一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测装置及其监测方法与流程

本发明涉及拱顶沉降监测领域，特别涉及一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测装置及其监测方法。

背景技术：

从隧道短期运营来看，由于微幅振动幅值较小，短期内不会影响结构和周边环境的安全，因此该问题长期未受到关注，地铁设计中也未有效考虑由于长期微振所带来的危害。随着我国经济建设的突飞猛进和城市化程度的不断提高，地下空间的开发和利用已大力开展，地铁运行所带来的危害日益凸显，尤为突出的是地铁运行所引起的土层沉降问题。土体下沉影响隧道的运营安全和地面建筑物的安全，会造成巨大的经济损失和社会影响，因此需要有相关适用于地铁长期运营导致隧道拱顶的沉降监测，为评估隧道安全性和土层微幅振动下累积沉降问题提供有力技术支撑的相关研究。

技术实现要素：

针对上述背景技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测装置及其监测方法。更具体的涉及机械制造技术、单片机控制技术、机械驱动技术、激光测位技术、无线传输技术，同时还涉及一种与之配套相适宜的监控量测方法，特别适用于对地隧道长期运营的微幅振动导致的隧道拱顶沉降，适合于对监控量测精度、自动化程度要求高的工程：城市地铁隧道长期运营中拱顶沉降监控量测。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测装置，包括：测量装置、测量系统和轨道装置；

所述轨道装置包括：伞型轨道和伞型挂钩；所述伞型轨道由多个具有支路的轨道单元拼接组成，伞型轨道内部为中空的连接空隙，连接空隙内设置有齿轮轨道；伞型轨道上设置有用于与隧道拱顶连接的固定装置；所述伞型挂钩嵌于伞型轨道内部的中空轨道内，伞型挂钩上设置有转动齿轮且内置传动装置；伞型挂钩通过转动齿轮与伞型轨道内的齿轮轨道相啮合；

所述的测量装置设置在伞型挂钩下端，其包括：激光测量盒和PSD读数盒；激光测量盒和PSD读数盒分别设置在不同的伞型挂钩下端用于对隧道拱顶的进行水准测量；

所述的测量系统驱动伞型挂钩在伞型轨道内移动并控制测量装置进行数据采集。

所述的测量系统包括：数据传输系统、数据管理分析系统、警报系统、中控平台；

所述的数据传输系统接收中控平台的指令并将其无线传输至激光测量盒和PSD读数盒中的控制电路中去，同时数据传输系统接收激光测量盒和PSD读数盒采集的数据，并传输数据至数据管理分析系统，

所述的数据管理分析系统对数据传输系统传输的数据进行处理分析，并根据数据生成各类型和项目的数据报表，分析处理的结果发送警报系统；

所述的警报系统根据返回的数据判断是否发生危险并发出警报，并根据危险程度将警报分级。

所述的激光测量盒内部包括：第一控制盒、第一转盘和两对第一对开闸门；两对第一对开闸门设置在第一控制盒的两侧盒面上，第一控制盒包括第一伺服马达及第一控制电路，第一控制电路集成无线传输模块，第一伺服马达通过自带转轴与第一转盘相连，第一转盘上放置激光发生器。

所述的PSD读数盒内部包括：第二控制盒、第二转盘和两对第二对开闸门；第二对开闸门设置在第二控制盒的两侧盒面上，第二控制盒包括第二伺服马达及第二控制电路，第二伺服马达通过自带转轴与转盘相连，第二转盘上放置PSD感光板，第二控制电路集成无线传输模块并内置信号解码模块。

所述的伞型轨道与伞型挂钩之间填充润滑剂。

所述的测量装置通过连接杆设置在伞型挂钩下端，连接杆上部的螺纹状与伞型挂钩下部的螺纹状通过对接卡口相连，连接杆下端与激光测量盒或PSD读数盒相连。

所述的轨道单元包括：固定轨道、标准轨道和分叉轨道，其中，两个分叉轨道相对设置形成具有支路的轨道，具有支路的轨道依次连接标准轨道和固定轨道形成一个轨道单元；各类轨道之间通过轨道连接套筒连接。

所述的固定装置包括用于与隧道拱顶相粘合的贴壁铁板和用于吸附隧道拱顶的橡胶吸盘；橡胶吸盘设置在贴壁铁板外周；贴壁铁板通过固化剂环氧树脂和固化剂与隧道拱顶相粘合。

所述的伞型轨道内部为伞型的连接空隙，外部结构为流线型，所述的伞型挂钩的形状与伞型轨道内部连接空隙形状相匹配。

一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测方法，包括以下步骤：

1)中控平台发出监测指令传输至数据传输系统，并由数据传输系统将控制信号分别传输至激光测量盒中的第一控制电路以控制激光测量盒到伞型轨道的第一位置以及PSD读数盒中的第二控制电路PSD读数盒到伞型轨道的第二位置，并控制第一伺服马达转动，直至激光测量盒中的激光发生器的激光对准PSD读数盒中PSD感光板，并由第二控制电路中信号解码模块读取对应的X、Y坐标，并返回第一坐标数据到数据传输系统，结束一次测量；

2)中控平台发出监测指令传输至数据传输系统，并由数据传输系统控制激光测量盒由第一位置经过第二支路到第三位置，PSD读数盒中的第二控制电路控制第二伺服马达转动PSD感光板角度，直至处于第三位置处的激光测量盒中的激光发生器的激光对准第二位置处PSD读数盒中PSD感光板，并读取对应的X、Y坐标，并返回第二坐标数据到数据传输系统，结束第二次测量；

3)中控平台发出监测指令传输至数据传输系统，并由数据传输系统控制PSD读数盒由第二位置经过第三支路到第四位置，激光测量盒中的第一控制电路控制第一伺服马达转动激光发生器的激光角度，直至处于第四位置处的激光测量盒中的激光发生器的激光对准第三位置处PSD读数盒中PSD感光板，并读取对应的X、Y坐标，并返回第三坐标数据到数据传输系统，结束第三次测量；

4)重复上述交替测量过程，每次测量的结果与上次测量的结果的Y坐标进行对比做差，得到各测点的竖直沉降。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的自动监测装置通过在隧道拱顶设置轨道装置，轨道装置通过特殊的伞型轨道和伞型挂钩的设计，伞型轨道由多个具有支路的轨道单元拼接组成，保证了测试行走依靠其内部的齿轮卡着轨道上的轮印行走，行走稳定性好，定位的稳定性高。将测量系统安装在轨道装置底部进行水准测量；并且通过测量装置进行远程控制，通过上位机的远程控制辅之以有轨测量设备，实现了自动化监测，节省了人力和费用，操作方便和快捷，效率大大提高。实现了隧道长期运营微幅振动影响下的拱顶长期沉降的监测，一次安装后长期稳定使用，大大节约了人力操作的费用和人为可能导致的误差。采用本发明能够大大提高监测的自动化水平，提高监控量测频率及时反馈监测数据反映隧道运营状态，大大降低人力成本，节约资金。

进一步，伞型轨道外部设计成流线型，能够最大限度的降低隧道洞内风对其影响，其上部的贴壁铁板方便轨道安装和拆卸，橡胶吸盘保护了贴壁铁板与衬砌之间环氧树脂混合液凝固直接暴露在空气下，大大提升了轨道的使用寿命。轨道内部的伞型设计充分考虑到了轨道长期使用导致的灰尘卡死轨道和潮湿空气对轨道的腐蚀氧化作用，把轨道保护在其内侧，最小程度的间隙其与空气的接触。

针对伞型轨道特别设计了固定轨道、标准轨道、分叉轨道等不同的轨道形式，且不同的形式轨道可通过轨道连接套筒相互连接，利于在监测节点处将1、2装置二者分离开行动，相互不影响。

进一步，伞型挂钩的设计充分考虑了其与伞型轨道的拼装组合，受力性能良好，行走依靠其内部的四个小齿轮卡着轨道上了轮印行走，行走稳定性好，定位的稳定性高。且其与轨道间的空隙填满润滑油，利于轨道长期稳定使用。挂钩下端设置螺纹可以通过对接卡口与连接杆连接，便于连接杆下的盒子安装和检修。

进一步，PSD读数盒和激光测量盒都设有对开闸门，利于内部的设备保护。且，二者的控制盒都集成了伺服马达和控制电路，其中控制电路集成数据采集模块便于与上位的数据传输系统进行信息传输和指令实施。其二者内部的伺服马达转动精度高，转动速度快，并且每次转动的角度都可以由上位机控制，保证了每次测量都与上次测量角度相同，提高监测效率。

进一步的，监测系统中数据传输系统可以实现隧道内部的无线通信，避免了繁琐的线路搭接问题，检测到的数据都可以第一时间通过数据管理分析系统处理，并反馈给报警系统和中控平台。交互性好、即时性强，能够便于工作人员实时查看隧道拱顶变形情况。

本发明的监测方法，该装置通过中控平台发出的指令，通过数据传输系统传输到隧道中的激光测量盒和PSD读数盒，并通过内置的无线通信模块和单片机控制激光测量盒和PSD读数盒的移动达到自动监测的目的，其测量原理与普通的水准测量类似，但是辅助以无线控制技术、激光测量技术等现代化的手段，实现了隧道长期运营微幅振动影响下的拱顶长期沉降的监测，一次安装后长期稳定使用，大大节约了人力操作的费用和人为可能导致的误差。采用本发明能够大大提高监测的自动化水平，提高监控量测频率及时反馈监测数据反映隧道运营状态，大大降低人力成本，节约资金。

【附图说明】

图1是有轨自动监测装置；

图2是激光发射盒示意图；

图3是PSD测量盒示意图；

图4a是固定轨道的侧视图；图4b是固定轨道的正视图；图4c是固定轨道的俯视图；

图5a是伞型轨道的标准轨道图；图5b是伞型轨道的分叉轨道图；图5c是伞型轨道的连接套筒图；

图6是伞型轨道连接图；

图7是隧道拱顶轨道安装示图；

图8是测量原理示意图；

图9是监测系统原理图；

图中：1.激光测量盒、2.PSD读数盒、3.连接杆、4.对接卡口、5.伞型轨道、6.伞型挂钩、7.连接空隙、8.转动齿轮、9.齿轮轨道、10.齿轮轴、11.贴壁铁板、12.橡胶吸盘、13.第一对开闸门、14.第一控制盒、15.第一转盘、16.激光发射器、17.第一伺服马达、18.第一控制电路、13’.第二对开闸门、14’.第二控制盒、15’.第二转盘、17’.第二伺服马达、18’.第二控制电路、19.PSD感光板、20.轨道连接套筒、21.数据传输系统、22.数据管理分析系统、23.警报系统、24.中控平台、25.固定轨道、26.标准轨道、27.分岔轨道。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选施例中详细说明具体的细节。

如图9所示，本发明一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测装置，包括：测量装置A、测量系统B和轨道装置C。轨道装置C包括：伞型轨道5和伞型挂钩6；测量装置A包括：激光测量盒1、PSD读数盒2；测量系统B包括：数据传输系统21、数据管理分析系统22、警报系统23和中控平台24。

如图4a～4c所示，伞型轨道5上设有齿轮轨道9和连接空隙7，特别地，固定轨道25、分叉轨道27上特定部位含有表面粗糙的贴壁铁板11和橡胶吸盘12。固定轨道25、分叉轨道27上部贴壁铁板11与隧道拱顶相粘合，使轨道安装在隧道拱顶，此外，橡胶吸盘12压缩后起到吸附隧道拱顶作用。伞型轨道5内部为雨伞型，力学性能良好，稳定性强，同时防止灰尘进入导致的轨道卡死失灵等故障。其上部突出的部分为贴壁铁板11，其曲率与隧道拱顶处相同，便于与隧道贴合。与隧道粘合采用环氧树脂和环氧树脂固化剂(环氧树脂与隧道衬砌直接接触，故采用如多胺、双氰双胺等碱性固化剂)混合的办法，保护衬砌混凝土、保证粘合速度、便于安装固定，同时保证粘合的质量和耐久性。其上部的橡胶吸盘12用于轨道安装过程中贴壁铁板11涂抹混合剂后吸附隧道衬砌，利于轨道安装，且保证混合剂粘合和使用过程中灰尘进入对粘合剂效果的影响，增强使用寿命。在拆卸装置过程中可以首先让橡胶吸盘12内进入空气，然后橡胶吸盘12注入环氧树脂溶剂，便于盛放溶剂与凝固后的环氧树脂反应，避免送机洒落对人损害和和隧道内环境破坏，该设计利于装置拆卸维修。其下部设有齿轮轨道9，便于伞型轨道5运动。

如图5a～5c所示，伞型轨道5内部中空如伞，外部设计成流线型，由热膨胀系数小的材料制作而成。所述伞型轨道5由多个具有支路的轨道单元拼接组成，伞型轨道5内部为中空的连接空隙7，连接空隙7内设置有齿轮轨道9；轨道单元包括：固定轨道25、标准轨道26和分叉轨道27，其中，两个分叉轨道27相对设置形成具有支路的轨道，具有支路的轨道依次连接标准轨道26和固定轨道25形成一个轨道单元；各类轨道之间通过轨道连接套筒20连接。

如图4a～4c所示，伞型挂钩6嵌于伞型轨道5内部，形态与后者内部空隙形状相似，伞型挂钩6包括：转动齿轮8、齿轮轴10且内置传动装置，其下部呈螺纹状。如图1所示，伞型挂钩6通过转动齿轮8与伞型轨道5的齿轮轨道9相连。伞型轨道5与伞型挂钩6之间采用润滑剂填充。伞型挂钩6包括：转动齿轮8、齿轮轴10且内置传动装置，其下部呈螺纹状，便于与下部的连接杆3通过对接卡口4连接，伞型挂钩设置成伞型增强了受力稳定性，其形态与伞型轨道5内部空隙形状相似，且嵌于其内部，增强了与伞型轨道5的贴合性。伞型挂钩6通过转动齿轮8与伞型轨道5的齿轮轨道9相连，伞型挂钩6下设有4个转动齿轮8(前后各两个)，增强伞型挂钩6运动稳定性。

伞型轨道5包括：固定轨道25、标准轨道26、分叉轨道27。如图6所示，各类轨道之间通过轨道连接套筒20连接。

如图1和图3所示，连接杆3上部的螺纹状与伞型挂钩6下部的螺纹状通过对接卡口4相连。连接杆3下端与激光测量盒1或PSD读数盒2相连。方便其下部的激光测量盒1或PSD读数盒2安装与拆卸检修。其中，激光测量盒1包括：两对对开闸门13、控制盒14转盘15、激光器16。所述对开闸门13安设在控制盒的两侧盒面上，所述控制盒14包括伺服马达17、控制电路18，控制电路18集成无线传输模块，可与上位机数据传输。伺服马达17通过自带转轴与转盘15相连，转盘15上放置激光发生器16。

激光测量盒1两对对开闸门13可以接收控制盒14的指令，在监测工作进行的时候保持打开状态，便于工作且减少不必要光线摄入影响PSD感光板19工作，在监测工作结束的时候保持闭合状态，加强对激光测量盒1的防尘土、隔湿保护。控制盒14内把伺服马达17与控制电路18集成，控制电路18接收中控平台24的指令并通过内置单片机执行伞型挂钩6即激光测量盒1的运动，并在到指定的位置后精确停下来，并能够保证每次停留下来的位置与前次相同。所述伺服马达17受控制电路18控制转盘15转动，从而带动激光器16转动到指定的方向，所述伺服马达17可把电压信号转化为转矩和转速以驱动控制，转动精度高转动速度快，并且控制电路18可以记录并存储转动角度，以便后续操作，控制电路18集成无线传输模块便于数据交流。

PSD读数盒2与所述激光测量盒1大体相似，不同的是在所述PSD读数盒2的转盘15上放置PSD感光板19，同时其控制电路18’还特别地内置了信号解码模块。具体地，PSD读数盒2内部包括：第二控制盒14’、第二转盘15’和两对对开第二闸门13’；第二闸门13’设置在第二控制盒14’的两侧盒面上，第二控制盒14’包括第二伺服马达17’及第二控制电路18’，第二伺服马达17’通过自带转轴与转盘15’相连，第二转盘15’上放置PSD感光板19，第二控制电路18’集成无线传输模块并内置信号解码模块。PSD感光板19可根据实际的要求选择一维的PSD-2534、PSD-0375等或者二维的PSD-2121、PSD-2727、PSD-6060等型号，并在控制电路18中配备相对应的数据采集卡，以便对环境中的光源进行处理，并识别电信号的数据。激光测量盒1发射的激光照准在PSD读数盒2中PSD感光板19上，可以立即反馈出此时光斑的X、Y坐标，并传输至数据管理分析系统22，多次测量对比做差可以得到隧道长期运营过程中的拱顶沉降情况。

数据传输系统21可以接收中控平台24的指令并将其无线传输至激光测量盒1和PSD读数盒2中的控制电路18中去，同时接收激光测量盒1和PSD读数盒2中的反馈数据，并传输至数据管理分析系统22，数据管理分析系统22负责对数据传输系统21传输的数据进行处理分析，并根据数据的情况可以自动生成各项数据的历史变化量、日变化量、周变化量、月变化量、季变化量数据，并与预设的阀值相比。各数据以表格和折线图的形式显示出来，也可以根据用户要求输出相应内容，通过软件预设可以将指定数据发送给工作人员。系统可以把数据以*.Txt和*.xls等格式导出，工作人员也可以导出制定的数据。系统也可以将做好的*.Txt和*.xls格式文件导入，并进行分析处理。分析处理的结果通过警报系统23，根据返回的数据判断是否发生危险并发出警报，并根据危险程度将警报分级为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。警报内容包括：警报等级、危险断面位置、部分实测数据、初步的预判警报原因和处理意见。警报分为语音和文字俩种方式：语音警报将响铃以提示危险发生；文字报警以邮件、手机短信等形势向监测部门和各个相关部门的电脑、手机终端显示。隧道运营正常无警报发出时，监测部门和各管理部门可以通过电脑、手机终端登陆该系统查看实时监控数据，包括拱顶沉降曲线、沉降最大值、衬砌安全系数和历史警报等信息。

一种免钻孔安装的隧道拱顶伞型轨道装置的安装方法，包括以下步骤：

1)确定安装固定轨道25和分叉轨道27的位置并做隧道拱顶清灰处理。为保证轨道受力性能良好，原则上1-2m可以安装一个固定轨道25或分叉轨道27，以使轨道固定。

2)在固定轨道25和分叉轨道27的贴壁铁板11上涂抹环氧树脂和固化剂，采用多胺、双氰双胺等碱性固化剂。

3)涂抹环氧树脂和固化剂的11固定轨道和13分叉轨道分别粘在确定的位置，同时向上顶压橡胶吸盘，让吸盘吸附隧道衬砌。

4)固定轨道25和分叉轨道27端头安装轨道套筒20。

5)将预制好对应长度的标准轨道26安装在两个固定点的轨道套筒20上，安装完毕。

参见图8和图9，一种基于PSD的隧道运营期有轨自动监测方法，包括以下步骤：

1)中控平台24发出监测指令传输至数据传输系统21，并由数据传输系统将控制信号分别传输至激光测量盒1中的控制电路18以控制激光测量盒1到位置P1以及PSD读数盒2中的控制电路18’PSD读数盒2到位置P2，并控制伺服马达17转动，直至激光测量盒1中的激光发生器16的激光对准PSD读数盒2中PSD感光板19，并由控制电路18’中信号解码模块读取对应的X、Y坐标，并返回到数据传输系统21中去，此结束一次测量。

2)中控平台24发出监测指令传输至数据传输系统21，并由数据传输系统分别控制激光测量盒1由位置P1经过支路L2到位置P3和PSD读数盒2中的控制电路18’控制伺服马达17’转动PSD感光板19角度，直至处于位置P3处的激光测量盒1中的激光发生器16的激光对准位置P2处PSD读数盒2中PSD感光板19，并读取对应的X、Y坐标，并返回到数据传输系统21中去，此结束第二次测量。

3)中控平台24发出监测指令传输至数据传输系统21，并由数据传输系统分别控制PSD读数盒2由位置P2经过支路L3到位置P4和激光测量盒1中的控制电路18控制伺服马达17转动激光发生器16的激光角度，直至处于位置P4处的激光测量盒1中的激光发生器16的激光对准位置P3处PSD读数盒2中PSD感光板19，并读取对应的X、Y坐标，并返回到数据传输系统21中去，此结束第三次测量。

4)重复上述交替测量过程，每次测量的结果与上次测量的结果的Y坐标进行对比做差，可以得到各测点的竖直沉降，X坐标可以辅助判定1、2中的伺服马达17需要微调的角度。

本发明能解决监控量测技术人员过多而造成的较高的人力成本问题；能解决受自动化水平低而导致的监控量测频率低的问题；能解决监控量测精准度不理想导致的测量数据不理想的问题；可以真实精准的反映隧道长期在微幅振动下的拱顶长期沉降问题。采用本发明能够大大提高监测的自动化水平，提高监控量测频率及时反馈监测数据隧道运营情况，大大降低人力成本，节约资金。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。