、固态硬盘（SSD））等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种隧道穹顶在线监测***，其特征在于，包括：

在隧道穹顶上方土层内水平埋设的监测管；

布设在所述监测管内多个位置的振动传感器，用于检测所述监测管内多个位置处的振动信号；

布设在所述监测管一端管口处的波产生装置和波检测装置，所述波产生装置用于产生沿所述监测管传播的机械波，所述波检测装置用于检测所述机械波在所述监测管的管壁内传播时的反射波；

数据处理装置，用于根据各个振动传感器输出的振动信号确定所述监测管上的第一裂纹情况，根据所述波检测装置检测到的反射波确定所述监测管上的第二裂纹情况和形变情况，根据所述第一裂纹情况和所述第二裂纹情况确定所述监测管上的裂纹情况，根据所述裂纹情况和所述形变情况确定所述监测管的受力情况，根据所述监测管的受力情况确定所述隧道穹顶的受力情况。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：

针对每个振动传感器，将所述每个振动传感器输出的振动信号与预设标准振动信号波形进行比对，获得每个振动传感器对应的比对结果；

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹情况。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：

根据各个振动传感器对应的对比结果，确定所述监测管上的第一裂纹位置；

根据第一裂纹位置周围的振动传感器的比对结果，确定第一裂纹严重程度。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据处理装置具体用于：

分析所述波检测装置检测到的反射波，以获得反射波特征信息，所述反射波特征信息包括以下至少一种：反射波的强度、波长、相位、极化、反射时长、反射波的数量；

根据所述反射波特征信息，确定所述监测管的第二裂纹情况和形变情况。

5.根据权利要求1所述***，其特征在于，所述数据处理装置还用于；

根据所述波检测装置检测到的反射波的强度，确定所述监测管周围的土层的密度；

根据所述监测管周围的土层的密度，对所述隧道穹顶上方可能出现的有害地质情况进行预警。

6.根据权利要求1至5任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括声波采集装置，用于采集所述监测管出现裂纹时产生的声波；

所述数据处理装置还用于根据所述声波采集装置接收到的声波，确定所述监测管上的第三裂纹情况；

所述数据处理装置具体用于根据所述第一裂纹情况、所述第二裂纹情况和所述第三裂纹情况，确定所述监测管上的裂纹情况。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，至少两个声波采集装置分别设置在所述监测管内的不同位置处；

所述数据处理装置具体用于：根据所述至少两个声波采集装置接收到声波的信号特征，确定所述监测管上的第三裂纹严重程度，根据所述至少两个声波采集装置接收到的同一声波的时间差，确定所述监测管上的第三裂纹位置。

8.一种隧道穹顶在线监测方法，包括：

根据监测管内的多个振动传感器输出的振动信号，确定所述监测管上的第一裂纹情况，其中，所述监测管水平埋设在隧道穹顶上方土层内；

控制波产生装置产生沿所述监测管传播的机械波，并根据波检测装置检测到的所述机械波的反射波，确定所述监测管上的第二裂纹情况和形变情况，其中，所述波产生装置和所述波检测装置布设在所述监测管一端管口处；

根据所述第一裂纹情况和所述第二裂纹情况，确定所述监测管上的裂纹情况；

根据所述裂纹情况和所述形变情况确定所述监测管的受力情况；

根据所述监测管的受力情况确定所述隧道穹顶的受力情况。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，该计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求8所述方法的步骤。

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