盾构管片变形监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术所述的盾构管片变形监测系统及其监测方法，提出基于激光感测技术、采用无线缆链接、独立式锂电池供电方式，以期安装与拆卸便捷和电池续航时间可控的目的。通过仅覆盖盾构车架段范围内管片的监测系统，以最末尾的测量模块快速拆卸、安装到最前位置的“安装

【技术实现步骤摘要】
盾构管片变形监测系统及其监测方法


[0001]本专利技术涉及一种应用激光感测技术实施盾构车架段隧道管片变形监测的系统与监测方法，属于岩土施工与隧道工程领域。

技术介绍

[0002]随着我国经济的快速发展，城市地下工程建设受地表构筑物的限制，地下隧道工程越来越多地采用盾构法施工方式。盾构施工后需要采用管片拼装进行支撑，以保证隧道断面具备标准的坚固和稳定性能。
[0003]隧道管片竖向、水平位移监测是盾构法施工时的重要监测项目。目前隧道内部盾构车架段范围以外的管片竖向、水平位移监测，通常采用水准仪和全站仪进行监测；盾构车架段范围以内的管片，由于管片内部空间基本被盾构车架填满，车架与管片之间仅有20～30cm左右的间隙，所以无法进行常规监测，该范围的管片只有在脱出盾构车架后才能开展常规监测，从而造成盾构车架段范围内管片的位移监测仍处于空白状态。但是，盾构管片安装完毕后的前期，由于管片受土压力作用和同步注浆施工的影响，是管片结构变形量最大的时间段，在脱出盾构车架前管片变形监测数据的缺失对分析施工期和运营期管片结构形态和受力状态有巨大的不利影响，所以盾构车架段内管片位移的监测十分必要且亟待解决。现有的位移自动化监测技术，由于空间限制或盾构车架段是动态前进的，各有不适应性。例如，a.基于图像识别技术的灯靶位移监测系统，可进行水平与竖向位移自动化监测，但体积过大，在30cm间隙空间内无法安装，且须通过线缆连接，安装、拆卸均不易；b.静力水准仪监测系统，可进行竖向位移自动化监测且体积小，但由于需要链接水管、气管，安装复杂、需要较大作业面，无法适用。关键的是，上述两种方案均需要采用线缆进行复杂链接，安装、拆卸不易，所以无法伴随盾构车架段的前进进行动态前进式监测，若监测模块仅安装、不拆卸，则需对整条隧道的管片进行监测，造价会十分高昂，导致无法应用。综上，有必要研发一种可实现与车架段同步前进的循环监测系统，实现对盾构车架段范围内管片位移的循环前进式监测。
[0004]有鉴于此，特提出本专利申请。

技术实现思路

[0005]本专利技术所述的盾构管片变形监测系统及其监测方法，在于解决上述现有技术存在的问题而提出基于激光感测技术的盾构管片变形监测系统及其方法。该系统采用无线缆链接、独立式锂电池供电方式，以期安装与拆卸便捷和电池续航时间可控的目的。通过仅覆盖盾构车架段范围内管片的监测系统，以最末尾的测量模块快速拆卸、安装到最前位置的“安装
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拆卸
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安装动态循环”监测手段，能够实现低成本监测和填补现有盾构车架段管片变形监测技术的空白。
[0006]为实现上述设计目的，本申请所述的盾构管片变形监测系统包括，数组激光感测模块、以及自动全站仪和数据处理平台；
[0007]其中，相邻两组激光感测模块间隔至少一组盾构管片，每组激光感测模块包括CCD激光接收靶、激光发射器和数据采集器；
[0008]所述的CCD激光接收靶通过插槽垂直地固定在数据采集器上，在CCD激光接收靶上安装有衰减片；激光发射器通过支座固定在数据采集器上；在数据采集器的底部设置有数个真空吸盘，激光感测模块通过真空吸盘固定在盾构管片上；
[0009]所述的激光发射器按照设定的频率自动发射激光至CCD激光接收靶；
[0010]所述的数据采集器还包括有输出接口模块、无线传输模块和供电模块。
[0011]进一步地，所述的数据处理平台包括图像处理模块、数据计算模块、数据存储单元和警报模块；其中，图像处理模块用于将图像信息转换成数字信号并进行分析处理，数据计算模块用于计算得出盾构管片的位移量数据，数据存储单元用于对上述盾构管片变形计算结果进行存储,警报模块用于判断管片当前状态是否存在破坏风险并发送相应的警报。
[0012]进一步地，所述的自动全站仪测量车架段外监测系统工作基准点对应的管片位移，为车架段内激光感测模块对应管片位移的计算建立基准位移量。
[0013]进一步地，所述的数据计算模块，对接收图像的灰度值进行累加，将图像灰度累加值发送至警报模块，将接收到的激光光斑图像数字信号进行计算以形成对光斑的定位、获取光斑中心的像素坐标，参考光斑中心初始位置得到光斑位移(
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)即相邻两个激光感测模块对应盾构管片之间的相对位移，相对位移包括水平相对位移量和竖向相对位移量,由光斑位移和基准位移量计算得出车架段内激光感测模块对应管片位移及位移变化率。
[0014]进一步地，对于下述情况,警报模块将分别发送对应的警报信息,(1)当警报模块接收到的图像灰度值大幅度减小时，即可认为图像中目标光斑丢失，可能存在管片突然发生破坏产生较大变形或激光发射器受到意外遮挡等导致激光无法照射至对应的CCD激光接收靶；(2)当盾构管片累计位移超过预警值和控制值时；(3)当盾构管片位移变化速率V
i
大于控制值1.6mm/day和预警值1.2mm/day时(数值可根据实际施工情况设置)。
[0015]基于上述盾构管片变形监测系统的设计，本申请同时实现了一种盾构管片变形监测方法，该方法包括以下实施步骤：
[0016]步骤1，模块安装
[0017]随着盾构车架段的前进，在车架段隧道外部的盾构管片拱顶处安装0﹟激光感测模块，以0﹟激光感测模块作为整个监测系统的工作基准点，再依次间隔相同数量的盾构管片安装数组激光感测模块；
[0018]步骤2，建立基准位移量
[0019]在车架段隧道外部，使用自动全站仪测量得到0﹟激光感测模块的位移变化情况，将该位移量数据输入到数据处理平台的数据计算模块，为车架段内激光感测模块对应管片位移的计算建立基准位移量；
[0020]步骤3，生成图像
[0021]从1﹟激光感测模块所处位置开始，每一激光感测模块按照依次地捕获相邻激光感测模块的激光发射器2发出的激光束以生成激光光斑图像；
[0022]激光光斑图像信息以与激光发射器相同的频率f通过数据采集器3传输到数据处理平台的图像处理模块以进行图像处理与分析；
[0023]步骤4，位移量计算
[0024]数据计算模块对图像数字信号进行计算以形成光斑中心的像素坐标，参考光斑中心初始位置得到光斑位移(
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,
△
y
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)即相邻两个激光感测模块对应的盾构管片之间的相对位移量，进而通过基准位移量即0#激光感测模块对应的盾构管片位移量计算1#激光感测模块对应的盾构管片位移量，再通过1#激光感测模块对应的盾构管片位移量计算2#激光感测模块对应的盾构管片位移量，以此类推完成车架段内盾构管片位移的计算；
[0025]步骤5，依次行进、循环计算
[0026]伴随盾构车架段的前进，重新设立0﹟和结尾处激光感测模块；
[0027]即在1﹟激光感测模块脱出盾构车架段后，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构管片变形监测系统，其特征在于：包括数组激光感测模块、以及自动全站仪和数据处理平台；相邻两组激光感测模块间隔至少一组盾构管片，每组激光感测模块包括CCD激光接收靶、激光发射器和数据采集器；所述的CCD激光接收靶通过插槽垂直地固定在数据采集器上，在CCD激光接收靶上安装有衰减片；激光发射器通过支座固定在数据采集器上；在数据采集器的底部设置有数个真空吸盘，激光感测模块通过真空吸盘固定在盾构管片上；所述的激光发射器按照设定的频率f自动发射激光至CCD激光接收靶；所述的数据采集器还包括有输出接口模块、无线传输模块和供电模块。2.根据权利要求1所述的盾构管片变形监测系统，其特征在于：所述的数据处理平台包括图像处理模块、数据计算模块、数据存储单元和警报模块；其中，图像处理模块用于将图像信息转换成数字信号并进行分析处理，数据计算模块用于计算得出盾构管片的位移量数据，数据存储单元用于对上述盾构管片变形计算结果进行存储，警报模块用于判断管片当前状态是否存在破坏风险并发送相应的警报。3.根据权利要求2所述的盾构管片变形监测系统，其特征在于：所述的数据计算模块，将接收到的激光光斑图像数字信号进行计算以形成对光斑的定位、获取光斑中心的像素坐标，参考光斑中心初始位置得到光斑位移(
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)即相邻两个激光感测模块对应盾构管片之间的相对位移，由光斑位移以及自动全站仪测得的工作基准点对应的管片位移得出车架段内盾构管片位移和位移变化速率；所述的相对位移包括水平相对位移和竖向相对位移。4.根据权利要求2所述的盾构管片变形监测系统，其特征在于：所述的警报模块，当计算的管片位移超过预警值、控制值或管片突然发生破坏产生较大变形、激光发射器受到意外遮挡而导致激光无法照射至对应的CCD激光接收靶时，将自动发出警报。5.应用如权利要求1至4任一所述盾构管片变形监测系统的监测方法，其特征在于：包括有以下步骤，步骤1，模块安装随着盾构车架段的前进，在车架段隧道外部的盾构管片拱顶处安装0﹟激光感测模块，以0﹟激光感测模块作为整个监测系统的工作基准点，再依次间隔相同数量的盾构管片安装数组激光感测模块；步骤2，建立基准位移量在车架段隧道外部，使用自动全站仪测量得到0﹟激光感测模块的位移变化情况，将该位移量数据输入到数据处理平台的数据计算模块，为车架段内激光感测模块对应管片位移的计算建立基准位移量；步骤3，生成图像从1﹟激光感测模块所处位置开始，每一激光感测模块按照依次地捕获相邻激光感测模块的激光发射器2发出的激光束以生成激光光斑图像；激光光斑图像信息以与激光发射器相同的频率f通过数据采集器3传输到数据处理平台的图像处理模块以进行图像处理与分析；步骤4，位移量计算
数据计算模块对图像数字信号进行计算以形成光斑中心的像素坐标，参考光斑中心初始位置得到光斑位移(
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)即相邻两个激光感测模块对应的盾构管片之间的相对位移量，进而通过基准位移量即0#激光感测模块对应的盾构管片位移量计算1#激光感测模块对应的盾构管片位移量，再通过1#激光感测模块对应的盾构管片位移量计算2#激光感测模块对应的盾构管片位移量，以此类推完成车架段内盾构管片位移的计算；步骤5，依次行进、循环计算伴随盾构车架段的前进，重新设立0﹟和结尾处激光感测模块；即在1﹟激光感测模块脱出盾构车架段后，将车架段外的原0﹟激光感测模块拆除并安装至当前监测系统最尾处激光感测模块前方的盾构管片拱顶部位，以成为新的结尾处模块，此时原1﹟模块变为新的0﹟模块以成为下一计算过程的工作基准点；使用自动全站仪重新测量当前0﹟激光感测模块的位移量，重新进行上述步骤2至步骤4的计算过程，计算结果均存储至数据存储单元；循环执行上述步骤，直至监测完成全部盾构车架段。6.根据权利要求5所述的盾构管片变形监测方法，其特征在于：在步骤1中，在监测点位涂抹速干油漆以增加盾构管片表面的光滑度，将激光感测模块固定于盾构管片表面。7.根据权利要求6所述的盾构管片变形监测方法，其特征在于：在步骤3中，图像处理与分析过程包括，3.1激光光斑图像信息转换为数字信号；3.2对图像进行锐化滤波处理以减弱或消除图像中...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍汝苍，张旭海，马国松，李金明，姜智彬，刘国山，岳晓东，任大广，郭明俊，赵建军，
申请(专利权)人：中铁二十五局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：