隧道施工灾害多功能同步监测预警装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置及其使用方法。

技术背景

现代隧道施工中，经常会遇到多种多样的施工灾害，例如塌方、突水、瓦斯爆炸等，为了降低灾害发生的概率，监控量测和超前地质预报是行之有效的方法，也取得了很好的成果。

在隧道监控量测中，数据的实时采集自动传输已经成为一个主流趋势，但是，如何在隧道内同步预警监测结果，缺少相关的预警装置，同时，瓦斯的监测也由单一仪器测量实现，不能做到同步预警，针对以上技术问题，发明一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置及其操作方法。本发明使用模块组装，采用分部封装组合的形式，依靠本发明可以在隧道的开挖过程中，实时在掌子面附近展示监控量测预警等级信息，隧道内瓦斯预警等级信息，以及隧道内的温度、湿度以及含氧量等信息，通过灯光，声音等直观信号对灾害进行实时预警，有危险时，第一时间告知作业面的工人撤离危险源。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置，包括一个控制器，所述的控制器的输入端连接瓦斯传感器、温度传感器、湿度传感器，所述的控制器的输出端连接信息显示屏、矩形信号灯、圆形散射灯；所述的控制器由电源为其供电；所述的信息显示屏安装在一个保护壳内，在保护壳的底部安装有为电源充电的充电接口以及用于显示电量的电量显示器，与控制器相连的无线传输器、网线接口、usb接口。

进一步的，在所述的保护壳的一侧安装固定按钮，用于将整个装置固定在隧道内，该安装固定按钮设置为左侧，方便安装于隧道侧边墙，外伸带孔结构可实现焊接或者螺栓连接两种方式。

进一步的，所述的保护壳侧面还安装有与控制器相连接的矩形信号灯和圆形散射灯，通过不同的灯光颜色，起到传播不同预警等级的功能，矩形信号灯设置在保护壳右侧，正反面设置实现隧道前后方灯光预警提示，圆形散射灯设置也设置保护壳右侧，通过灯光形成一个环形的灯光预警带，矩形信号灯和圆形散射灯形成一个覆盖隧道前后周边的完整的灯光预警带。

进一步的，在所述的保护壳体的底部还安装有声音传播装置；设置到底部防止隧道上部的渗水及飞灰通过喇叭落入仪器内部，对仪器造成损害；声音传播装置对称布置在保护壳体的下部，隧道环境嘈杂，需要设置多个声音传播装置提升语音播报音量，起到语音播报监控预警信息的功能，内凹入仪器；减少飞灰对装置的污染。

进一步的，所述的瓦斯传感器，温度、湿度传感器，配置在仪器后部，面向隧道掌子面一侧，这样有利于测量掌子面的各项物理指标，用于测量隧道内瓦斯浓度，监测隧道内的温度和湿度。

进一步的，所述信息显示屏为led显示屏，可显示温度、湿度、瓦斯含量及预警等级信息，该显示屏设置在仪器前方，可防止隧道爆破开挖中飞石以及喷浆等对显示屏的损坏；

进一步的，所述的显示屏保护盖极薄透明，覆盖在信息显示屏上起到保护信息显示屏的作用，该保护盖可拆卸，可清洗，起到防止隧道上部落水对显示屏的污染及腐蚀破坏；

进一步的，所述的固定扭，可通过焊接，螺栓的方法将该装置固定在隧道边墙上。

进一步的，所述的隧道施工灾害多功能同步监测预警装置，采用模块组装，采用分部封装组合的形式，方便批量化生产。

进一步的，所述的无线传输器，采用高功率多通道的传输器，用于高质量的接收和传送监测预警信息，减少丢包率。

进一步的，所述的网线接口，usb接口，采用多种方式便于监测预警信息的传输；

进一步的，所述的无线传输器，所述的网线接口，usb接口，等外接结构设置在装置的下部，这样可避免因隧道中落水，开挖中的飞灰及喷浆中的浆液等对外接结构的污损，在装置固定在隧道边墙后，下部设置也方便人员对外接设备的安装和检验。

进一步的，所述的矩形信号灯，矩形方便安装，前后对称设置，方便前后传播预警信息。

进一步的，所述的圆形散射灯，具有高透率，在隧道复杂环境内实现预警。

进一步的，所述的圆形散射灯，竖向一字排列在保护壳体的侧面，且设有两排，前后设置。

本发明还提供了一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：针对隧道的特殊环境，购买符合检测精度要求的各种传感器及仪器内各种配件，包括电源，led灯、数据传输配件等，

步骤2：依据本专利制作装置外壳，采取合适的结构，将步骤一中的所有配件及传感器进行系统封装，进行防水，防爆处理后，包装制作成整体，对装置功能进行初步检验；

步骤3：将上述装置与隧道智慧预测-预警系统通过无线或者有线的方式进行连接后，将设备布设在距隧道掌子面一定距离的边墙上，实现隧道内多物理量的同步监测与相关预警信息的实时传递，成为智慧预测-预警系统的一部分。

使用监控量测、超前地质预报等方法对隧道施工进行监测时，为了让工人第一时间了解前方围岩的预报、监测等多参量信息，在隧道不影响施工条件下，本发明使用模块组装，采用分部封装组合的形式，在隧道的开挖过程中，依靠本发明实时在掌子面附近展示监控量测预警等级信息，隧道内瓦斯预警等级信息，以及隧道内的温度、湿度以及含氧量等信息，通过灯光，声音等直观信号对灾害进行实时预警，有危险时，第一时间告知作业面的工人撤离危险源。

本发明的有益效果为：

本发明同步预警装置使用模块组装，采用分部封装组合的形式，实现了隧道内多参量实时数据采集、数据显示，灾害预警的功能，提高了监测预警的效率。

本发明同步预警装置第一时间将隧道内危险信息通知到掌子面的工作人员，最大可能的为工人提供了逃生时间，降低了因通知不利导致的安全风险。

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。

图1为本发明的现场操作示意图；

图2为本发明结构的示意图；

图3为本发明结构的正视图；

图4为本发明结构的右视图；

图5为本发明结构的左视图；

图6为本发明结构的后视图；

图7为本发明结构的下视图；

图中，1信息显示屏，2保护壳，3喇叭，4充电接口，5无线传输器，6电量显示器，7网线接口，8usb接口，9保护盖，10矩形信号灯，11圆形散射灯，12瓦斯传感器，温度、13湿度传感器，14电池及内部电路，15固定扭。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如

背景技术：
所介绍的，现有技术中存在如何在隧道内同步预警监测结果，缺少相关的预警装置，同时，瓦斯的监测也由单一仪器测量实现，不能做到同步预警，针对以上技术问题，发明一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置是非常有必要的。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置及其操作方法。本发明使用模块组装，采用分部封装组合的形式，依靠本发明可以在隧道的开挖过程中，实时在掌子面附近展示监控量测预警等级信息，隧道内瓦斯预警等级信息，以及隧道内的温度、湿度以及含氧量等信息，通过灯光，声音等直观信号对灾害进行实时预警，有危险时，第一时间告知作业面的工人撤离危险源。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-7所示，一种隧道施工灾害多功能同步监测预警装置，包括由信息显示屏1、保护壳2、喇叭3、充电接口4、无线传输器5、电量显示器6、网线接口7、usb接口8、保护盖9、矩形信号灯10、圆形散射灯11、瓦斯传感器12，温度、湿度传感器13、电池及内部电路14，固定扭15；使用模块组装，采用分部封装组合的形式。

控制器安装在内部电路14上，控制器的输入端连接瓦斯传感器、温度传感器、湿度传感器，控制器的输出端连接信息显示屏、矩形信号灯、圆形散射灯；所述的控制器由电源为其供电；

信息显示屏1安装在一个保护壳内，在保护壳的底部安装有为电源充电的充电接口以及用于显示电量的电量显示器，与控制器相连的无线传输器、网线接口、usb接口。

如图2、3、4所示，信息显示屏1，显示屏为led显示屏，可显示温度、湿度、瓦斯含量及预警等级等信息，其上覆盖有极薄透明的保护壳2，起到保护信息显示屏1的作用。

如图2、7所示，改装置底部对称布置一对喇叭3，起到语音播报监控预警信息的功能，内凹入仪器；在接口保护盖9中，布置有两个电池充电接口4，一个高功率多通道的无线传输器5，接收和传送监测预警信息，设置一个电池电量显示器6，设置两个网线接口7，设置3个usb接口8，便于信息的传输。

如图2、3、4所示，该装置右部正反对称设置一个矩形信号灯10和多组对称的高透的圆形散射灯11，将预警等级划分为4个等级，绿色(正常施工)，黄色(注意安全)，橙色(暂停施工)，红色(紧急撤离)，通过灯光信息传播预警等级。

无线传输器5，采用高功率多通道的传输器，用于高质量的接收和传送监测预警信息，减少丢包率。

网线接口7，usb接口8，该装置采用多种数据传输方式便于监测预警信息的传输；

所诉的矩形信号灯10，矩形方便安装，前后对称设置，方便前后传播预警信息。

所诉圆形散射灯11，具有高透率，在隧道复杂环境内实现预警。

如图2、6所示，该装置内部设置瓦斯传感器12，用于测量隧道内瓦斯浓度，设置温度、湿度传感器13，用来监测隧道内的温度和湿度,设置有电池及内部电路14，为该装置供电以及通过电路将所有配件连接形成整体。

如图2、4、5所示，该装置左侧安装一对固定扭15，可焊接，可螺栓将该装置固定在隧道边墙上。

隧道施工灾害多功能同步监测预警装置的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制作、购买同步预警装置各种配件，传感器；

步骤2：制作装置外壳，将所有配件进行封装，形成整体。

步骤3：将该装置与远程自动化监测系统连接配对，通过无线或者有线的方式进行连接，布设在距隧道掌子面一定距离的边墙上，进行实时监测预警。

步骤1：针对隧道的特殊环境，购买符合检测精度要求的各种传感器及仪器内各种配件，包括电源，led灯、数据传输配件等，

步骤2：依据本专利制作装置外壳，采取合适的结构，将步骤一中的所有配件及传感器进行系统封装，进行防水，防爆处理后，包装制作成整体，对装置功能进行初步检验；

步骤3：将上述装置与隧道智慧预测-预警系统通过无线或者有线的方式进行连接后，将设备布设在距隧道掌子面一定距离的边墙上，实现隧道内多物理量的同步监测与相关预警信息的实时传递，成为智慧预测-预警系统的一部分。

智慧预测-预警系统，包括数据采集单元、数据传输单元、数据分析单元和预警单元，其中：所述数据采集单元被配置为采集隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况，以及围岩的图像信息，并上传至数据传输单元；

所述数据传输单元被配置为接收采集信息，将采集信息进行通过无线传输技术传输至数据分析单元；所述数据分析单元被配置为将测得的数据转化，形成时态曲线和空间效应曲线图，并结合曲线图进行回归分析，得到支护结构受力和围岩变形随开挖面推进和时间变化的情况，对变形趋势进行初步预测；

所述预警单元被配置为接收预测结果，根据预测结果设置预警等级，进行预警。

进一步的，所述数据采集单元，包括预制监测套管、爬壁机器人和校准模块，所述预制监测套管与工程围岩紧密锚固，监测隧道与地下工程开挖过程中围岩的变形情况，所述爬壁机器人在工程围岩上自由移动，采集围岩各个位置的图像；所述校准模块埋设在二次衬砌拱腰处，获得围岩稳定时的基准数据。

进一步的，所述预制监测套管，为一圆柱套管，内部设置有位移传感器和定位芯片，分别将围岩位移转换成电信号和确定套管所在位置，以得到围岩变形情况和围岩位移变化情况。

进一步的，所述预制监测套管作为收敛监测点时倾斜一定角度埋入隧道与地下工程开挖边墙内，便于监测隧道与地下工程开挖过程中围岩的变形情况。

优选的，所述倾斜角度为20-40度。

进一步的，所述预制监测套管作为拱顶监测点时垂直埋入隧道与地下工程拱顶处，以监测隧道与地下工程拱顶处垂直方向的围岩变形情况。

进一步的，围岩上设置有钻孔，所述预制监测套管通过锚固在钻孔内与围岩紧密接触。

进一步的，所述爬壁机器人包括机器人本体和设置于机器人本体上的图像采集模块、芯片感应器和远程控制模块，所述芯片感应器与预制监测套管的位移传感器和定位芯片通信，接收其采集的信息，所述远程控制模块远程控制定位芯片的开关，同时接收控制指令，控制机器人本体进行运动。

所述校准模块，包括至少两个后视基准点，所述后视基准点埋设在围岩稳定的二次衬砌拱腰处，以进行数据采集之前的定位工作。

所述后视基准点内置芯片储存后视点坐标信息，并与芯片感应器通信，以获取坐标信息进行定位。

所述数据分析单元，被配置为具有隧道与地下工程风险评价体系，测得的数据转化为位移值，绘制并查看根据监测数据得到的各种时态曲线、空间效应曲线图，对监测数据的分析，对不同种类的灾害进行预警、预报。

所述隧道与地下工程风险评价体系是将隧道与地下工程监控量测信息的智慧感知系统采集的数据处理后通过非线性方法分析该断面的围岩稳定情况，并结合断面围岩监测获取的位移值以及现场开挖时获取的围岩影像资料综合评判围岩的风险等级，指导现场施工。

本发明使用模块组装，采用分部封装组合的形式，以在隧道的开挖过程中，依靠本发明信息显示屏1，喇叭3，矩形信号灯10，圆形散射灯11，瓦斯传感器12，温度、湿度传感器13,实时在掌子面附近展示监控量测预警等级信息，隧道内瓦斯预警等级信息，以及隧道内的温度、湿度以及含氧量等信息，喇叭3，通过矩形信号灯10，圆形散射灯11，灯光，声音等直观信号对灾害进行实时预警，有危险时，第一时间告知作业面的工人撤离危险源。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。