CN113310425A - 一种盾构隧道整体变形监测方法与设备 - Google Patents

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黄敏
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Abstract

本发明公开了一种盾构隧道整体变形监测方法与设备，所述设备包括：激光发射器，通过固定支架安装在管片结构上，用于发射光电信号，以及接收从感光屏反射回来的光电信号，并计算和记录激光发射器至感光屏的距离；感光屏，通过固定支架安装在管片结构上，用于接收激光发射器发射的光电信号，并记录光电信号发射至屏幕的位置坐标。本发明通过分析激光发射器发射至感光屏的光电信号的位置坐标变化，可以得到管片之间在盾构隧道横剖面上的相对位移，将这种相对位移进行累加则可以得到隧道整体的变形形态；设备的制造成本低，又可以对监测结果进行无线传送，既方便对隧道变形的长期监测，又可大大降低监测成本。

Description

一种盾构隧道整体变形监测方法与设备
技术领域
本发明涉及盾构隧道变形监测技术领域，具体涉及一种盾构隧道整体变形与管片错动变形、张开变形的监测设备，还涉及一种盾构隧道整体变形与管片错动变形、张开变形的监测方法。
背景技术
近年来，盾构隧道在我国尤其是城市地铁工程中得到越来越为广泛的应用。不论是在施工期，还是在运营期，盾构隧道变形都是建设各方高度关注的问题之一，变形监测也是保障施工及运营安全的重要手段之一。其中，及时掌握盾构隧道的整体变形形态，对于保障隧道施工安全、线路精准铺设以及隧道长期稳定性等都是非常重要的，但是限于目前的监测技术与成本，目前施工阶段的盾构隧道变形监测，主要针对的是局部的管片结构变形(收敛变形)，无法获取隧道的整体变形情况。通过在隧道洞口外设置基准点，全站仪可以进行隧道的整体变形监测，但对于目前动辄十几千米、几十千米长的盾构隧道而言，其监测工作量是非常大的，且可能影响施工；在运营期采用自动化全站仪也可进行盾构隧道的整体变形监测，但自动化全站仪测量范围有限，一般约两三百米，对于整条隧道可能要配置数十台或上百台仪器设备以及数以千计的棱镜，由于自动化全站仪价格昂贵，这对于监测费用的提升是非常显著的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种盾构隧道整体变形监测设备，设备的制造成本低，可以对监测结果进行无线传送，方便对隧道变形的长期监测，大大降低监测成本。
本发明的另一个目的在于提供了一种盾构隧道整体变形监测方法，通过分析激光发射器发射至感光屏的光电信号的位置坐标变化，可以得到管片之间在盾构隧道横剖面上的相对位移，将这种相对位移进行累加则可以得到隧道整体的变形形态。
为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种盾构隧道整体变形监测设备，包括
激光发射器，通过固定支架安装在管片结构上，用于发射光电信号，以及接收从感光屏反射回来的光电信号，并计算和记录激光发射器至感光屏的距离；
感光屏，通过固定支架安装在管片结构上，用于接收激光发射器发射的光电信号，并记录光电信号发射至屏幕的位置坐标。
进一步的，还包括主机，用于通过无线WIFI接收感光屏记录的光电信号的位置坐标；以及
用于通过无线WIFI接收激光发射器记录的激光发射器至对应感光屏的距离。
相应的，本发明还要求保护一种盾构隧道整体变形监测方法，采用前述的盾构隧道整体变形监测设备，包括以下步骤：
a.根据盾构隧道的结构形式特点以及监测要求，确定监测点沿隧道纵向的布设间距以及在横向的布设部位；
b.在设计的布设部位利用电钻、膨胀螺栓安装固定支架，在固定支架上利用螺栓安装激光发射器；
c.从安装激光发射器的部位沿隧道纵向移动一个布设间距，在新的部位安装固定支架，在固定支架上利用螺栓安装感光屏；
d.在上述安装感光屏的部位距离10～20cm安装布设第二个激光发射器，且同一管片结构上的激光发射器与感光屏的排列方向与隧道横向近似平行；
e.重复步骤c～d，完成第二个感光屏，第三个激光发射器的安装布设，直到完成整条隧道的监测点布设；
f.监测设备安装完成后，将激光发射器与感光屏分别串联起来与电源连通，启动所有激光发射器与感光屏，针对激光发射器发射的光束在感光屏进行对中调试，对从感光屏反射回来的光束，在激光发射器上进行接收调试；
g.调试完成后，及时进行初始值采集，后期按照一定的监测频率开展监测工作并对采集的数据进行分析，计算每一段布设间距的盾构隧道的横向变形，通过累加得到盾构隧道的整体变形形态。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过分析激光发射器发射至感光屏的光电信号的位置坐标变化，可以得到管片之间在盾构隧道横剖面上的相对位移，将这种相对位移进行累加则可以得到隧道整体的变形形态；
2、将本设备布置在相邻管片上，还可以达到监测管片错动变形以及张开变形的目的；
3、本发明采用的相关技术目前成熟度较高，且光电信号的监测精度高，很容易达到隧道监测的精度要求；
4、设备的制造成本低，又可以对监测结果进行无线传送，既方便对隧道变形的长期监测，又可大大降低监测成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明盾构隧道整体变形监测设备的安装结构示意图；
图2为本发明激光发射器、感光屏、主机之间的逻辑关系图；
图3为本发明感光屏的结构示意图；
图4为本发明激光发射器发射至感光屏的光电信号的位置坐标变化示意图。
图5为本发明实施例3盾构隧道各监测断面处的水平位移(mm)；
图6为本发明实施例3盾构隧道的横向整体水平位移(mm)。
图中：1、管片结构，2、感光屏，3、激光发射器，4、固定支架，2-1、金属外框，2-2、屏幕，2-3、定位中心。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：一种盾构隧道整体变形监测设备，如图1所示，包括管片结构1、感光屏2、激光发射器3、固定支架4。将激光发射器3通过固定支架4安装在盾构隧道管片结构1上作为光电信号发射装置。将感光屏2通过固定支架4安装在盾构隧道管片结构1上作为光电信号的接收装置。
本发明中，如图2所示，所述感光屏2可以接收光电信号，并记录光电信号发射至屏幕2-2的位置坐标。所述屏幕2-2置于金属外框2-1以内，开始监测之前，应对激光发射器发射的光束进行对中调试，使光束发射至屏幕2-2的定位中心2-3。所述感光屏2可将光电信号的位置坐标通过无线WIFI传输至主机。
本发明中，如图2所示，所述激光发射器3可以接收从感光屏2反射回来的光电信号，并计算和记录激光发射器3至感光屏2的距离。通过计算这段距离，并记录这个距离随时间的变化，可以得到隧道管片结构在纵向的张开变形规律。所述激光发射器3可将记录的激光发射器3至对应感光屏2的距离通过无线WIFI传输至主机。
本发明中，感光屏2优选用LED点阵感光屏。激光发射器3与感光屏2配套使用。
实施例2：一种盾构隧道整体变形监测方法，操作步骤如下：
a.根据盾构隧道的结构形式特点以及监测要求，确定监测点沿隧道纵向的布设间距以及在横向的布设部位；
目前隧道一般要求进行管片结构收敛变形监测，对于管片结构之间的错动变形与张开变形监测，受限于当前的监测技术，没有明确要求，本发明可以对管片的错动变形与张开变形进行监测，通过监测结果的累加得到隧道的整体变形；
b.在设计的布设部位利用电钻、膨胀螺栓等安装固定支架4，在固定支架4上利用螺栓等安装激光发射器3；
c.从安装激光发射器3的部位沿隧道纵向移动一个布设间距，在新的部位安装固定支架4，在固定支架4上利用螺栓等安装感光屏2；
d.在上述安装感光屏2的部位距离10～20cm处安装布设第二个激光发射器3，且同一管片上的激光发射器3与感光屏2的排列方向与隧道横向近似平行；
e.重复步骤c～d，完成第二个感光屏2，第三个激光发射器3的安装布设，直到完成整条隧道的监测点布设；
f.监测设备安装完成后，将激光发射器3与感光屏2分别串联起来与电源连通，启动所有激光发射器3与感光屏2，针对激光发射器3发射的光束在感光屏2进行对中调试，对从感光屏2反射回来的光束，在激光发射器3上进行接收调试；
g.调试完成后，应及时进行初始值采集。后期按照一定的监测频率开展监测工作并对采集的数据进行分析，计算每一段(布设间距)的盾构隧道的横向变形，通过累加得到盾构隧道的整体变形形态。
如图4所示，分析激光发射器3发射至感光屏2的光电信号的位置坐标变化，图4中0点为初始对中点(即激光发射器3发射至感光屏2的光电信号的初始位置)，0’是进行监测时激光发射器照射的位置(即激光发射器3发射至感光屏2的光电信号移动后的位置)，表示安装感光屏的管片相对于安装激光发射器的管片在隧道横剖面上发生水平位移dx，竖向位移dy。
实施例3：
针对武汉地铁7号线建安街～南湖大道区间盾构隧道进行了运营期变形监测。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)以及《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202—2013)的要求，隧道沿纵向监测的范围为：DK27+274～DK27+426，每隔10m布设一个监测断面(共15个监测断面)，即每隔10m布设一组激光发射器3和感光屏2，由于该盾构隧道处于运营期，为方便测点布设，将本发明的监测设备安装于拱腰处(高于轨道约2m左右)。测点布设完毕，完成对中调试后，即可采集每组激光发射器3和感光屏2之间距离的初始值。监测频率为每个月1次。
以DK27+274为起点，每次可获取15个监测断面上的监测数据，包括Dnc(纵向距离)、dxnc(横剖面上水平位移)和dync(横剖面上竖向位移)(n为1至15的整数)。
对于隧道纵向变形：第n个监测断面处测得的纵向变形为Dn＝Dnc-Dn0，Dn0为第n组激光发射器和感光屏之间距离的初始值；Dn为正表示第n个监测断面与第n-1个监测断面之间的管片发生张开变形，Dn为负表示第n个监测断面与第n-1个监测断面之间的管片发生压缩变形。因此，相对于起始点，第n个监测断面处隧道的整体纵向变形Dnz为其前面n-1个断面处的纵向变形之和：
Figure BDA0003076336660000051
对于隧道横向变形，以横剖面上水平位移为例，第n个监测断面处测得的水平位移为dxn＝dxnc-dxn0，dxn0为第n组激光发射器和感光屏之间水平位移的初始值(对中后一般默认为0)；dxn为正表示第n个监测断面相对于第n-1个监测断面发生负方向的水平错动变形，dxn为负表示第n个监测断面相对于第n-1个监测断面发生正方向的水平错动变形。因此，相对于起始点，第n个监测断面处的隧道横向整体水平位移dxnz为其前面n-1个断面处的水平位移之和：
Figure BDA0003076336660000052
对于隧道横剖面上竖向位移，其计算原理同水平位移。
图5为本实施例的盾构隧道各监测断面处的水平位移(mm)；图6为本实施例的盾构隧道的横向整体水平位移(mm)。图5给出的是dxnc在2019年5月至8月的4次测量值，纵向距离Dnc为10m，表示以DK27+27处的管片为零点，后面每10m一个测点，也即10m为一个布设间距。实际监测过程中还需确定一个正方向，本实施例中以小里程向大里程的左侧为正方向。举例说明，图5中横坐标10m处的数据为0.01mm，说明10m处的管片相对于零点处的管片向左侧发生水平位移0.01mm；图6给出了根据式(2)计算得到的管片结构整体水平位移，从图中就可以方便地看出相对于零点位置，盾构隧道的30～50m段向左侧发生错动变形，变形量约0.06mm。盾构隧道的120～150m段向左侧发生错动变形，变形量约0.11mm。将这些监测结果与相应的盾构隧道变形控制值进行对比，可以快速判定隧道在施工运行期的安全风险，对于保障隧道施工安全与正常运营具有重要作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种盾构隧道整体变形监测设备，其特征在于，包括
激光发射器，通过固定支架安装在管片结构上，用于发射光电信号，以及接收从感光屏反射回来的光电信号，并计算和记录激光发射器至感光屏的距离；
感光屏，通过固定支架安装在管片结构上，用于接收激光发射器发射的光电信号，并记录光电信号发射至屏幕的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道整体变形监测设备，其特征在于，还包括主机，用于通过无线WIFI接收感光屏记录的光电信号的位置坐标；以及
用于通过无线WIFI接收激光发射器记录的激光发射器至对应感光屏的距离。
3.一种盾构隧道整体变形监测方法，采用权利要求1或2所述的盾构隧道整体变形监测设备，其特征在于，包括以下步骤：
a.根据盾构隧道的结构形式特点以及监测要求，确定监测点沿隧道纵向的布设间距以及在横向的布设部位；
b.在设计的布设部位利用电钻、膨胀螺栓安装固定支架，在固定支架上利用螺栓安装激光发射器；
c.从安装激光发射器的部位沿隧道纵向移动一个布设间距，在新的部位安装固定支架，在固定支架上利用螺栓安装感光屏；
d.在上述安装感光屏的部位距离10～20cm安装布设第二个激光发射器，且同一管片结构上的激光发射器与感光屏的排列方向与隧道横向近似平行；
e.重复步骤c～d，完成第二个感光屏，第三个激光发射器的安装布设，直到完成整条隧道的监测点布设；
f.监测设备安装完成后，将激光发射器与感光屏分别串联起来与电源连通，启动所有激光发射器与感光屏，针对激光发射器发射的光束在感光屏进行对中调试，对从感光屏反射回来的光束，在激光发射器上进行接收调试；
g.调试完成后，进行初始值采集，后期按照一定的监测频率开展监测工作并对采集的数据进行分析，计算每一段布设间距的盾构隧道的横向变形，通过累加得到盾构隧道的整体变形形态。
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