一种隧道断面收敛变形自动监测系统技术方案

一种隧道断面收敛变形自动监测系统，该系统包括形变测量装置，在对隧道断面形变进行测量时，形变测量装置设置在隧道衬砌表面或是隧道衬砌内部，包括：多个首尾相连的传感器短节，各个传感器短节能够测量得到三个相互垂直方向上与重力加速度方向上的夹角数据；形变数据生成模块，其与传感器短节连接，用于根据夹角数据确定隧道断面的形变数据。本装置结构简单、安装方便，其能够实现对隧道衬砌的多维度变形测量，相较于现有的监测装置，本装置重量轻、安装方式灵活，施工安全风险低，监测精度高，安装完毕即可获取初始监测数据。

An Automatic Monitoring System for Convergence Deformation of Tunnel Section

【技术实现步骤摘要】
一种隧道断面收敛变形自动监测系统
本专利技术涉及隧道工程
，具体地说，涉及一种用于隧道断面监测的形变测量装置及一种隧道断面收敛变形自动监测系统。
技术介绍
作为一种优越的区域通道连接形式，隧道发挥的作用越来越重要。随着公路和铁路大规模兴建，新建和投入运营的隧道也日益增多。环向收敛变形和拱顶下沉是隧道施工期间监控量测和运营期间养护维修的重要监测内容，这种形变可以通过布设在隧道轴向法平面中隧道衬砌上的监测点变位而获知。现有的隧道形变检测方法大致包括：机械式钢尺测量法、巴塞特法以及全站仪法等方法。其中，机械式钢尺测量法是使用钢尺收敛计来对隧道衬砌的形变进行测量，如图1所示，钢尺收敛计是一种全机械结构的便携式人工观测仪器，其结构原理是以毫米分度的钢卷尺加百分表的线性叠加组合，测量原理是在隧道横断面环向衬砌上布置若干锚固点，以钢尺收敛计两端的机械挂钩连接两待测锚固点。然而，机械式钢尺测量法无法实现形变数据的自动化采集，其只能通过原始地人工现场操作来进行测量并读取数据，而人工读数的随机误差较大并且重复精度较差，同时机械测量系统的分辨率不高，因此机械式钢尺测量法的测量精度已无法满足要求。此外，对于通勤频率越来越高的隧道而言，机械式钢尺测量法这样的人工观测在工程建成后正式运营期间几乎不可能进行操作。巴塞特法是基于巴塞特隧道收敛检测系统来实现的，如图2所示，该系统是在隧道衬砌上环向布设锚固点，并以这些锚固点作为监测参考点，在每两个相邻锚固点之间用一个长臂及一个短臂铰接形成一个三角形的相邻两边，在将长臂及短臂的自由端对应锚固于衬砌上相邻的两锚固点上，并以此法连续环向连接下去，直至达到观测设计要求的倾单元数。该系统所依据的是同时在长臂和短臂上分别安装了一支精度不同的倾斜传感器，短臂上的倾斜传感器可以感应到相邻两锚固点(即测量参考点)间在弧形衬砌的切向位置变化，长臂上的倾斜传感器则可以感应到锚固点在弧形衬砌法线方向的位移改变。然而，这种监测系统由于长臂和短臂的三角形结构形式会造成隧道衬砌加厚从而影响隧道的通行面积。全站仪法是在检测断面上的不同点放置棱镜或预先埋设若干监测锚杆，锚杆端部做成平面并贴上反光片，采用水准仪观测拱顶下沉，采用全站仪进行测距、三角高程观测，继而通过三维坐标公式来计算处监测点的拱顶下沉和水平收敛变形。全站仪法需要通过大地测量或者全站仪自动化测量，这种测量方式的成本较高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种用于隧道断面监测的形变测量装置，在对隧道断面形变进行测量时，所述装置设置在隧道衬砌表面或是隧道衬砌内部，所述装置包括：多个首尾相连的传感器短节，各个传感器短节能够测量得到三个相互垂直方向上与重力加速度方向上的夹角数据；形变数据生成模块，其与所述传感器短节连接，用于根据所述夹角数据确定所述隧道断面的形变数据。根据本专利技术的一个实施例，所述传感器短节包括：固定部；活动梁，其通过弹性件与所述固定部连接；若干活动电极，其与所述活动梁连接并向所述活动梁两侧延伸形成“丰”形结构；若干固定电极，其与所述若干活动电极配合地形成多个结构相同的电容结构。根据本专利技术的一个实施例，所述电容结构包括一个活动电极和两个固定电极，这两个固定电极分别位于该活动电极两侧。根据本专利技术的一个实施例，所述活动梁的端部形成有凹槽，所述固定部与所述凹槽对应的位置处设置有档栓，所述凹槽与档栓能够配合地限制所述活动梁的位移幅度。根据本专利技术的一个实施例，所述传感器短节还包括：激发信号生成部，其与所述活动梁连接，用于生成激发信号并将所述激发信号传输至所述活动梁，以使得所述活动梁在所述激发信号的作用下产生运动。根据本专利技术的一个实施例，相邻传感器短节之间采用可自由弯曲的柔性节连接。根据本专利技术的一个实施例，所述装置还包括：若干温度传感器，其与所述形变数据生成模块连接，用于采集所述传感器短节位置处的温度数据并传输至所述形变数据生成模块；所述形变数据生成模块配置为根据所述温度数据对所述形变数据进行修正。根据本专利技术的一个实施例，首尾连接的预设数量的传感器短节形成一形变传感器模块，所述温度传感器的数量与所述形变传感器模块的数量一一对应，以测量与之对应的形变传感器模块的温度数据。根据本专利技术的一个实施例，所述温度传感器的数量与所述传感器短节的数量相同，各个温度传感器用于分别测量其对应的传感器短节的温度数据。本专利技术还提供了一种隧道断面环向连续变形自动监测系统，所述系统包括如上任一项所述的形变测量装置。根据本专利技术的一个实施例，所述系统还包括：数据采集传输装置，其与所述形变测量装置连接，用于周期性地对所述形变测量装置所得到的隧道断面的形变数据进行数据采样，并将采样得到的数据进行上传。根据本专利技术的一个实施例，所述数据采集传输模块配置为根据所述传感器短节的安装位置对所述传感器短节进行配对，根据得到的传感器短节组进行隧道衬砌水平收敛的测量。根据本专利技术的一个实施例，所述系统还包括：云平台，其与所述数据采集传输装置通信连接，用于接收所述数据采集传输装置上传的数据并进行相关数据分析。本专利技术所提供的用于隧道断面监测的形变测量装置结构简单、安装方便。与传统的固定式或活动式测斜仪不同的是，本专利技术所提供的形变测量装置能够实现对隧道衬砌的多维度变形测量，其安装不需要专用的测斜管，安装方式非常灵活。根据不同的应用环境，该形变测量装置不仅可以预埋方式安装，也可以直埋安装，还可以在钻孔中用套管方式安装。此外，由于传感器短节在安装时不受导轮或导槽等方向限制，因此传感器短节可以直接埋入隧道衬砌内部或者通过卡具固定在隧道衬砌表面。相较于现有的活动或固定式测斜仪，本形变测量装置的安装方式更加灵活，这样也就可以使得形变测量装置的应用范围更加广泛。同时，相较于现有的测斜仪，本形变测量装置能够在保证测量精度的同时具有更好的重复性。此外，本形变测量装置作为剖面分层沉降监测装置，其无需设置反坡、无需观测房，施工简单迅速，安装完毕即可获取完善监测数据，与传统的水管式沉降仪相比数据更加可靠完善。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：图1是机械式钢尺测量法的实现原理示意图；图2是巴塞特隧道收敛检测系统的实现原理示意图；图3是根据本专利技术一个实施例的隧道断面变形自动监测系统的结构示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的用于隧道断面监测的形变测量装置的结构示意图；图5是根据本专利技术一个实施例的传感器短节的结构示意图。具体实施方式以下将结合附图及实施例来详细说明本专利技术的实施方式，借此对本专利技术如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本专利技术中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本专利技术的保护范围之内。同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本专利技术实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本专利技术可以不用这里的具体细节或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于隧道断面监测的形变测量装置，其特征在于，在对隧道断面形变进行测量时，所述装置设置在隧道衬砌表面或是隧道衬砌内部，所述装置包括：多个首尾相连的传感器短节，各个传感器短节能够测量得到三个相互垂直方向上与重力加速度方向上的夹角数据；形变数据生成模块，其与所述传感器短节连接，用于根据所述夹角数据确定所述隧道断面的形变数据。

【技术特征摘要】
1.一种用于隧道断面监测的形变测量装置，其特征在于，在对隧道断面形变进行测量时，所述装置设置在隧道衬砌表面或是隧道衬砌内部，所述装置包括：多个首尾相连的传感器短节，各个传感器短节能够测量得到三个相互垂直方向上与重力加速度方向上的夹角数据；形变数据生成模块，其与所述传感器短节连接，用于根据所述夹角数据确定所述隧道断面的形变数据。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器短节包括：固定部；活动梁，其通过弹性件与所述固定部连接；若干活动电极，其与所述活动梁连接并向所述活动梁两侧延伸形成“丰”形结构；若干固定电极，其与所述若干活动电极配合地形成多个结构相同的电容结构。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电容结构包括一个活动电极和两个固定电极，这两个固定电极分别位于该活动电极两侧。4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述活动梁的端部形成有凹槽，所述固定部与所述凹槽对应的位置处设置有档栓，所述凹槽与档栓能够配合地限制所述活动梁的位移幅度。5.如权利要求2～4中任一项所述的装置，其特征在于，所述传感器短节还包括：激发信号生成部，其与所述活动梁连接，用于生成激发信号并将所述激发信号传输至所述活动梁，以使得所述活动梁在所述激发信号的作用下产生运动。6.如权利要求1～5中任一项所述的装置，其特征在于，相邻传感器短节之间采用可自由弯曲的柔性节连接。7.如权利要求1～6中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伟斌，许学良，郭小雄，马超峰，付兵先，安哲立，王志伟，柴金飞，邹文浩，程爱君，赵洪勇，赵鹏，李尧，常凯，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，中国铁道科学研究院集团有限公司，中国铁路总公司，
类型：发明
国别省市：北京,11