一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法技术

本发明专利技术公开了一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，包括以下步骤：(1)进行相对绝对位移的监测；(2)计算得到沉降槽曲线；(3)横截面上选横向测点阵列；(4)纵剖面上布置纵向测点阵列；(5)在各横、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将保护井放入孔洞中，并注入快凝混凝土，将MEMS倾角传感设备放入其中；(6)各MEMS倾角传感设备自动测量倾斜角度，通网络发送到终端；(7)终端自动无线接收测量数据，解译后再发送给隧道云监测服务器；(8)服务器在线完成监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现功能。本发明专利技术的监测方法可实现自动化测量，并且测量精度高，安装简单。

【技术实现步骤摘要】
一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法
本专利技术涉及地下空间领域，具体是一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法。
技术介绍
随着我国经济和社会的不断发展，交通基础设施建设规模逐步扩大，隧道数量和里程逐渐增多。截止2010年，我国已建铁路隧道总长度超过7000km、公路隧道5000km，地铁线路1400km。预计至2020年，我国还将规划建设隧道5000座，总长度9000公里以上。我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。隧道施工特别是掘进过程会产生围岩扰动效应，从而引发隧道拱顶沉降和周边收敛，地表也会发生沉降和变形。在人口密集、建筑设施密布的城市中进行隧道施工时，由于周边建筑物及地下管线众多，隧道施工过程中产生的地层沉降易导致地表建构筑物倾斜，甚至开裂倒塌，存在很多风险隐患，事故频发。因此，隧道地表沉降变形监测已成为隧道信息化施工的重要组成部分，是及时了解隧道施工对地表的影响，进而有效控制隧道安全、保护地上建筑物的重要手段。传统的隧道地表沉降变形监测方法通常采用几何水准测量方法或三角高程测量方法，使用全站仪、水准仪和水准尺等测量仪器沿隧道开挖方向逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1)需要技术人员到现场人工测量，不仅现场操作繁复、耗时费力，而且人为因素对量测精度的影响较大；2)城市隧道通常沿主干公路线修建，路面交通繁忙，环境复杂，影响因素众多，测量场地狭窄，并且常常需要夜间实施外业测量，光线微弱，导致测量的可靠度和灵敏度不高；3)每个断面仅测量有限几个点位，很难准确反映整个断面的变形状态；4)通常采用文件管理和人工计算方式处理现场监测数据，无法实现数据库管理、共享和原始数据追溯，导致分析效率低下，数据真实性得不到保证。因此，传统监测方法已无法满足现代隧道施工及运营对自动化、信息化监控量测技术的需求。近年来，随着计算机、物联网及无线通讯技术的不断发展，隧道地表沉降监测正在实现人工测量到自动化监测的跨越。压阻式静力水准仪、自动全站仪及分布式光纤应变监测等自动化监测设备已被用于隧道地表沉降自动化监测项目中。但上述监测设备存在成本高、安装困难等缺点，在实际工程中很少应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，是利用分布式MEMS倾角传感设备阵列在线监测地下多层次空间地表沉降的绝对变形，包括以下步骤：(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输；(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区优选横向测点阵列；(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列；(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将预制保护井放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土，并将其表面调整满足MEMS倾角传感设备要求的平整度，待强度满足要求时，将MEMS倾角传感设备放入其中；(6)各MEMS倾角传感设备自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、预测、报警、可视化展现功能。作为本专利技术进一步的方案：在待开挖地下多层次空间横截面内，优选十处地表倾斜角度变化剧烈位置作为测点，放置MEMS倾角传感设备。作为本专利技术再进一步的方案：所述MEMS倾角传感设备基于地下多层次空间横向沉降槽倾角曲线公式进行测点布设，式中：L为地下多层次空间之间的中心矩；具体布设方法如下：1)两只MEMS倾角传感设备布设隧道中心线两侧-L-i和L+i位置处，该处为沉降漏斗的反弯点，具有最大倾斜角度；2)六只MEMS倾角传感设备布设在L-i、L+0.5i、L+1.5i、-L+i、-L-0.5i、-L-1.5i位置处，此六处测点为沉降漏斗的陡降段，具有较大倾斜角度；3)两只MEMS倾角传感设备布设在L+5i、-L-5i位置处，此处位于沉降漏斗变形区域外，作为基准点。作为本专利技术再进一步的方案：根据地下多层次空间横截面内十处测点位置处的地表倾斜角度测量值，采用最小二乘法拟合单孔隧道横向沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算单孔隧道沉降位移；最小二乘拟合公式如下：式中，Xdata(s)为10个测点的横坐标，Zdata(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数Smax、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用修正的Peck公式进行表征，即作为本专利技术再进一步的方案：在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列，然后采用最小二乘法拟合隧道纵剖面沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算地下多层次空间沉降位移；最小二乘拟合公式如下：式中，Xdata(s)为N个测点的纵坐标，Zdata(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数Smax、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用Yoshikoshi公式进行表征，即与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的监测方法可实现自动化测量，并且测量精度高，安装简单；能够提供最大分辨率的倾角测量；具有拟合效率高、精度高等特点；能够消除测点附近复杂环境干扰，实现最高精度的倾斜角度测量。附图说明图1为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中地下多层次空间地表横截面MEMS倾角传感阵列设备布置。图2为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中地下多层次空间地表纵截面MEMS倾角传感阵列设备布置。图3为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中涡卷弹簧式离层变形测量仪，实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中预制一体化基座。图4为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中地下多层次空间横向地表沉降测试传感器布置图。图5为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中考虑道路和地基沉降不均匀的离层监测中心布置。图6为实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法中考虑道路和地基沉降不均匀的离层监三点测布置。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1～6，本专利技术实施例中，一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，是利用分布式MEMS倾角传感设备阵列在线监测地下多层次空间地表沉降的绝对变形，包括以下步骤：(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输；(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区优选横向测点阵列；(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列；(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将预制保护井放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土，并将其表面调整满足MEMS倾角传感设备要求的平整度，待强度满足要求时，将MEMS倾角传感设备放入其中；(6)各MEMS倾角传感设备自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、预测、报警、可视化展现功能。...

【技术特征摘要】
1.一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，是利用分布式MEMS倾角传感设备阵列在线监测地下多层次空间地表沉降的绝对变形，包括以下步骤：(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输；(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区优选横向测点阵列；(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，该区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列；(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将预制保护井放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土，并将其表面调整满足MEMS倾角传感设备要求的平整度，待强度满足要求时，将MEMS倾角传感设备放入其中；(6)各MEMS倾角传感设备自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、预测、报警、可视化展现功能。2.根据权利要求1所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，在待开挖地下多层次空间横截面内，优选十处地表倾斜角度变化剧烈位置作为测点，放置MEMS倾角传感设备。3.根据权利要求2所述的实时监测地下多层次空间地表...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟达，高文生，彭凯贝，冯文辰，王涛，张梅，万征，
申请(专利权)人：建研地基基础工程有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11