一种隧道变形监测方法和预警系统技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道变形监测方法和预警系统，包括变形监测模块，包括第一单向激光测距传感器、第二单向激光测距传感器、第一双向激光测距传感器、第二双向激光测距传感器、振弦式位移传感器、振弦式锚索测力计；数据自动采集模块，包括定时控制模块；数据传输模块，包括无线传输模块和数据预处理模块；数据处理与控制模块，包括数据后处理模块、数据分析/分类模块、交互模块、修正模块、数据存储模块、数据运算模块；本发明专利技术一种隧道变形监测方法和预警系统，具有量测装置简单、量测精度高、对施工干扰少、费用低廉和实时自动化监测等优点，本发明专利技术的量测精度为0.5mm～1mm，符合技术规程要求，保证了监测预警系统的可靠性和准确性。保证了监测预警系统的可靠性和准确性。保证了监测预警系统的可靠性和准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道变形监测方法和预警系统


[0001]本专利技术涉及隧道监测预警
，具体为一种隧道变形监测方法和预警系统。

技术介绍

[0002]随着高速公路、城市地铁、煤矿开采等领域的快速发展，隧道工程变得尤为瞩目。目前我国隧道工程普遍采用新奥法进行设计与施工，充分发挥围岩的自承作用，在岩体松弛破坏之前，先向围岩施作一层柔性薄壁支护，如遇到过大的围岩压力，则增加锚杆进行加固，以控制岩体的初期变形，根据测量围岩变位的收敛程度，决定施作二次支护型式和最佳的施作支护时间，使之最后取得稳定。
[0003]隧道变形监控量测是新奥法施工过程中三大要素之一，是指在隧道施工过程中通过预置装置和量测仪器对围岩和支护衬砌变形、受力状态进行监测，根据量测信息，预警险情，以便及时采取措施，避免事故。因此，隧道变形量测是否准确和及时直接关系到隧道施工的安全与进度。
[0004]在隧道的安全问题中，拱顶沉降、地表下沉以及周边收敛始终是常见的重要监测内容。现阶段我国隧道变形监测常用的仪器包括：全站仪、收敛计、水准仪、无线雷达以及超声波。采用全站仪、收敛计、水准仪测量时，需要人工进行持续监测，主要缺点是效率较低、精确度不足、观测频率低，无法做到实时自动化监测；无线雷达和超声波传感器在测量时虽然能够实现自动化监测，但会受到隧道环境中的磁场干扰以及噪声、振动等复杂因素影响，测量误差较大。因此，上述监测仪器会造成测量数据错误，最终影响监测预警系统的可靠性和准确性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种隧道变形监测方法和预警系统，以解决上述
技术介绍
中提出的效率较低、精确度不足、观测频率低，无法做到实时自动化监测以及在测量时受到隧道环境中的磁场干扰以及噪声、振动等复杂因素影响，测量误差较大的问题。
[0006]为此，本专利技术提供了一种隧道变形监测预警系统，包括：
[0007]变形监测模块，包括第一单向激光测距传感器、第二单向激光测距传感器、第一双向激光测距传感器、第二双向激光测距传感器、振弦式位移传感器、振弦式锚索测力计；
[0008]数据自动采集模块，包括定时控制模块；
[0009]数据传输模块，包括无线传输模块和数据预处理模块；
[0010]数据处理与控制模块，包括数据后处理模块、数据分析/分类模块、交互模块、修正模块、数据存储模块、数据运算模块；
[0011]智能预警模块，包括阈值预警模块和现场预警终端，现场预警终端包括现场指示灯和报警器。
[0012]优选的，所述变形监测模块中的振弦式位移传感器和振弦式锚索测力计由通信电缆连接到数据自动采集模块。
[0013]优选的，所述数据分析/分类模块根据测量值的概率密度函数和测量值的算术平均值的标准差来确定突变参数。
[0014][0015][0016][0017]其中：x为测量值；σ为标准差，可以作为测量值分散性的参数；μ为测量真值，为测量值的算术平均值，近似地作为被测量的真值，为算术平均值的标准差，作为其不可靠性的评定标准，即该条件下算术平均值的标准差越小，其作为测量真值的可靠性越高，即作为突变参数的可能性越小。
[0018]优选的，所述修正模块内置有下述误差补偿公式：
[0019]1)激光测距传感器本身误差补偿公式：
[0020][0021]其中：c表示大气中光的传播速度；f表示计数时钟频率。
[0022]2)水平钢板、竖直钢板或L型钢板表面倾斜误差补偿公式：
[0023][0024][0025]其中：α表示激光光束半开角；θ表示被测钢板表面切平面法线与激光光束方向的夹角。
[0026]3)由1、2可得探测数据的误差补偿公式：
[0027]e
max
＝e
Jmax
+e
Smax
。
[0028][0029]所述数据运算模块将运算所得实时拱顶下沉量U、实时水平收敛值W、实时道床沉降值V以及锚杆实时轴力P(P1和P2)传输到智能预警模块，智能预警模块中的阈值预警模块通过预设值U0、W0、V0、P0与数据运算模块运算得到的数据进行对比，当超出阈值范围后，由现场预警终端通过报警器和预警指示灯进行预警
[0030]一种隧道变形监测方法，包括以下步骤：
[0031]S1：在监控量测的拱型隧道断面的拱顶设定测点A，在与拱顶测点A相对的地表设定地表测点D；在拱型隧道拱腰对称位置设定左测点B和右测点C，在拱型隧道边墙对称位置设定左测点F和右测点G；
[0032]S2：在拱顶测点A处采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置竖直杆2，其中竖直杆通过焊接方式设置水平钢板，并通过接头或焊接方式固定位移传递杆，支撑杆一端与竖直杆通过焊接方式连接，另外两端与位移传递杆通过焊接方式连接，位移传递杆包括上杆、左
杆和右杆；
[0033]S3：左杆通过焊接方式设置传感器支架，并通过接头或焊接方式固定第一双向激光测距传感器，传感器支架通过接头固定振弦式位移传感器，右杆通过接头或焊接方式固定第二双向激光测距传感器；并通过焊接方式设置配重块；配重块通过焊接方式固定第一单向激光测距传感器；
[0034]S4：在左测点B和右测点C处，分别采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置水平量测杆，水平量测杆通过焊接方式固定第二单向激光测距传感器并通过焊接方式设置L型钢板；
[0035]S5：在左测点F和右测点G处，分别采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置锚杆，锚杆上设置有振弦式锚索测力计，并通过焊接方式设置竖直钢板；
[0036]S6：在道床沉降测点D处采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置竖直杆，竖直杆通过焊接方式设置水平钢板；
[0037]S7：将第一双向激光测距传感器和第二双向激光测距传感器的激光发射点分别设定为发射点M和发射点N；第一单向激光测距传感器和第二单向激光测距传感器的激光发射点分别设定为发射点K和发射点E；
[0038]S8：采用第二单向激光测距传感器量测发射点K与拱顶测点A之间的距离Lak，采用第一双向激光测距传感器分别量测发射点M与左测点B和右测点C之间的水平净空收敛变化Wmb和Wmc，采用第二双向激光测距传感器分别量测发射点N与左测点F和右测点G之间的水平净空收敛变化Wnf和Wng；采用振弦式位移传感器量测L型钢板的竖向净空收敛变化WyB；采用第一单向激光测距传感器量测测点D的地表下沉变化V；采用振弦式锚索测力计量测锚杆所受轴力变化P；
[0039]S9：通过数据处理与控制模块中的数据运算模块算出左测点B和右测点C之间水平净空变化Wbc，左测点F与右测点G之间水平净空变化Wfg，测点A的拱顶沉降U，测点D的地表沉降V以及锚杆轴力P；
[0040]S10：根据左测点B与右测点C之间水平净空变化Wbc或左测点F与右测点G之间水平净空变化Wfg进行隧道安全状态的监测预警，也可以根据拱顶沉降U、地表沉降V或锚杆轴力P进行隧道安全状态的监测预警，其中隧道监测点的变形量基于下述计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道变形监测预警系统，其特征在于，包括：变形监测模块，包括第一单向激光测距传感器(12)、第二单向激光测距传感器(14)、第一双向激光测距传感器(9)、第二双向激光测距传感器(10)、振弦式位移传感器(8)、振弦式锚索测力计(17)；数据自动采集模块，包括定时控制模块；数据传输模块，包括无线传输模块和数据预处理模块；数据处理与控制模块，包括数据后处理模块、数据分析/分类模块、交互模块、修正模块、数据存储模块、数据运算模块；智能预警模块，包括阈值预警模块和现场预警终端，现场预警终端包括现场指示灯和报警器。2.根据权利要求1所述的一种隧道变形监测预警系统，其特征在于，所述变形监测模块中的振弦式位移传感器(8)和振弦式锚索测力计(17)由通信电缆连接到数据自动采集模块。3.根据权利要求1所述的一种隧道变形监测预警系统，其特征在于，所述数据分析/分类模块根据测量值的概率密度函数和测量值的算术平均值的标准差来确定突变参数。1)2)3)其中：x为测量值；σ为标准差，可以作为测量值分散性的参数；μ为测量真值，为测量值的算术平均值，近似地作为被测量的真值，为算术平均值的标准差，作为其不可靠性的评定标准，即该条件下算术平均值的标准差越小，其作为测量真值的可靠性越高，即作为突变参数的可能性越小。4.根据权利要求1所述的一种隧道变形监测预警系统，其特征在于，所述修正模块内置有下述误差补偿公式：(1)激光测距传感器本身误差补偿公式：其中：c表示大气中光的传播速度；f表示计数时钟频率。(2)水平钢板、竖直钢板或L型钢板表面倾斜误差补偿公式：倾斜误差补偿公式：其中：α表示激光光束半开角；θ表示被测钢板表面切平面法线与激光光束方向的夹角。(3)由(1)、(2)可得探测数据的误差补偿公式：
e
max
＝e
Jmax
+e
Smax
。5.根据权利要求1所述的一种隧道变形监测预警系统，其特征在于，所述数据运算模块将运算所得实时拱顶下沉量U、实时水平收敛值W、实时道床沉降值V以及锚杆实时轴力P(P1和P2)传输到智能预警模块，智能预警模块中的阈值预警模块通过预设值U0、W0、V0、P0与数据运算模块运算得到的数据进行对比，当超出阈值范围后，由现场预警终端通过报警器和预警指示灯进行预警。6.一种隧道变形监测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：在监控量测的拱型隧道断面(1)的拱顶设定测点(A)，在与拱顶测点(A)相对的地表设定地表测点(D)；在拱型隧道拱腰对称位置设定左测点(B)和右测点(C)，在拱型隧道边墙对称位置设定左测点(F)和右测点(G)；S2：在拱顶测点(A)处采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置竖直杆(2)，其中竖直杆(2)通过焊接方式设置水平钢板(4)，并通过接头或焊接方式固定位移传递杆(5)，支撑杆(3)一端与竖直杆(2)通过焊接方式连接，另外两端与位移传递杆(5)通过焊接方式连接，位移传递杆(5)包括上杆(501)、左杆(502)和右杆(503)；S3：左杆(502)通过焊接方式设置传感器支架(6)，并通过接头或焊接方式固定第一双向激光测距传感器(9)，传感器支架(6)通过接头(7)固定振弦式位移传感器(8)，右杆(503)通过接头或焊接方式固定第二双向激光测距传感器(10)；并通过焊接方式设置配重块(11)；配重块(11)通过焊接方式固定第一单向激光测距传感器(12)；S4：在左测点(B)和右测点(C)处，分别采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置水平量测杆(13)，水平量测杆(13)通过焊接方式固定第二单向激光测距传感器(14)并通过焊接方式设置L型钢板(15)；S5：在左测点(F)和右测点(G)处，分别采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置锚杆(16)，锚杆(16)上设置有振弦式锚索测力计(17)，并通过焊接方式设置竖直钢板(18)；S6：在道床沉降测点(D)处采用钻孔预埋方式或通过焊接方式设置竖直杆(2)，竖直杆(2)通过焊接方式设置水平钢板(4)；S7：将第一双向激光测距传感器(9)和第二双向激光测距传感器(10)的激光发射点分别设定为发射点(M)和发射点(N)；第一单向激光测距传感器(12)和第二单向激光测距传感器(14)的激光发射点分别设定为发射点(K)和发射点(E)；S8：采用第二单向激光测距传感器(14)量测发射点K与拱顶测点(A)之间的距离Lak，采用第一双向激光测距传感器(9)分别量测发射点(M)与左测点(B)和右测点...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦磊，郭明毅，董亚冲，韩志豪，安金昌，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：