一种车载式隧道塌方监测预警系统及方法技术方案

本公开提供了一种车载式隧道塌方监测预警系统及方法，可以进行掌子面突出程度、隧道岩体稳定性等情况的全自动实时监测及数据分析并预测，从而预警塌方的发生，突破了与常规隧道工程洞周净空收敛量测和地球物理探测的塌方预警模式，将预警机制转移到掌子面突出度与突出速度的信息变化，并给出了精确探测手段，形成了全新的预警方案。车体部分完全通过控制模块控制，无需进行手动调整及装置的安装及拆卸工作，节约人力且操作简单便捷；解决了掌子面中轴变形预测预警的技术难题，装置在隧道中轴定位实现了精确化。解决了以往隧道岩体变形监测方法中测得数据误差大、且局限于隧道洞周位移量测的弊端，实现了对隧道掌子面突出变形的精确测量。

A Vehicle-mounted Tunnel Collapse Monitoring and Early Warning System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种车载式隧道塌方监测预警系统及方法
本公开涉及一种车载式隧道塌方监测预警系统及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。在隧道施工过程中，复杂的地质条件给隧道工程施工安全带来了极大的挑战。塌方，是最为常见的地质灾害之一，其造成了工期延误，设备损坏，为国家带来了经济损失；甚至造成了人员伤亡及工程报废。为避免塌方事故的发生，本领域的技术人员多从塌方灾害处治、不良地质超前预报与隧道净空收敛监控量测(隧道周边相对位移)的三种角度解决塌方预防预警技术难题。但是，据专利技术人了解，通过不良地质超前预报方式解决塌方预防预警问题，多存在仅超前地质预报与常规施工监控量测的相互辅助，难以避免塌方灾害的发生，且超前预报中监控量测构成部分以隧道洞周相对位移为主，而隧道掌子面因支护情况较差，更易产生塌方。以隧道周边相对位移监测来进行塌方的预防方式的缺点在于：通过洞周变形监测位移，能够监测拱顶沉降与周边收敛带来的塌方前兆信息，但是很多塌方是由开挖面开始呈现前兆信息的，因此该方案更多是用来监测支护后的支护效果，对于开挖后最危险的掌子面区域并未涉及监测预警，同时，这种方式的预警机制为净空收敛变化，但隧道开挖总要产生一个较为快速的变形阶段，因此单纯的以净空收敛速率为报警阈值的技术方案存在延误工期的缺陷，这种方式不会涉及掌子面监测信息，而掌子面自稳能力较弱是隧道工程产生塌方的重要原因。以监测掌子面沿隧道轴向变形的方法来进行塌方的预报，这种方式多采用沿掌子面布设反光片，其反光片与测距装置的激光束垂直，在掌子面各个位置布设反光片，两次测量的差值为掌子面沿隧道轴向位移，存在如下缺陷：1)隧道后方必然施做二次衬砌，如施做二次衬砌则激光测距仪将被拆卸，致使无法监测；需要人为调整，拆卸，安装测距装置，不可避免地对测距装置产生扰动，会产生较大误差；需沿隧道壁布设大量测距仪，若与掌子面各反光片垂直布设，则占用大量隧道后方净空，致使前方无法施工，且施工台车无法开入。综上所述，上述几种方式在隧道塌方预警过程中都有比较大的限制和不足。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种车载式隧道塌方监测预警系统及方法，本公开可应用于任一隧道工程的开挖中，实现对掌子面突出程度、隧道岩体稳定性等情况的全自动实时监测、数据分析与预报预警。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种车载式隧道塌方监测预警系统，包括移动车辆，所述移动车辆上搭载有掌子面监测模块、数据存储模块和处理器，其中：所述移动车辆包括底盘和位于底盘下端的移动机构，所述底盘设置有车身主体前端设置有测距机构，用于测定设置位置与掌子面的距离，所述移动机构上设置有角度测控器，分别通过角度控制移动机构的转动以及与车身主体正前方的夹角，所述移动机构上还设置有行进距离测量机构，以测量移动机构的运动距离；所述掌子面监测模块包括竖直向激光测距仪和角度传感器，所述竖直向激光测距仪通过转动轴水平设置于车身主体顶部，且竖直向激光测距仪可绕转动轴纵向旋转，所述角度传感器置测量竖直向激光测距仪发射的激光与水平面的夹角；所述数据存储模块，与掌子面监测模块相连接，存储竖直向激光测距仪测得的实时距离值、对应的发射角度和发射时间；所述处理器，被配置为接收测距机构和角度测控器测得的数据，计算得到车体到达掌子面轴线位置的路径；接收数据存储模块中的存储信息，并计算各时间点掌子面轴线突出度，预测掌子面轴线突出速度及该掌子面的最大突出度，若预测值大于设定的阈值时进行报警处理。本公开不再以不良地质超前预报与隧道净空收敛监控量测为手段进行塌方的预测与预警，而是利用车载式的预警系统，利用行进轨迹，和采集的数据相结合，对掌子面突出程度、隧道岩体稳定性等情况的全自动实时预报预警。只需要对现有的隧道施工车辆进行些许改造即可，不用对掌子面或隧道其他部位进行大型的改造，不会占用大量隧道后方净空，致使前方无法施工，同时，人员参与程度低，检测结果不受人为因素干扰。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述车身主体和底盘之间设置有自动调平机构，实现车身主体的整体水平；所述移动机构为多个车轮，所述车轮与底盘连接，底盘上与车轮相对应的位置与车身主体之间设置有一支撑柱，所述自动调平机构包括水准气泡、圆盘状位置感应器和调平柱，所述圆盘状位置感应器置于车身主体表面中心位置，水准气泡设置于圆盘状位置感应器的圆盘内，所述调平柱置于支撑柱上，通过调整各个调平柱可以使水准气泡位于圆盘状位置感应器的形心。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述测距机构为水平激光测距仪，所述角度测控器分别置于车轮和水平激光测距仪上部，分别通过角度控制车轮左右转动与测定水平激光测距仪发射激光时，水平激光测距仪与车体行进正前方的夹角；所述距离测控器置于其中一个车轮外侧，控制车体的行进距离。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述移动车辆上还设置有GPS定位系统，提供移动车辆的位置信息。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述处理器包括车体调整计算单元，所述车体调整计算单元通过数据传输束接收水平向激光测距仪和位于其侧的角度测控器测得的数据计算得到车体到达掌子面轴线位置的路径，并传输至角度测控器和距离测控器，进一步控制移动机构的行进，利用三角定理计算得到车轮水平方向转动所需角度、行驶距离和车轮前进时滚动角度。作为一种或多种实施例中可选择的方案，利用所述GPS定位系统保证移动车体沿隧道中轴位置运行，如果隧道正在施工二次衬砌或因施工造成边墙部分遮挡，则单独采用GPS定位进行车体的调整；如果无遮挡物，则采用角度测控器、距离测控器与GPS定位系统进行协同调整车体的运行状态。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述处理器包括掌子面突出度计算单元，通过数据传输束与数据存储模块连接，根据调用的存储数据计算掌子面轴线突出度，所述掌子面轴线突出度为竖向激光测距仪i时刻测得的实时距离值与初始时刻测得的实时距离值的差值，除以间隔时间后与竖向激光测距仪i时刻的发射角度余弦值相乘。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述处理器包括掌子面突出度预判单元，掌子面突出度预判单元与所述掌子面突出度计算单元连接，利用高斯过程回归预测算法或BP神经网络算法，根据突出度的计算值对掌子面轴线突出速度与掌子面最大突出度进行预测。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述处理器包括预警模块，所述预警模块根据围岩等级设定掌子面突出度的初始阈值，当预测的掌子面轴线突出速度或/和掌子面最大突出度超过设定初始阈值时，进行报警。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述移动车辆受遥控装置控制，所述遥控装置包括用语控制移动机构的行走的输入模块和用于控制竖直向激光测距仪工作的输入模块。作为一种或多种实施例中可选择的方案，所述数据存储模块和处理器通过通信模块与远程PC端交互，所述远程PC端调用掌子面监测数据并通过计算显示实时掌子面轴线轮廓图，以竖直向激光测距仪激光发射点为原点，水平方向和竖直方向分别为x,y轴，建立平面直角坐标系，将测量数据换算成坐标点。作为一种或多种实施例中可选择的方案，可以用用最小二乘法将坐标系中的离散点拟合成曲线来表示掌子面轴线轮廓，并将各时刻所得图像叠加，更直观地表示掌子面变形情况。基于上述系统的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载式隧道塌方监测预警系统，其特征是：包括移动车辆，所述移动车辆上搭载有掌子面监测模块、数据存储模块和处理器，其中：所述移动车辆包括底盘和位于底盘下端的移动机构，所述底盘设置有车身主体前端设置有测距机构，用于测定设置位置与掌子面的距离，所述移动机构上设置有角度测控器，分别通过角度控制移动机构的转动以及与车身主体正前方的夹角，所述移动机构上还设置有行进距离测量机构，以测量移动机构的运动距离；所述掌子面监测模块包括竖直向激光测距仪和角度传感器，所述竖直向激光测距仪通过转动轴水平设置于车身主体顶部，且竖直向激光测距仪可绕转动轴纵向旋转，所述角度传感器置测量竖直向激光测距仪发射的激光与水平面的夹角；所述数据存储模块，与掌子面监测模块相连接，存储竖直向激光测距仪测得的实时距离值、对应的发射角度和发射时间；所述处理器，被配置为接收测距机构和角度测控器测得的数据，计算得到车体到达掌子面轴线位置的路径；接收数据存储模块中的存储信息，并计算各时间点掌子面轴线突出度，预测掌子面轴线突出速度及该掌子面的最大突出度，若预测值大于设定的阈值时进行报警处理。

【技术特征摘要】
1.一种车载式隧道塌方监测预警系统，其特征是：包括移动车辆，所述移动车辆上搭载有掌子面监测模块、数据存储模块和处理器，其中：所述移动车辆包括底盘和位于底盘下端的移动机构，所述底盘设置有车身主体前端设置有测距机构，用于测定设置位置与掌子面的距离，所述移动机构上设置有角度测控器，分别通过角度控制移动机构的转动以及与车身主体正前方的夹角，所述移动机构上还设置有行进距离测量机构，以测量移动机构的运动距离；所述掌子面监测模块包括竖直向激光测距仪和角度传感器，所述竖直向激光测距仪通过转动轴水平设置于车身主体顶部，且竖直向激光测距仪可绕转动轴纵向旋转，所述角度传感器置测量竖直向激光测距仪发射的激光与水平面的夹角；所述数据存储模块，与掌子面监测模块相连接，存储竖直向激光测距仪测得的实时距离值、对应的发射角度和发射时间；所述处理器，被配置为接收测距机构和角度测控器测得的数据，计算得到车体到达掌子面轴线位置的路径；接收数据存储模块中的存储信息，并计算各时间点掌子面轴线突出度，预测掌子面轴线突出速度及该掌子面的最大突出度，若预测值大于设定的阈值时进行报警处理。2.如权利要求1所述的一种车载式隧道塌方监测预警系统，其特征是：所述车身主体和底盘之间设置有自动调平机构，实现车身主体的整体水平；所述移动机构为多个车轮，所述车轮与底盘连接，底盘上与车轮相对应的位置与车身主体之间设置有一支撑柱，所述自动调平机构包括水准气泡、圆盘状位置感应器和调平柱，所述圆盘状位置感应器置于车身主体表面中心位置，水准气泡设置于圆盘状位置感应器的圆盘内，所述调平柱置于支撑柱上，通过调整各个调平柱可以使水准气泡位于圆盘状位置感应器的形心。3.如权利要求1所述的一种车载式隧道塌方监测预警系统，其特征是：所述测距机构为水平激光测距仪，所述角度测控器分别置于车轮和水平激光测距仪上部，分别通过角度控制车轮左右转动与测定水平激光测距仪发射激光时，水平激光测距仪与车体行进正前方的夹角；所述距离测控器置于其中一个车轮外侧，控制车体的行进距离。4.如权利要求1所述的一种车载式隧道塌方监测预警系统，其特征是：所述移动车辆上还设置有GPS定位系统，提供移动车辆的位置信息；或，利用所述GPS定位系统保证移动车体沿隧道中轴位置运行，如果隧道正在施工二次衬砌或因施工造成边墙部分遮挡，则单独采用GPS定位进行车体的调整；如果无遮挡物，则采用角度测控器、距离测控器...

【专利技术属性】
技术研发人员：许振浩，刘清瑶，王文扬，杜毓超，余腾飞，王孝特，石恒，谢辉辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37