基于毫米波雷达的隧道变形实时监测方法与流程

本发明涉及隧道变形监测领域。更具体地说，本发明涉及基于毫米波雷达的隧道变形实时监测方法。

背景技术：

在山岭隧道或盾构隧道施工过程中，通常采用全站仪进行隧道变形监测，但使用全站仪无法实现隧道实时变形监测的功能，当测点布设较多时，测量人员工作量大，同时存在人工读数误差等影响。鉴于以上缺点，近些年逐步开始有人试行隧道三维激光扫描技术，并同步开发了相应数据处理平台，如专利cn106930784a。采用三维激光扫描可快速进行无接触测量，同时可进行隧道监控量测，实现动态监测的功能，但受隧道内烟雾、粉尘、噪点等影响，采用三维激光扫描其测量精度无法保证，且扫描处理数据量过大，有时仅扫描数据传输和处理就需要花费数小时，无法真正意义上实现隧道实时监控预警功能。因此，针对恶劣施工环境下隧道沉降、收敛变形监测的问题，需要一种具有高穿透力、高精度，同时能够长期、自动监测的装置及方法，以解决现有传统测量难以实现的实时监测问题，实现隧道变形数据高精度采集、实时监测预警，及时为隧道施工提供变形依据，确保隧道施工安全。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供基于毫米波雷达的隧道变形实时监测方法，该方法将毫米雷达波创新性地应用到隧道变形监测中，该方法可实现恶劣环境下隧道实时变形监测并实时监测预警的功能，具有环境适应性强、施工精度高、综合成本低等特点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于毫米波雷达的隧道变形实时监测方法，包括以下步骤：

1)划分区段：将隧道待监测区段划分为区段1、区段2······区段n，每个区段设置多个监测断面；

2)设置雷达信标：在每个监测断面的顶部安装一个竖向雷达信标，在每个监测断面的其中一个水平面安装相对的两个水平雷达信标，同一区段内所有监测断面的水平雷达信标位于同一水平面；

3)设置雷达：每个区段的底部安装一个竖向雷达，与此区段内的所有监测断面的竖向雷达信标对应，每个区段内安装一个或相对设置的一对水平雷达，与此区段内所有监测断面的水平雷达信标对应，水平雷达与与其对应的水平雷达信标位于同一水平面；

4)监测：各竖向雷达和水平雷达分别与数据采集传输仪连接，数据采集传输仪与工作站无线连接，工作站对雷达监测数据进行分析处理，进而得到各监测断面上拱顶竖向位移和净空收敛值。

优选的是，所述步骤2)中，在每个监测断面的另一不同的水平面也相对安装两个水平雷达信标，对应的所述步骤3)中，在每个区段内安装与这两个水平雷达信标对应的一个或相对设置的一对水平雷达，水平雷达与与其对应的水平雷达信标始终位于同一水平面。

优选的是，还包括步骤5)警报：数据采集传输仪将监测的数据传至工作站，工作站将隧道各测点变形数据进行计算分析，得出隧道各测点累计变形随时间变化规律，同时得出各测点变形速率随时间变化曲线图，并分别设定变形速率和累计变形各等级阈值，当变形到达相应阈值时，对应发出相应的警报。

优选的是，所述数据采集传输仪包括顺次连接的供电模块、数据采集模块、数据校验模块、数据存储模块和数据无线传输模块；所述供电模块为所述数据采集模块、数据校验模块、数据存储模块和数据无线传输模块提供驱动电能；所述数据采集模块采集雷达监测数据，并发送至所述数据校验模块进行数据校验，再发送至所述数据存储模块进行保存，所述数据存储模块将所述数据校验模块校验通过的监测数据进行保存，并发送至所述数据无线传输模块，所述数据无线传输模块无线连接工作站，以将由所述数据存储模块接收的监测数据发送至工作站。

优选的是，所述工作站设置有警报模块，当工作站将隧道各测点变形数据进行计算分析后，若超出预设的阈值时触发所述警报模块发出警报。

优选的是，雷达信标边长<10cm，质量<15g。

优选的是，雷达的安装固定是通过雷达支架完成，所述雷达支架为三角架，其顶部固定有固定装置，所述雷达通过固定装置固定，其中，所述固定装置包括：固定本体，其一侧面具有向内凹的缺口，所述缺口为一侧面开口的方体结构，所述缺口的底面具有向下凹陷的凹槽；隔板，其下底面具有向下凸出的凸缘，通过凸缘与凹槽的恰好配合使得所述隔板竖直位于缺口开口的一侧，以使得雷达恰好位于缺口内；调节机构，其为一对且分别位于凹槽的相对两侧，所述缺口底面向下凹陷形成有上大下小的阶梯型通道，所述调节机构包括：滑动块，其恰好位于所述阶梯型通道的上部并可上下自由移动，所述滑动块连接有弹簧，弹簧下端固定于所述阶梯型通道的阶梯上；驱动柱，其恰好位于所述阶梯型通道的下部并可上下自由移动，所述驱动柱上端穿过弹簧内部固定连接滑动块，所述驱动柱靠外的一侧设置为齿条，其啮合有齿轮，所述齿轮设置为只可转动；定位件，其为倒t型，所述定位件位于所述齿轮正上方且下底面设置为与齿轮啮合的齿条，所述定位件上端凸出于所述固定本体上方并转动连接定位板，所述定位板紧贴固定本体上表面设置。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)环境适应性强。毫米雷达波正常工作时受空气中的灰尘、水蒸气的影响非常小，所以在环境复杂的盾构隧道或山岭隧道等施工中也不影响其检测性能，有着较强的适应性。

(2)测量精度高。毫米波雷达的高精度微动测量，可对反射物体±0.054mm微动进行测量，其测量精度高达亚毫米级，完全可以满足隧道变形时的微动测量的需求。

(3)时效性强。采用传统的全站仪对隧道变形进行监测通常间隔几天才进行一次，不能及时有效地对变形超限情况进行预警，而本发明毫米波雷达检测刷新速率高(可>1k次每秒)，为实时监测，不仅可实现变形数据的实时采集，还能通过数据传输模块将监测数据传输至电脑即工作站，可实现隧道变形的动态监测、动态出图、动态预警等功能。

(4)体积小巧。本监测系统体型小巧，不用占据太大空间，对现场施工没有影响。

(5)价格低廉。一台全站仪需要花费数万元，一套毫米波雷达监测系统仅需数千元，成本比全站仪低很多。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明监测系统构成图；

图2为本发明竖向位移监测示意图；

图3为本发明净空收敛监测方案一示意图；

图4为本发明净空收敛监测方案二示意图；

图5为本发明雷达支架的结构示意图；

图6为本发明固定本体的结构简图；

图7为本发明隔板结构示意图；

图8为本发明固定装置的其中一种平面状态图；

图9为本发明固定装置的另一种平面状态图。

附图标记说明：

1、雷达，2、雷达支架，3、雷达信标，4、数据采集传输仪，5、工作站，6、固定本体，7、缺口，8、凹槽，9、滑动块，10、弹簧，11、驱动柱，12、齿轮，13、定位件，14、、定位板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的原理为：待测隧道变形监测主要利用毫米波雷达发射高频电磁波，电磁波经过雷达信标反射后，返回到毫米波雷达，当毫米波雷达位置固定不变，测点的雷达信标位置不变时，到达波的相位应保持不变；当待测点位置发生变化时，此时到达波相位将发生变化(相位干涉测量法)，因此利用相位干涉测量技术可实现不同方向的区域微小变形监测分析(亚毫米级)。

如图1所示，本发明提供一种基于毫米波雷达的隧道变形实时监测方法，包括以下步骤：

1)划分区段：将隧道待监测区段划分为区段1、区段2······区段n，每个区段设置多个监测断面；

2)设置雷达信标3：在每个监测断面的顶部安装一个竖向雷达信标3，在每个监测断面的其中一个水平面安装相对的两个水平雷达信标3，同一区段内所有监测断面的水平雷达信标3位于同一水平面；

3)设置雷达1：每个区段的底部安装一个竖向雷达1，与此区段内的所有监测断面的竖向雷达信标3对应，每个区段内安装一个或相对设置的一对水平雷达1，与此区段内所有监测断面的水平雷达信标3对应，水平雷达1与与其对应的水平雷达信标3位于同一水平面；

4)监测：各竖向雷达1和水平雷达1分别与数据采集传输仪4连接，数据采集传输仪4与工作站5无线连接，工作站5对雷达1监测数据进行分析处理，进而得到各监测断面上拱顶竖向位移和净空收敛值。

在上述技术方案中，首先根据监测要求及地质等条件，例如隧道内易变形的程度以及施工安全评估，对隧道进行监测区段的划分，地质条件较差的断面，如易坍塌的断面进行密集设置，每个监测区段分别由对应设置于其内的竖向雷达1和水平雷达1进行监测并进行数据传输，针对所选取的每个变形监测区段进行监测断面划分，监测断面即隧道的竖向剖面；

其次，根据测量要求布设雷达信标3，一般情况下每个监测断面布设三个雷达信标3，一个监测隧道拱顶的竖向位移的竖向雷达信标3，位于监测断面的顶部，两个监测水平净空收敛的水平雷达信标3，其水平相对设置，一般位于隧道中部两侧，雷达信标3均通过粘贴或其他的固定方式安装在隧道内表面的待测点位置；

再次，本发明所说的雷达1均指的毫米波雷达，其具有一定的测量范围，因此一个雷达1对应多个雷达信标3，监测区段的划分使得其内设置的一个雷达1恰好可以监测到此监测区段内所有的雷达信标3，相当于进行毫米波雷达1与各雷达信标3之间对应和组网，实现隧道变形信息的实时采集和无线传输。例如，一个竖向雷达1与其在的监测区段内所有的竖向雷达信标3对应，如图2所示；而水平雷达1监测净空收敛有两种方案，方案一：将测净空收敛的毫米波雷达1即水平雷达1用雷达支架2架设在与净空收敛监测信标即水平雷达信标3同一高度的稳定基点位置，监测与之正对的水平雷达信标3，每个监测断面设置一个测净空收敛的水平毫米波雷达1，如图3所示；方案二：布置一对水平毫米波雷达1，每个水平毫米波雷达1测量其对面能测量范围的所有水平雷达信标3，获得每个水平雷达信标3与其对应的水平毫米波雷达1的距离和角度关系；再通过两个水平毫米波雷达1的位置关系换算每个监测断面的上一对净空收敛测点的数值，如图4所示；雷达1需要进行固定，通过雷达支架2，避免影响施工车辆的正常通行，同时也是为了稳定雷达1，避免影响监测结果准确性；

最后，将各毫米波雷达1与数据采集传输仪4连接，隧道开挖完成后尽早对各断面监测信标的拱顶位移和净空收敛初始值进行采集；之后对监测信标的拱顶位移和净空收敛持续采集，采集到的数据传输给工作站5，工作站5对雷达1监测数据进行分析处理，进而得到各监测断面上拱顶竖向位移和净空收敛值。

在另一种技术方案中，所述步骤2)中，在每个监测断面的另一不同的水平面也相对安装两个水平雷达信标3，对应的所述步骤3)中，在每个区段内安装与这两个水平雷达信标3对应的一个或相对设置的一对水平雷达1，水平雷达1与与其对应的水平雷达信标3始终位于同一水平面。

在上述技术方案中，为了更好地监测净空收敛，在每个监测断面也可设置五个雷达信标3，即在竖向雷达信标3和一对水平雷达信标3之间的间隔处再设置一对水平雷达信标3，其所在的水平面内自然再设置一个或一对水平雷达1，可通过两个方案用于监测此水平面内的净空收敛。

在另一种技术方案中，还包括步骤5)警报：数据采集传输仪4将监测的数据传至工作站5，工作站5将隧道各测点变形数据进行计算分析，得出隧道各测点累计变形随时间变化规律，同时得出各测点变形速率随时间变化曲线图，并分别设定变形速率和累计变形各等级阈值，当变形到达相应阈值时，对应发出相应的警报。还设置报警功能，可通过多级报警包括邮件、短信、微信、电话及声光报警等方式报警。

在另一种技术方案中，所述数据采集传输仪4包括顺次连接的供电模块、数据采集模块、数据校验模块、数据存储模块和数据无线传输模块；所述供电模块为所述数据采集模块、数据校验模块、数据存储模块和数据传输模块提供驱动电能；所述数据采集模块由雷达采集监测数据，并发送至所述数据校验模块进行数据校验，发送至所述数据存储模块进行保存，所述数据存储模块将所述数据校验模块校验通过的监测数据进行保存，并发送至所述数据无线传输模块，所述数据无线传输模块连接工作站5，以将由所述数据存储模块接收的监测数据发送至工作站5。数据传输模块配置有gprs/wifi/4g无线传输模块，以便数据无线实时传输。所述工作站5还设置有警报模块，当工作站5将隧道各测点变形数据进行计算分析后，若超出预设的阈值时触发所述警报模块发出警报。

在另一种技术方案中，雷达信标3为布设在监测信标位置上与毫米波雷达配合反射电磁信号的电子设备；雷达信标3边长<10cm，质<15g，具有质量轻、价格低廉的特点。

在另一种技术方案中，如图5-9所示，雷达的安装固定是通过雷达支架完成，所述雷达支架为三角架，其顶部固定有固定装置，所述雷达通过固定装置固定，其中，所述固定装置包括：固定本体6，其一侧面具有向内凹的缺口7，所述缺口7为一侧面开口的方体结构，所述缺口7的底面具有向下凹陷的凹槽8；隔板，其下底面具有向下凸出的凸缘，通过凸缘与凹槽8的恰好配合使得所述隔板竖直位于缺口7开口的一侧，以使得雷达恰好位于缺口7内；调节机构，其为一对且分别位于凹槽8的相对两侧，所述缺口7底面向下凹陷形成有上大下小的阶梯型通道，所述调节机构包括：滑动块9，其恰好位于所述阶梯型通道的上部并可上下自由移动，所述滑动块9连接有弹簧10，弹簧10下端固定于所述阶梯型通道的阶梯上；驱动柱11，其恰好位于所述阶梯型通道的下部并可上下自由移动，所述驱动柱11上端穿过弹簧10内部固定连接滑动块9，所述驱动柱11靠外的一侧设置为齿条，其啮合有齿轮12，所述齿轮12设置为只可转动；定位件13，其为倒t型，所述定位件13位于所述齿轮12正上方且下底面设置为与齿轮12啮合的齿条，所述定位件13上端凸出于所述固定本体6上方并转动连接定位板14，所述定位板14紧贴固定本体6上表面设置。

在上述技术方案中，雷达1在雷达支架2上通过固定装置固定后，可稳定完成监测工作，本发明的雷达1有时候需要进行竖向监测，有时候需要进行水平监测，为了使得固定装置不管进行竖向和水平监测时都可使用，并可任意切换两种方式，同时还具有一定的缓冲减震作用，对固定装置进行了结构上的改进，以满足要求。

当需要进行竖向监测时，雷达竖直设置，隔板通过凸缘卡合于凹槽8内，通过隔板使雷达竖向稳定位于缺口7内，此时在隔板的自重作用下，隔板向下压滑动块9，弹簧10处于压缩状态，使滑动块9部分位于阶梯型通道内，定位件13设置为只可水平左右移动，定位件13上端凸出的部分具有较大的盖帽，而定位板14与定位件13连接的端部可通过具有圆孔的杆体连接，圆孔套设于定位件13的盖帽下方，使得定位板14通过圆孔绕定位件13在水平面内转动，以保证定位板14不干涉竖向监测，而在水平监测时，定位板14一方面转动至缺口7处，另一方面通过定位件13的移动使得定位板14覆盖缺口7的面积更大，更好进行定位限位。

当需要进行水平监测时，抽出隔板，将雷达水平放置于缺口7处且其监测端从缺口7的开口侧伸出外部，同时隔板位于雷达上表面；隔板加雷达的重量必然比隔板的重量重，因此，此时弹簧10比竖向监测时向下压缩的更厉害，因此通过驱动柱11向下运动，从而驱动齿轮12转动，并使得定位件13向内侧移动，，进而定位板14相比于竖向监测时向内侧移动的距离更大，保证定位板14覆盖缺口7的面积更大，更好进行定位限位，而弹簧的弹力10设置为使得雷达不挨着缺口7底面，通过弹簧10的作用使得地面或其他情况下发生振动时，雷达具有一定的减震作用；而定位板14套设于定位件13上时，其在固定本体6上表面具有一定的上下活动空间，保证不会影响弹簧10的减震作用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。