CN113267157A - 隧道初期支护大变形监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种隧道初期支护大变形监测***，包括自动化数据采集***、与所述自动化数据采集***通信连接的无线传输模块、具有数据解算分析模块的中央数据服务器、测量数据结果统计与查询模块和自动报警模块；所述中央数据服务器接收所述无线传输模块无线传输的自动化数据采集***采集到的数据，并进行数据解算分析；在隧道内每隔50m～80m轨道两侧布设一对控制点；所述测量数据结果统计与查询模块包括数据查询模块、数据报表模块、数据统计模块、数据管理模块和监测信息总览模块。本发明提供的隧道初期支护大变形监测***能够自动对异常数据进行筛分和分析，对异常点进行重复观测，并将错误类数据剔除。
Description
技术领域
本发明属于施工建设监测技术领域，具体涉及隧道初期支护大变形监测***。
背景技术
隧道工程的开挖破坏了岩体内部已达到的相对平衡状态，使应力场发生重分布，岩体重新达到力学平衡状态势必会产生一定量的形变，而隧道属于被动受力结构，其受破坏的很大原因是结构体周边岩体或土质发生较大的相对位移。主要影响因素为1)下卧土层分布不均匀，卧土层随自然状态变化而造成分布不均匀的问题，最易导致隧道侧偏等不均匀沉降。各土层的力学性质和形变参数不同，会导致土层的分层和过渡不均等现象，直接影响是沉降速率与沉降时间的不同，最终导致隧道整体稳定性的破坏。
2)地标荷载与沉降的影响，一般情况下，隧道处于地层的中间或下部位置，上部地表荷载和沉降的变化直接影响了隧道的受力变化。隧道上部地层中建筑的新改扩拆等建筑行为会造成附加应力的变化，又由于附加应力的扩散效果，隧道中上部结构必然也会产生应力应变的重分布等情况。另外，土体整体的沉降，隧道整体标高的不均匀变化也将导致隧道整体纵向形变不均匀，裂缝极易产生并发展。
3)隧道内部行车的影响
隧道所受土层的影响主要为静力荷载，而隧道内部行车影响是主要的动荷载来源。行车量或单车重量的不同虽然对隧道整体影响较小，但加上时间的累加效果，在长期周期循环作用下，构件的疲劳破坏影响效果也将逐步增大。
因此，急需一种可以监测隧道初期支护大变形的***。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种能够自动对异常数据进行筛分和分析，对异常点进行重复观测，并将错误类数据剔除的隧道初期支护大变形监测***。
本发明提供如下技术方案：隧道初期支护大变形监测***，包括自动化数据采集***、与所述自动化数据采集***通信连接的无线传输模块、具有数据解算分析模块的中央数据服务器、测量数据结果统计与查询模块和自动报警模块；所述中央数据服务器接收所述无线传输模块无线传输的自动化数据采集***采集到的数据，并进行数据解算分析；在隧道内每隔50m～80m轨道两侧布设一对控制点；
所述测量数据结果统计与查询模块包括数据查询模块、数据报表模块、数据统计模块、数据管理模块和监测信息总览模块
所述数据查询模块用于显示被查询的数据；
所述数据报表模块用于以报表形式记录存储所述自动化数据采集***采集得到的监测数据；
所述数据统计模块用于统计自动化数据采集***采集得到的某一段时间内指定监测点各个时刻的三维位移量具体变化情况，单点的三维位移量数值分布情况以及超限预警的监测点数量；
所述三维位移量包括横向位移量、垂直位移量和三角高程差；
所述数据管理模块用于管理所述自动化数据采集***采集得到的监测数据；
当超过三维位移量阈值时，所述自动报警模块用于接收中央数据服务器的指令，启动报警程序。
进一步地，所述自动化数据采集***包括全站仪和棱镜；于所述控制点设置自动化数据采集***中的棱镜并在所述隧道中央对称中心点处设置全站仪；
所述全站仪用于发射红外线至设定的棱镜；
所述棱镜用于反射所述全站仪发射的红外线并确定所述棱镜的位置坐标。
进一步地，所述自动化数据采集***采集的数据包括两个变形监测点m和n之间的水平移动距离Smn、水平移动近似值Smn0、水平移动坐标增量ΔXmn、垂直移动坐标增量ΔYmn，水平方向近似值αmn0、水平方向值αmn；以及所述全站仪至所述m变形监测点的斜距观测值Sm、天顶距βm和高程近似值Hm，所述全站仪至所述n变形监测点的斜距观测值Sn、天顶距βn高程近似值Hn。
进一步地，所述数据解算分析模块接收到数据采集***上传的原始数据后，经过联合平差计算剔除初步粗差、形变计算处理，再采用多期数据得出各个监测点的初始坐标、高程，采用后续每一期数据求得个监测点的坐标、高程，并与初始值作差，可得到监测点在该阶段的三维形变情况；所述联合平差过程包括平面坐标平差和三角高程平差。
进一步地，所述平面坐标平差计算水平方向的误差Vmn和观测距离的误差
所述水平方向的误差Vmn计算公式如下：
其中，所述A为水平方向误差的计算参数；
所述观测距离误差
计算公式如下：
进一步地，所述三角高程平差计算高差观测值hmn和高差误差
所述高差观测值hmn计算公式如下：
hmm＝Smcosβm-Sncosβn；
所述高差误差
计算公式如下：
其中，所述
和
分别为监测点m和监测点n的高程改正数，所述Cm和Cn分别为监测点m和监测点n的点球气差改正数。
进一步地，所述数据查询模块包括变形曲线图查询显示模块和监测数据查询显示模块，所述变形曲线图查询显示模块用于显示被查询的变形曲线图，所述变形曲线图为轨向、高低、轨距、水平变化量随时间在运行时段的各个时刻空间上的变化曲线，所述监测数据查询显示模块用于显示被查询的监测数据。
进一步地，所述数据管理模块用于测站数据管理、消息数据管理和状态数据管理，测站数据管理为查看测站数据是否合格，消息数据管理为查看详细的***消息，状态数据管理为查看监测过程中由于施工或外界其他原因造成的突变现象，并做好备注，便于管理。
进一步地，所述自动报警程序为短消息报警、电子邮件报警或电话报警中的一种或几种。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的隧道初期支护大变形监测***考虑到现场可控或不可控的因素，部分监测点可能会被遮挡、发生错位或损坏，势必造成监测数据的缺失或错误，能够自动对异常数据进行筛分和分析，对异常点进行重复观测，并将错误类数据剔除。非错误类的异常点会被及时发送到监测平台，供监测人员进一步分析处理，在保证监测精度的同时，反映现场的真实情况。
2、本发明提供的隧道初期支护大变形监测***能实现数据的实时采集，并通过远程传输技术把信息传后台控制中心进行存储和处理分析。监测人员仅需在控制中心就可以对数据进行实时查询和调用，实时掌握一手资料，面对突发险情时有足够的应对时间，避免了由于隧道的特殊性，传统人工监测无法做到监测的实时性，同时由于隧道内部的信号屏蔽效果严重，即使发现异常也无法保证将信息立即传达到外界的缺陷。
3、将本发明提供的隧道初期支护大变形监测***应用于隧道变形监测，具有观测速度快，受旁光折射误差影响小等特点，可以有效解决三维激光扫描仪、测量机器人等设备观测距离短，观测难度大等问题。本发明提供的***采用了数据解算分析模块计算分析平面坐标平差和三角高程平差，平面坐标平差计算水平方向的误差Vmn和观测距离的误差
三角高程平差计算高差观测值hmn和高差误差
平差计算公式，同时利用位于隧道轨道两侧的棱镜与全站仪形成的多个间隔均匀的监测点，提出了探测观测值粗差的有效方法，对日常工程应用有较好的指导作用。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的隧道初期支护大变形监测***整体示意图；
图2为本发明提供的隧道初期支护大变形监测***中的自动化数据采集***结构示意图；
图3为本发明提供的隧道初期支护大变形监测***中的数据查询模块结构示意图；
图4为本发明提供的隧道初期支护大变形监测***中的数据管理模块的结构示意图。
具体实施例方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的隧道初期支护大变形监测***，包括自动化数据采集***、与自动化数据采集***通信连接的无线传输模块、具有数据解算分析模块的中央数据服务器、测量数据结果统计与查询模块和自动报警模块；中央数据服务器接收无线传输模块无线传输的自动化数据采集***采集到的数据，并进行数据解算分析；在隧道内每隔50m～80m轨道两侧布设一对控制点；
采用无线传输模块将监测区域各监测的数据传递给串口服务器，然后通过无线网桥的方式传递给控制中心，控制中心处有一无线网桥接收点，组成星型无线网桥连接方式，将数据传给中央数据服务器。无线网桥建设的优点是建设费用为一次性投入，数据传输稳定，抗干扰能力强。
测量数据结果统计与查询模块包括数据查询模块、数据报表模块、数据统计模块、数据管理模块和监测信息总览模块；
数据查询模块用于显示被查询的数据；
数据报表模块用于以报表形式记录存储自动化数据采集***采集得到的监测数据；
数据报表界面用于下载监测数据和报表，主要有以下3种形式：
1)可以下载位移量、轨向、高低等随时间的变化曲线和监测数据，下载格式为word，适用于一段时间内位移量、轨向、高低变化量的数据分析及报表输出。
2)可以下载单点位移、单点坐标、组合数据(轨道几何尺寸偏差)等随时间的变化曲线和监测数据。下载格式为excel，适用于对单点或点对在一定时间内的变化量分析。
3)可以下载某一时刻组合数据(轨道几何尺寸偏差)在空间上的变化曲线和监测数据。下载格式为excel，与《工务段线路检查薄》一致，便于现场养护作业人员对点检查和养护维修作业，便于专业人员资料查阅及资料归档。
数据统计模块用于统计自动化数据采集***采集得到的某一段时间内指定监测点各个时刻的三维位移量具体变化情况，单点的三维位移量数值分布情况以及超限预警的监测点数量；
三维位移量包括横向位移量、垂直位移量和三角高程差；
数据管理模块用于管理自动化数据采集***采集得到的监测数据；
当超过三维位移量阈值时，自动报警模块用于接收中央数据服务器的指令，启动报警程序，自动报警程序为短消息报警、电子邮件报警或电话报警中的一种或几种。各项监测内容的预警值一般可取报警值的70％作为黄色预警，报警值的85％作为橙色预警，报警值的100％作为红色预警当轨道几何尺寸偏差达到黄色/橙色/红色预警，***会自动给预先设置好的短信接收人员发送监测预警短信，实现了现场形变情况的远程掌控。
如图2所示，自动化数据采集***包括全站仪和棱镜；于控制点设置自动化数据采集***中的棱镜并在隧道中央对称中心点处设置全站仪；
全站仪用于发射红外线至设定的棱镜；
棱镜用于反射全站仪发射的红外线并确定棱镜的位置坐标。
自动化数据采集***采集的数据包括两个变形监测点m和n之间的水平移动距离Smn、水平移动近似值Smn0、水平移动坐标增量ΔXmn、垂直移动坐标增量ΔYmn，水平方向近似值αmn0、水平方向值αmn；以及全站仪至m变形监测点的斜距观测值Sm、天顶距βm和高程近似值Hm，全站仪至n变形监测点的斜距观测值Sn、天顶距βn高程近似值Hn。
数据解算分析模块接收到数据采集***上传的原始数据后，经过经过联合平差计算剔除初步粗差、形变计算处理，再采用多期数据得出各个监测点的初始坐标、高程，采用后续每一期数据求得个监测点的坐标、高程，并与初始值作差，可得到监测点在该阶段的三维形变情况；联合平差过程包括平面坐标平差和三角高程平差。
平面坐标平差计算水平方向的误差Vmn和观测距离的误差
水平方向的误差Vmn计算公式如下：
其中，A为水平方向误差的计算参数；
观测距离误差
计算公式如下：
三角高程平差计算高差观测值hmn和高差误差
高差观测值hmn计算公式如下：
hmn＝Smcosβm-Sncosβn；
高差误差
计算公式如下：
其中，
和
分别为监测点m和监测点n的高程改正数，Cm和Cn分别为监测点m和监测点n的点球气差改正数。
如图3所示，数据查询模块包括变形曲线图查询显示模块和监测数据查询显示模块，变形曲线图查询显示模块用于显示被查询的变形曲线图，变形曲线图为轨向、高低、轨距、水平变化量随时间在运行时段的各个时刻空间上的变化曲线，监测数据查询显示模块用于显示被查询的监测数据。
如图4所示，数据管理模块用于测站数据管理、消息数据管理和状态数据管理，测站数据管理为查看测站数据是否合格，消息数据管理为查看详细的***消息，状态数据管理为查看监测过程中由于施工或外界其他原因造成的突变现象，并做好备注，便于管理。
本发明提供的***只需在设备安装和拆除时上线作业，解决了人工监测工作量大、上道作业安全风险大等缺点。同时，本发明提供的***可以达到设计要求的监测频率，监测频率可人为设定和修改，实现24h自动化监测。本发明提供的***具备监测成果网络发布、形变超限自动报警等功能，实现现场形变情况的远程、便捷查询及掌控，确保了工程施工期间隧道内的运输安全。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (9)
1.隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，包括自动化数据采集***、与所述自动化数据采集***通信连接的无线传输模块、具有数据解算分析模块的中央数据服务器、测量数据结果统计与查询模块和自动报警模块；所述中央数据服务器接收所述无线传输模块无线传输的自动化数据采集***采集到的数据，并进行数据解算分析；在隧道内每隔50m～80m轨道两侧布设一对控制点；
所述测量数据结果统计与查询模块包括数据查询模块、数据报表模块、数据统计模块、数据管理模块和监测信息总览模块；
所述数据查询模块用于显示被查询的数据；
所述数据报表模块用于以报表形式记录存储所述自动化数据采集***采集得到的监测数据；
所述数据统计模块用于统计自动化数据采集***采集得到的某一段时间内指定监测点各个时刻的三维位移量具体变化情况，单点的三维位移量数值分布情况以及超限预警的监测点数量；
所述三维位移量包括横向位移量、垂直位移量和三角高程差；
所述数据管理模块用于管理所述自动化数据采集***采集得到的监测数据；
当超过三维位移量阈值时，所述自动报警模块用于接收中央数据服务器的指令，启动报警程序。
2.根据权利要求1所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述自动化数据采集***包括全站仪和棱镜；于所述控制点设置自动化数据采集***中的棱镜并在所述隧道中央对称中心点处设置全站仪；
所述全站仪用于发射红外线至设定的棱镜；
所述棱镜用于反射所述全站仪发射的红外线并确定所述棱镜的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述自动化数据采集***采集的数据包括两个变形监测点m和n之间的水平移动距离Smn、水平移动近似值Smn0、水平移动坐标增量ΔXmn、垂直移动坐标增量ΔYmn，水平方向近似值αmn0、水平方向值αmn；以及所述全站仪至所述m变形监测点的斜距观测值Sm、天顶距βm和高程近似值Hm，所述全站仪至所述n变形监测点的斜距观测值Sn、天顶距βn高程近似值Hn。
4.根据权利要求3所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述数据解算分析模块接收到数据采集***上传的原始数据后，经过经过联合平差计算剔除初步粗差、形变计算处理，再采用多期数据得出各个监测点的初始坐标、高程，采用后续每一期数据求得个监测点的坐标、高程，并与初始值作差，可得到监测点在该阶段的三维形变情况；所述联合平差过程包括平面坐标平差和三角高程平差。
5.根据权利要求4所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述平面坐标平差计算水平方向的误差Vmn和观测距离的误差
所述水平方向的误差Vmn计算公式如下：
其中，所述A为水平方向误差的计算参数；
所述观测距离误差
计算公式如下：
6.根据权利要求4所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述三角高程平差计算高差观测值hmn和高差误差
所述高差观测值hmn计算公式如下：
hmn＝Smcosβm-Sncosβn；
所述高差误差
计算公式如下：
其中，所述
和
分别为监测点m和监测点n的高程改正数，所述Cm和Cn分别为监测点m和监测点n的点球气差改正数。
7.根据权利要求1所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述数据查询模块包括变形曲线图查询显示模块和监测数据查询显示模块，所述变形曲线图查询显示模块用于显示被查询的变形曲线图，所述变形曲线图为轨向、高低、轨距、水平变化量随时间在运行时段的各个时刻空间上的变化曲线，所述监测数据查询显示模块用于显示被查询的监测数据。
8.根据权利要求1所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述数据管理模块用于测站数据管理、消息数据管理和状态数据管理，测站数据管理为查看测站数据是否合格，消息数据管理为查看详细的***消息，状态数据管理为查看监测过程中由于施工或外界其他原因造成的突变现象，并做好备注，便于管理。
9.根据权利要求1所述的隧道初期支护大变形监测***，其特征在于，所述自动报警程序为短消息报警、电子邮件报警或电话报警中的一种或几种。
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