一种隧道二次衬砌变形实时监测系统

技术领域

本申请涉及隧道监测工程技术领域，特别涉及一种隧道二次衬砌变形实时监测系统。

背景技术

随着公路建设进程的不断推进，目前我国公路隧道已经从建设初期逐渐进入运营期，国内特长隧道的数量及里程均在不断增加。据交通运输部2020年数据显示，截止2019年我国公路隧道数量为19067座，同比增长7.5％，隧道总成的达到1896.66万米，同比增长10％，与2009年的总里程相比，增长了381.14％。其中，公路特长隧道数量增长至1175座，公路特长隧道长度达到521.75万米；公路长隧道数量达到4784座，隧道总长度为826.31万米。且公路隧道呈现出向特长和10km以上超长隧道发展的趋势，从公路隧道设计理念上来看，基本上已从荷载-结构理论转化到了围岩-结构理论，同时更加重视安全运营环境与工程环境的保护。

围岩变形是直接与稳定状态相联系的宏观物理量，是岩体开挖时的行为功能发出的信息，是工程围岩稳定性的真实反映。利用施工过程中围岩变形信息进行反分析可预测前进方向可能出现的围岩稳定性问题，在安全施工和优化设计中具有重要意义。我国的公路隧道的设计理念及施工工艺仍以新奥法为主，采用复合式衬砌的围岩支护形式，分为初支和二次衬砌。隧道二衬是隧道支护结构永久性承载的一部分，因而二衬质量也凸显隧道的使用寿命和安全性状况。因此，需要对隧道二衬结构进行长期的安全监测和健康评定，包括对二衬结构的应力、变形和温度等物理指标进行监测，其中又以变形监测最为重要。目前所采用的隧道变形监测技术和装置存在无法实时自动连续化检测、无法长距离和对不规则端面形状监测、集成化精度不高于稳定性不良等局限性。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种隧道二次衬砌实时监测系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种隧道二次衬砌实时监测系统，包括：三维变形监测仪和管理分析模块，三维变形监测仪埋设于隧道二衬内或隧道表面，三维变形监测仪内设有首尾依次相接的、可任意弯折的多个监测单元，且多个监测单元并行电连接；多个监测单元与隧道的多个监测点一一对应；其中，监测单元用于对隧道进行监测，以获取监测单元对应的监测点处的监测数据，响应于监测单元获取的监测数据大于预设阈值，监测单元向管理分析模块发送触发信号；管理分析模块与三维变形监测仪通讯连接，响应于管理分析模块接收到触发信号，管理分析模块修改监测参数并发送至对应的监测单元，以由对应的监测单元根据修改后的监测参数对隧道进行监测。

在本申请的任一可选实施例中，监测数据包括监测点的位移、角度、振动频率、振幅、温度中的至少一种。

在本申请的任一可选实施例中，监测单元包括：重力加速度传感器和数据处理单元，重力加速度传感器用于对监测点的坐标数据进行实时采集，并发送至数据处理单元；数据处理单元根据重力加速度传感器X、Y、Z轴向的分量，分别计算重力加速度传感器对应的监测单元在竖直方向、水平方向的竖直夹角、水平夹角；并根据竖直夹角、水平夹角以及对应的重力加速度传感器的长度，分别计算监测单元在竖直方向、水平方向的竖直位移、水平位移；根据竖直位移、水平位移计算监测单元对应的监测点的位移；其中，X轴向定义为垂直隧道轴向的水平方向；Y轴向定义为隧道轴方向，Z轴向定义为垂直方向。

在本申请的任一可选实施例中，多个监测单元中均设有重力加速度传感器，重力加速度传感器用于对监测点的坐标数据进行实时采集；多个监测单元中至少一个设有数据处理单元，未设置数据处理单元的监测单元能够将采集到的对应的监测点的坐标数据发送至设置有数据处理单元的监测单元，以由数据处理单元根据坐标数据得到对应的监测点的位移。

在本申请的任一可选实施例中，管理分析模块还能够根据接收到的监测单元的监测数据，建立隧道的二次衬砌的变形与时间的变化曲线，以对隧道的二次衬砌变形规律进行分析。

在本申请的任一可选实施例中，三维变形监测仪中的多个监测单元通过总线网络并行连接，且能够通过RS485接口接入星型网络或者链型网络。

在本申请的任一可选实施例中，响应于三维变形监测仪中监测单元的数量不超过20个且监测单元的走线长度不超过200米时，多个监测单元与管理分析模块直接接入RS485总线网络，无需采取总线匹配措施。

在本申请的任一可选实施例中，监测单元采用宽电压供电方式，供电电压范围：DC5V～30V。

在本申请的任一可选实施例中，监测参数至少包括监测频率、监测地址、监测周期、采集时间中其一。

有益效果：

本申请中实施例提供的技术方案中，通过将三维变形监测仪埋设于隧道二衬内或隧道表面，通过三维变形监测仪中设置的多个监测单元对隧道进行监测，由于多个监测单元柔性连接，可任意弯折，使得通过三维变形监测仪可对隧道内任意不规则断面形状进行实时自动连续监测；通过将多个监测单元首尾依次相接集成于三维变形监测仪中，有效提高了对隧道二次衬砌变形实时监测的集成化程度；同时，三维变形监测仪中的检测单元对监测数据进行初步分析判断，当大于预设阈值，通过触发信号触发管理分析模型，由管理分析模块修改监测参数并发送至对应的监测单元，由对应的监测单元根据修改后的监测参数进行监测，有效提高了隧道二次衬砌的监测精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的一种隧道二次衬砌实时监测系统的结构示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的三维变形监测仪埋设于隧道表面的示意图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的三维变形监测仪埋设于二衬内部的示意图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的监测单元的沉降量示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的监测单元的线缆线序图。

附图标记说明：

101-三维变形监测仪；111-监测单元；121-弯折关节；131-固定节；102-管理分析模块。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1为根据本申请的一些实施例提供的一种隧道二次衬砌实时监测系统的结构示意图；图2为根据本申请的一些实施例提供的三维变形监测仪埋设于隧道表面的示意图；图3为根据本申请的一些实施例提供的三维变形监测仪埋设于二衬内部的示意图；如图1-图3所示，该隧道二次衬砌实时监测系统包括：三维变形监测仪101和管理分析模块102，三维变形监测仪101埋设于隧道二衬内或隧道表面，三维变形监测仪101内设有首尾依次相接的、可任意弯折的多个监测单元111，且多个监测单元111并行电连接；多个监测单元111与隧道的多个监测点一一对应；其中，监测单元111用于对隧道进行监测，以获取监测单元111对应的监测点处的监测数据，响应于监测单元111获取的监测数据大于预设阈值，监测单元111向管理分析模块102发送触发信号；管理分析模块102与三位变形监测仪通讯连接，响应于管理分析模块102接收到触发信号，管理分析模块102修改监测参数并发送至对应的检测单元，以由对应的监测单元111根据修改后的监测参数对隧道进行监测。

在本申请实施例中，三维变形监测仪101内部采用多个监测单元111串联，相邻两个监测单元111之间通过弯折关节121连接，可根据需要任意弯折。在此，设定与管理分析模块102相连的一端为三维变形监测仪101的近端，三维变形监测仪101的另一端为远端，其中，近端的监测单元111通过固定节131连接进行固定。

在本申请实施例中，监测单元111在初始工作模式下对隧道二次衬砌监测点出的监测参数进行采集(比如，变形、位移等)，并能够进行初步分析，在监测数据大于监测单元111中的预设阈值时，监测单元111向管理分析模块102发送触发信号。

在本申请实施例中，监测参数至少包括监测频率、监测地址、监测周期、采集时间至少其一，管理分析模块102接收到触发信号后，修改监测单元111的监测参数并发送至对应的监测单元111，比如，提高监测单元111的监测频率，使监测单元111的数据采集频率提高，籍此，有效提高隧道二次衬砌监测点处的监测精度。

在本申请实施例中，监测单元111中设置有阈值比较模块，籍此，可以实现监测数据与预设阈值的比较。同时，三维变形监测仪101中角度测量精度到达了±0.005°，位移稳定性在0.5mm以内(50米长度)，单个监测单元111功耗只有1.8mA；空间三维监测，三维变形监测仪101可直接输出三维空间内坐标；实现对监测对象的振动或倾斜时，50ms内触发数据采集、存储，并上报至数据中心，可细微变化动态捕捉；内部集成高速运算单元，内部解算无需上位机软件配合，可在内部实现两级高速运算，减少了大量的数据传输，大大提高了数据完整性；实时监测不同位置的振动频率、振幅，为分析威胁被测对象安全的各种事件提供了数据支持；重量轻、抗拉、抗剪切性能强，单个监测单元111的重量为0.6Kg，方便运输、现场安装；可根据应用场景切换不同铠装，抗剪切力大于300Kg，抗拉力大于400Kg；三维变形监测仪101充分集成各种防护措施，静电、雷击、接反等常见引起设备故障的问题都进行了专门防护。

在本申请实施例中，由于多个监测单元111柔性连接，可任意弯折，使得通过三维变形监测仪101可对隧道内任意不规则断面形状进行实时自动连续监测；通过将多个监测单元111首尾依次相接集成于三维变形监测仪101中，有效提高了对隧道二次衬砌变形实时监测的集成化程度。

在一些可选实施例中，监测数据包括监测点的坐标、位移、角度、震动频率、振幅、温度中的至少一种。籍此，实现对隧道二次衬砌处的变形(位移)和/或振动(频率、振幅)进行实时监测。

在一些可选实施例中，监测单元111内设有重力加速度传感器和数据处理单元，重力加速度传感器用于对监测点的坐标数据进行实时采集，并发送至数据处理单元，籍此，实现对隧道二次衬砌处的位置的实时监测。数据处理单元根据重力加速度传感器X、Y、Z轴向的分量，分别计算重力加速度传感器对应的监测单元111在竖直方向、水平方向的竖直夹角、水平夹角；并根据竖直夹角、水平夹角以及对应的重力加速度传感器的长度，分别计算监测单元111在竖直方向、水平方向的竖直位移、水平位移；根据竖直位移、水平位移计算监测单元111对应的监测点处的位移；其中，X轴向定义为垂直隧道轴向的水平方向；Y轴向定义为隧道轴方向，Z轴向定义为垂直方向。

比如，设重力加速度为10m/s

在本申请实施例中，三维变形监测仪101通过多个等长的监测单元111组成，并通过总线式结构在内部并行连接，每个监测单元111相互独立采集数据并运算，以及通过总线将采集数据汇总到首节的控制器单元，以便传输至管理分析模块102。

在一些可选实施例中，多个监测单元111中均设有重力加速度传感器，重力加速度传感器用于对监测点的坐标数据进行是采集，多个监测单元111中至少一个设有数据处理单元，未设置数据处理单元的检测单元能够将采集到的对应的监测点的坐标数据发送至设置有数据处理单元的监测单元111，以由数据处理单元根据坐标数据得到对应的监测点的位移。

图4为根据本申请的一些实施例提供的监测单元111的沉降量示意图；如图4所示，每个测量单元在监测点处的相对沉降为该监测单元111的杆长L*sinβ

在一些可选实施例中，管理分析模块102能够根据接收到的检测单元的监测数据，建立隧道二次衬砌的变形时间的变化曲线，以对隧道二次衬砌变形规律进行分析。具体的，根据建立隧道二次衬砌的变形时间的变化曲线，分析隧道二次衬砌变形收敛情况和反演隧道二次衬砌变形模型。

在本申请实施例中，三维变形监测仪101中的多个监测单元111通过总线网络并行连接，且能够通过RS485接口接入星型或者链型网络。籍此，三维变形监测仪101内部采用总线式结构，外部通过RS485接口根据需要接入星型网络或链型网络。

在本申请实施例中，三维变形监测仪101的对外接口采用RS485和/或RS232标准接口，可对接多种数据采集设备或直接对外接入通信终端，便于三维变形监测仪101的集成应用。

在一具体的例子中，响应于三维变形监测仪101中监测单元111的数量不超过20个且监测单元111的走线长度不超过200米时，多个监测单元111与管理分析模块102直接接入RS485总线网络，无需采取总线匹配措施。当总线上的负载超过总线容量时，可通过对总线进行扩充，籍此增加监测单元111的数量。

在本申请实施例中，监测单元111采用宽电压供电方式，供电电压范围：DC5V～30V；同时，监测单元111的线缆均具备±60kV/600W的静电、浪涌、雷击保护，电源接口具备防反接保护，籍此，充分保证监测单元111的自身安全。

在本申请实施例中，监测单元111在上电前需核对线缆线序，其中，红色为电源正极，白色为RS485 A/R+/RS232 RXD，蓝色为RS485 B/R-/RS232TXD，棕色为触发信号，黑色为电源负极，如图5所示。

在本申请实施例中，管理分析模块102可对监测单元111的检测参数进行设置，包括地址设置等，查询监测单元111的信息，包括监测单元111的长度等；同时，还可以对监测单元111进行3D展示，籍此，通过实时展示监测单元111姿态，能够对监测单元111进行性能评估；在管理分析模块102中，还可以对实时采集数据进行报表展示、导出等；通过管理分析模块102设置监测单元111的采集周期，对监测单元111的坐标、倾角、频率、振幅等进行定时采集，以便对监测单元111的精度和稳定性进行测试。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。