一种隧道断面形变自动化监测预警方法及系统与流程

本发明涉及隧道监测技术领域，特别是涉及一种隧道断面形变自动化监测预警方法及系统。

背景技术：

隧道作为交通线路的控制性工程和隐蔽工程，其建设多见于山区地形起伏较大的区域，通常选址位置的工程地质和水文地质条件复杂、多变，施工和运营过程中遇到的不良地质问题越来越多。在建隧道和运营隧道因不良地质灾害造成的突发事故，成为工程领域一种安全隐患，造成了极大的经济损失和恶劣的社会影响。因此，需要实时对隧道进行监控测量，了解隧道支护结构在不同工况下的受力状态和应力分布，掌握围岩和结构的动态状况和稳定性情况。然而，传统的人工监控方法现场测量频次低，操作繁琐，无法实现全天候的监测和实时判别、预警，尤其无法满足软岩大变形隧道的监测频次需求。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种隧道断面形变自动化监测预警方法及系统，用于解决现有技术中存在的技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种隧道断面形变自动化监测预警系统，包括有：

数据采集模块，包括有激光扫描仪以及综合测试仪；通过调整所述激光扫描仪使激光测线的激光扫描点对准断面上某个测点位置，从而调整单个断面上的扫描点数与所述激光扫描仪、所述隧道轴线之间的夹角；采集所述激光扫描仪所在断面以及相邻断面的围岩变形数据；通过所述综合测试仪采集隧道监控测量参数中的选测参数；其中，所述选测参数包括以下至少之一：锚杆内力、锚杆外力、围岩体内位移、围岩压力、两层支护间压力锚杆轴力、锚杆轴力、支护内应力、衬砌内应力；

数据分析模块，用于对所述围岩变形数据、选测参数进行分析，判断当前时刻围岩变形数据值是否大于第一阈值，以及判断当前时刻选测参数中的测量值是否大于第二阈值；

自动化预警模块，用于按照预警条件进行预警；触发所述预警条件包括以下至少之一：当前时刻围岩变形数据值大于第一阈值、当前时刻选测参数中的测量值大于第二阈值。

可选地，所述第一阈值至少包括预设位移量阈值和预设位移速率阈值；

若当前时刻围岩变形数据中的位移值大于所述预设位移量阈值，或当前时刻所述围岩变形数据中的位移速率大于所述预设位移速率阈值，则所述自动化预警模块进行触发预警。

可选地，所述第二阈值至少包括预设应力阈值、预设应变阈值；

若当前时刻选测参数中的支护内应力或衬砌内应力大于所述预设应力阈值；或当前时刻所述选测参数中的应变值与预设应变阈值超过0.8，则所述自动化预警模块进行触发预警。

可选地，还包括数据存储模块，分别与所述数据采集模块、数据分析模块、自动化预警模块连接，用于存储数据采集结果、数据分析结果以及预警记录。

可选地，还包括有显示模块，与所述数据存储模块连接，用于以图表形式显示所述数据采集结果、数据分析结果，以及显示预警记录。

可选地，还包括有防护罩，所述防护罩提供一容纳空间，所述监测预警系统位于所述容纳空间内。

可选地，还包括活动板，所述活动板安装在所述防护罩上，用于阻挡初支混凝土喷射过程中的混凝土进入所述防护罩。

可选地，通过隧道用防水板制作形成所述活动板。

本发明还提供一种隧道断面形变自动化监测预警方法，包括以下步骤：

通过调整所述激光扫描仪使激光测线的激光扫描点对准断面上某个测点位置，从而调整单个断面上的扫描点数与所述激光扫描仪、所述隧道轴线之间的夹角；采集所述激光扫描仪所在断面以及相邻断面的围岩变形数据；

通过所述综合测试仪采集隧道监控测量参数中的选测参数；其中，所述选测参数包括以下至少之一：锚杆内力、锚杆外力、围岩体内位移、围岩压力、两层支护间压力锚杆轴力、锚杆轴力、支护内应力、衬砌内应力；

对所述围岩变形数据、所述选测参数进行分析，判断当前时刻围岩变形数据中的测量值是否大于第一阈值，以及当前时刻选测参数中的测量值是否大于第二阈值；

确定判断结果是否触发预警条件，并在触发所述预警条件后进行预警；触发所述预警条件包括以下至少之一：当前时刻围岩变形数据中的测量值大于第一阈值、当前时刻选测参数中的测量值大于第二阈值。

如上所述，本发明提供一种隧道断面形变自动化监测预警方法及系统，具有以下有益效果：通过调整所述激光扫描仪使激光测线的激光扫描点对准断面上某个测点位置，从而调整单个断面上的扫描点数与所述激光扫描仪、所述隧道轴线之间的夹角；采集所述激光扫描仪所在断面以及相邻断面的围岩变形数据；通过综合测试仪采集隧道监控测量参数中的选测参数；对围岩变形数据、选测参数进行分析，判断当前时刻围岩变形数据中的测量值是否大于第一阈值，以及当前时刻选测参数中的测量值是否大于第二阈值；确定判断结果是否触发预警条件，并在触发预警条件后进行预警。本发明基于物联网的隧道自动化监控量测预警系统，可以实现全天候、24小时自动化监测预警；通过隧道智能监测数据的实时采集、实时分析、实时预警技术，可为隧道地质灾害的发生和工程处治提前争取响应时间，最大程度地减少灾害事故损失，保障施工隧道和运营隧道安全，具有重要的工程应用价值和巨大的社会和经济意义。

附图说明

图1为一实施例提供的隧道断面形变自动化监测预警系统的连接示意图；

图2为一实施例提供的隧道断面形变自动化监测预警方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种隧道断面形变自动化监测预警系统，包括有：

数据采集模块，包括有激光扫描仪以及综合测试仪；通过调整激光扫描仪使激光测线的激光扫描点对准断面上某个测点位置，从而调整单个断面上的扫描点数与激光扫描仪、隧道轴线之间的夹角；采集激光扫描仪所在断面以及相邻断面的围岩变形数据；通过综合测试仪采集隧道监控测量参数中的选测参数；其中，选测参数包括以下至少之一：锚杆内力、锚杆外力、围岩体内位移、围岩压力、两层支护间压力锚杆轴力、锚杆轴力、支护内应力、衬砌内应力；

数据分析模块，用于对围岩变形数据、选测参数进行分析，判断当前时刻围岩变形数据值是否大于第一阈值，以及判断当前时刻选测参数中的测量值是否大于第二阈值；

自动化预警模块，用于按照预警条件进行预警；触发预警条件包括以下至少之一：当前时刻围岩变形数据值大于第一阈值、当前时刻选测参数中的测量值大于第二阈值。

根据上述记载，本发明中的第一阈值至少包括预设位移量阈值和预设位移速率阈值；若当前时刻围岩变形数据中的位移值大于预设位移量阈值，或当前时刻围岩变形数据中的位移速率大于预设位移速率阈值，则自动化预警模块进行触发预警。具体地，若当前时刻断面上各点实测围岩变形数据中的位移值大于预留变形量或位移速率大于规范规定的1毫米/天时，当满足二者之一时，通过短信推送的方式对相关责任人发送告警信息。其中，第二阈值至少包括预设应力阈值、预设应变阈值；若当前时刻选测参数中的支护内应力或衬砌内应力大于预设应力阈值；或当前时刻选测参数中的应变值与预设应变阈值超过0.8，则自动化预警模块进行触发预警。具体地，实测应力、应变与设计允许值之比大于等于0.8时，通过程序自动计算、分析并判别，通过短信推送的方式对相关责任人发送告警信息。

根据上述记载，在一示例性实施例中，还包括数据存储模块，分别与数据采集模块、数据分析模块、自动化预警模块连接，用于存储数据采集结果、数据分析结果以及预警记录。

根据上述记载，在一示例性实施例中，还包括有显示模块，与数据存储模块连接，用于以图表形式显示数据采集结果、数据分析结果，以及显示预警记录。

根据上述记载，在一些示例性实施例中，还包括有防护罩，防护罩提供一容纳空间，监测预警系统位于容纳空间内。还包括活动板，活动板安装在防护罩上，用于阻挡初支混凝土喷射过程中的混凝土进入防护罩。其中，活动板通过隧道用防水板制作形成。

请参阅图2所示，本发明还提供一种利用上述系统进行隧道断面形变自动化监测预警的方法，包括有：

通过调整所述激光扫描仪使激光测线的激光扫描点对准断面上某个测点位置，从而调整单个断面上的扫描点数与所述激光扫描仪、所述隧道轴线之间的夹角；采集所述激光扫描仪所在断面以及相邻断面的围岩变形数据；

通过所述综合测试仪采集隧道监控测量参数中的选测参数；其中，所述选测参数包括以下至少之一：锚杆内力、锚杆外力、围岩体内位移、围岩压力、两层支护间压力锚杆轴力、锚杆轴力、支护内应力、衬砌内应力；

对所述围岩变形数据、所述选测参数进行分析，判断当前时刻围岩变形数据中的测量值是否大于第一阈值，以及当前时刻选测参数中的测量值是否大于第二阈值；

确定判断结果是否触发预警条件，并在触发所述预警条件后进行预警；触发所述预警条件包括以下至少之一：当前时刻围岩变形数据中的测量值大于第一阈值、当前时刻选测参数中的测量值大于第二阈值。

具体地，(1)根据隧道施工现场揭露的围岩情况和监控测量工作方案，选择合适的位置和既定的参数进行测点布置。对施工过程中的隧道进行自动化监测预警，选测参数应在初期支护施工完成前进行自动化监测测点的布置工作，围岩变形数据应在初期支护施工完成后进行自动化监测测点的布置工作。

(2)现场测点布置时，首先安装监测防护罩，监测防护罩可用木板加工组装，在加工时应预留4个监测系统防护罩固定螺栓孔、1个选测参数测线用预留孔和2个入岩螺纹钢用预留孔。在围岩体上布置监测防护罩前，先用油漆标记各孔的位置，在需要打孔的入岩螺纹钢孔和固定螺栓孔位置用钻孔设备钻孔。钻孔完成后，对监测防护罩进行安装。

(3)在防护罩上安装可活动保护板，活动板可使用隧道用防水板制作，并用铁钉固定，安装保护板可以防止保护罩在初支混凝土喷射过程中混凝土将防护罩填充而影响监测防护罩的使用功能；初支混凝土喷射完成后，取下可活动保护，进行监测设备的安装。

(4)隧道自动化监测预警的必测参数可由隧道边墙位置布置1个激光扫描仪，通过对各个断面的全断面自动扫描完成。

为了保障隧道周边位移和拱顶下沉数据的准确性和稳定性，隧道激光扫描仪和激光扫描仪的位置调整装置固定在入岩螺纹钢上，使得激光扫描仪监测到的数据源自于围岩的位移变化，入岩螺纹钢上焊接有激光扫描仪托举装置，用来固定激光扫描仪和激光扫描仪的位置调整装置，通过螺栓连接器进行连接。激光扫描仪的位置调整装置包括激光扫描仪“上下调整”转轴、激光扫描仪“左右移动”转盘、激光扫描仪“上下调整”旋钮、激光扫描仪固定装置。激光扫描仪“上下调整”转轴用来调节激光扫描仪上下转动，使激光测点能调整到水平位置或拱顶位置；激光扫描仪“左右移动”转盘用来调节激光扫描仪左右转动，使激光测线与隧道轴线垂直；激光扫描仪“上下调整”旋钮用来调整激光扫描仪使其能保持水平位置；激光扫描仪固定装置通过螺栓连接器与激光扫描仪托举装置连接。

将激光扫描仪安装完成后，先调整激光“上下调整”旋钮，使激光扫描仪保持水平位置，再调整“左右移动”转盘，使激光测线与隧道轴线垂直，最后调整激光扫描仪“上下调整”装置，使激光扫描点对准断面上某一个测点位置。一个激光扫描仪测点，通过调整单个断面上的扫描点数和激光扫描仪与隧道轴线的夹角，不仅可以完成激光扫描仪所在位置断面的围岩变形数据，还可以完成激光扫描仪相邻若干断面的围岩变形数据。

(5)隧道自动化监测预警的选测参数包括锚杆内力及外力、围岩体内位移、围岩压力、两层支护间压力锚杆轴力、支护与衬砌内应力。选测参数传感器的预埋应在初支混凝土施工之前，初支混凝土施工完成后，将测点数据线通过监测防护罩的选测参数测线用预留孔，接在综合测试仪上。

(6)还包括将监测系统供电装置和监测系统数据传输装置分别放入监测防护罩中的相应位置，并进行对应的连接。

(7)进入该系统，设置好数据监测频率。采用单次测量的方式，根据系统设置的监测频率，在达到设置的监测时间时，系统自动开启激光扫描探头，发射激光并接收激光束，完成围岩变形数据的数据采集。同时，系统开启综合测试仪，完成选测参数的数据采集。数据采集工作完成后通过数据传输装置自动上传至系统。

对于围岩变形数据，若当前时刻断面上各点实测围岩变形数据中的位移值大于预留变形量或位移速率大于规范规定的1毫米/天时，当满足二者之一时，通过短信推送的方式对相关责任人发送告警信息。对于选测参数，若实测应力、应变与设计允许值之比大于等于0.8时，通过程序自动计算、分析并判别，通过短信推送的方式对相关责任人发送告警信息。

如上所述，本发明提供一种隧道断面形变自动化监测预警方法及系统，通过调整所述激光扫描仪使激光测线的激光扫描点对准断面上某个测点位置，从而调整单个断面上的扫描点数与所述激光扫描仪、所述隧道轴线之间的夹角；采集所述激光扫描仪所在断面以及相邻断面的围岩变形数据；通过综合测试仪采集隧道监控测量参数中的选测参数；对围岩变形数据、选测参数进行分析，判断当前时刻围岩变形数据中的测量值是否大于第一阈值，以及当前时刻选测参数中的测量值是否大于第二阈值；确定判断结果是否触发预警条件，并在触发预警条件后进行预警。本发明基于物联网的隧道自动化监控量测预警系统，可以实现全天候、24小时自动化监测预警；通过隧道智能监测数据的实时采集、实时分析、实时预警技术，可为隧道地质灾害的发生和工程处治提前争取响应时间，最大程度地减少灾害事故损失，保障施工隧道和运营隧道安全，具有重要的工程应用价值和巨大的社会和经济意义。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。