一种隧道变形监测方法和预警系统

技术领域

本发明涉及隧道监测预警技术领域，具体为一种隧道变形监测方法和预警系统。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道变形监测方法和预警系统，以解决上述背景技术中提出的效率较低、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。

为此，本发明提供了一种隧道变形监测预警系统，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；

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。

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。

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。

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。

优选的，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：

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

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

一种隧道变形监测方法，包括以下步骤：

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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算公式：

采用下式可得到实时拱顶下沉量U：

1)U+H

2)H

3)H

4)

5)U＝H

采用下式可得到实时上水平收敛值Wbc：

1)W

2)W

3)W

采用下式可得到实时下水平收敛值Wfg：

1)W

2)W

3)W

采用下式可得到实时道床沉降值V：

1)U+H

2)H

3)H

4)V＝H

优选的，所述S2步骤中左杆与右杆通过接头的方式与上杆连接，可按需拆装。

优选的，所述S7步骤中第二双向激光测距传感器安置于右杆一侧端面处。

优选的，所述S4步骤中第二单向激光测距传感器安置于水平量测杆中心线一侧，安装角度始终保持固定。

优选的，所述S2步骤中位移传递杆、水平量测杆、锚杆以及竖直杆在同一个量测断面、且与隧道纵向中线垂直，所述的竖直杆、水平量测杆和锚杆的位置变化反映了所在监测点的变形量；所述的传感器对L型钢板或竖直钢板量测的变形量分别表示各监测点的竖直收敛变化和水平收敛变化。

优选的，所述S1步骤中左测点B竖向净空收敛变化由振弦式位移传感器通过L型钢板进行量测，在测点B处，所述的水平量测杆与第二单向激光测距传感器和L型钢板15位置同步变化；在测点C处，所述的水平量测杆与竖直钢板位置同步变化；在测点F和测点G处，所述的锚杆与竖直钢板位置同步变化；在测点A和测点G处，所述的竖直杆与平钢板位置同步变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在测量锚杆所受轴力的同时，还能够将单向激光测距传感器测得的相对高程、双向激光测距传感器测得的距离、振弦式位移传感器测得的变形量相结合，配合一定的计算公式，经预警系统各组成模块间的分工与配合，求得拱顶下沉、地表沉降、周边收敛数值量，以及对隧道安全状态进行预警，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。

附图说明

图1为本发明的监测结构及其监测原理示意图；

图2为本发明的拱顶沉降和周边收敛量测原理图；

图3为本发明的地表下沉量测原理图；

图4为本发明的表面倾斜误差补偿公式量测原理图；

图5为本发明的自动化监测预警系统示意图。

图中：A、拱顶测点；B、左拱腰测点；C、右拱腰测点；F、左边墙测点；G、右边墙测点；1、拱型隧道断面；2、竖直杆；3、支撑杆；4、水平钢板；5、位移传递杆；6、传感器支架；7、接头；8、振弦式位移传感器；9、第一双向激光测距传感器；10、第二双向激光测距传感器；11、配重块；12、第一单向激光测距传感器；13、水平量测杆；14、第二单向激光测距传感器；15、L型钢板；16、锚杆；17、振弦式锚索测力计；18、竖直钢板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供了一种隧道变形监测预警系统，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。

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。

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。

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：

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

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。

一种隧道变形监测方法，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10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14量测L型钢板15的竖向净空收敛变化WyB；采用第一单向激光测距传感器12量测测点D的地表下沉变化V；采用振弦式锚索测力计18量测锚杆10所受轴力变化P；

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；

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算公式：

采用下式可得到实时拱顶下沉量U：

1)U+H

2)H

3)H

4)

5)U＝H

采用下式可得到实时上水平收敛值Wbc：

1)W

2)W

3)W

采用下式可得到实时下水平收敛值Wfg：

1)W

2)W

3)W

采用下式可得到实时道床沉降值V：

1)U+H

2)H

3)H

4)V＝H

S2步骤中左杆502与右杆503通过接头的方式与上杆501连接，可按需拆装。

S7步骤中第二双向激光测距传感器10安置于右杆503一侧端面处。

S4步骤中第二单向激光测距传感器14安置于水平量测杆5中心线一侧，安装角度始终保持固定。

S2步骤中位移传递杆5、水平量测杆13、锚杆16以及竖直杆2在同一个量测断面、且与隧道纵向中线垂直，的竖直杆2、水平量测杆13和锚杆16的位置变化反映了所在监测点的变形量；的传感器对L型钢板15或竖直钢板18量测的变形量分别表示各监测点的竖直收敛变化和水平收敛变化。

S1步骤中左测点B竖向净空收敛变化由振弦式位移传感器8通过L型钢板15进行量测，在测点B处，的水平量测杆13与第二单向激光测距传感器14和L型钢板15位置同步变化；在测点C处，的水平量测杆13与竖直钢板18位置同步变化；在测点F和测点G处，的锚杆16与竖直钢板18位置同步变化；在测点A和测点G处，的竖直杆2与平钢板4位置同步变化。

本发明中，

(1)基于实时拱顶下沉量进行监测预警，具体为：

根据隧道设计规划，设定拱顶下沉量为U0；

1)若U0＜(U/3)，预警指示灯显示绿色，表示隧道正可正常施工；

2)若(U0/3)≤U≤(2U0/3)，预警指示灯显示黄色，表示隧道应加强支护；

3)若U＞(2U0/3)，预警指示灯显示红色且报警器进行报警，表示隧道正处于变形过大，需采取特殊措施。

(2)基于实时周边收敛值W进行监测预警，具体为：

根据隧道设计规划，设定水平收敛值为W0；

1)若W<(W0/5)，预警指示灯显示绿色，表示隧道正处于安全状态；

2)若(W0/5)≤W≤(3W0/5)，预警指示灯显示黄色，表示隧道正处于重点关注，根据实际情况选择是否加固处理；

3)若W>(3W0/5)，预警指示灯显示红色且报警器进行报警，表示隧道正处于变形过大，根据实际情况进行必要的加固处理。

(3)基于智能预警模块中的阈值预警模块和现场预警终端对实时道床沉降量V和锚杆实时轴力值P进行隧道安全状态的监测预警。

在安全期内计算出道床沉降最小值Vmin、道床沉降最大值Vmax；同时计算出非安全期内道床沉降下限值Vlow和道床沉降上限值Vtop；

在安全期内计算出锚杆轴力最小值Fmin、锚杆轴力最大值Fmax；同时计算出非安全期内锚杆轴力下限值Flow和锚杆轴力上限值Ftop。

(4)基于实时道床沉降量V进行监测预警，具体为：

根据隧道设计规划，设定道床沉降阈值区间(Vlow，Vmin)、(Vmin，Vmax)、(Vmax，Vtop)；

1)若V∈(Vlow，Vmin)或V∈(Vmax，Vtop)，预警指示灯显示红色且报警器进行报警，表示隧道正处于危险状态，应采取必要措施。

2)若V∈(Vmin，Vmax)，预警指示灯显示绿色，表示隧道正处于安全状态；

(5)基于锚杆实时轴力变化量P进行监测预警，具体为：

根据隧道设计规划，设定锚杆轴力阈值区间(Flow，Fmin)、(Fmin，Fmax)、(Fmax，Ftop)；

1)若P∈(Flow，Fmin)或P∈(Fmax，Ftop)，预警指示灯显示红色且报警器进行报警，表示隧道正处于变形过大，根据实际情况进行必要的加固处理。

2)若P∈(Fmin，Fmax)，预警指示灯显示绿色，表示隧道正处于安全状态。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。