一种隧道塌方落石全自动实时监测‑预警系统与方法与流程

本发明涉及一种隧道塌方落石全自动实时监测-预警系统与方法。

背景技术：

随着“一带一路”发展战略的推进，我国隧道数量越来越多。隧道施工过程中，塌方是常见的围岩失稳破坏模式之一。由于其具有复杂的非线性和突发性等特征，难以预测，已成为隧道施工中一个极为突出的安全隐患，一旦发生塌方事故，将会造成施工困难、机械损毁、工期延误以至人员伤亡等巨大损失，此类隧道工程事故案例屡见不鲜。

监控量测是隧道施工的重要组成部分，从施工角度来说，围岩量测最大的作用就是能够根据变形量、变形速率等信息的变化进行分析和判断，确定相应的施工方案，对隧道的塌方、大变形进行预警，保障施工安全。通过监控量测，了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，判断围岩的稳定性，支护、衬砌的可靠性；弥补理论分析过程中存在的不足，把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、变更支护设计参数；对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然。

目前国内外隧道工程监控量测的方法主要有两种：

1、接触式测量。采用收敛仪量测围岩的水平变形，用水准仪量测拱顶下沉。接触式量测方法的优点是仪器价格便宜，操作简单。

2、非接触式测量。将反射膜片贴在测点处的预埋件上作为测点靶标，采用全站仪自由设站的方法，直接测存各测点的空间三维坐标，将信息导入围岩收敛分析软件进行分析。

相对于接触式测量，非接触式测量操作简单，测量信息精度高，同时具有快速、省力、信息处理自动化程度高等特点。由于测量时需要专业测量人员在隧道内实施作业，测量期间容易和其他施工工序发生冲突；测量时抗施工干扰的能力差；测线易被机械设备等障碍物遮挡；影响施工进度；另外无法对地下工程进行全时段、全过程的量测，无法及时的提供预报预警，不能有效的指导现场施工。

以往的隧道工程内虽然开展了大量的监控量测工作，但是落石、塌方的事故依旧频发，造成了重大的人员伤亡与经济损失。如何在隧道内全自动实时高精度监测-预警，是目前亟待解决的一个技术难题。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种隧道塌方落石全自动实时监测-预警系统与方法，本发明在隧道内通过监测系统自动监测围岩变形信息，无线传输至监测-预警工作室进行信息分析，评价隧道施工的安全等级，根据分析结果对施工进行预警等级分类，指导现场施工，有效的预测隧道发生塌方落石的情况，实现隧道全自动实时监测-预警。本发明解决了隧道监控量测人工测量时效性差，安全评价系统不规范，对隧道塌方落石预测不准确的困难。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种隧道塌方落石全自动实时监测-预警系统，包括信息采集单元、信息传输单元、信息分析单元和预警单元，其中：所述信息采集单元采集隧道内各个断面的图像和视频信息，确定最佳观测位置，对采集信息进行补偿和整平，将处理后的信息通过信息传输单元传输给信息分析单元，信息分析单元对监测信息进行分析，对不同种类的塌方设置预警等级，并根据预警等级进行预报。

所述信息采集单元包括一体化摄像头、可移动轨道和校准模块，一体化摄像头，所述一体化摄像头沿可移动轨道运动，测量不同断面的信息，所述校准模块含有两个后视基准点，埋设在距离掌子面最近的隧道二衬拱腰处，作为信息采集之前的定位基础，所述自动整平模块对采集的信息进行整平，以进行坐标定位。

所述一体化摄像头包括摄像头本体，所述本体包括连接杆，所述连接杆一端嵌套于可移动轨道，另一端连接转动圆盘，所述转动圆盘沿连接杆转动，可实现摄像头360度旋转测量拍照摄像。

所述本体上设置有无线传输模块远程接收控制命令，以控制摄像头移动进行监测。

所述本体为半球体，采用齿轮卡槽连接。

所述可移动轨道位于隧道拱顶，铺设至仰拱处，随隧道开挖进度往前铺设。此处围岩变形稳定，轨道不易变形，测量距离同时满足精度要求。

所述可移动轨道与摄像头采用滚轴连接，一体化摄像头通过远程控制系统可在轨道中前后移动，便于测量不同断面的信息。

所述后视基准点内置芯片储存后视点坐标信息，一体化摄像头获取坐标信息进行测量。

所述信息分析单元内含隧道风险评价体系，通过对监测信息的分析，对不同种类的塌方进行预警、预报，反馈至报警单元，指导现场施工。

所述隧道风险评价体系是将隧道监控量测信息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。

所述预警单元将分析的信息进行预警分级。优选的，等级分为绿色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警。利用不同等级的预警规范施工，将施工风险降低，保障施工安全。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)隧道开挖时，控制一体化摄像头工作；

(2)将一体化摄像头移动至观测最佳位置；

(3)一体化摄像头转动至隧道掌子面后方，通过两个后视点进行坐标定向；

(4)转动一体化摄像头，对监测断面的监测点进行测量，获取监测信息；

(5)对监测信息进行分析，根据分析结果进行预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明采用全自动实时监测系统，该系统是根据隧道检测信息化开发的一个施工监测信息管理平台，具有专业自动预警、预报功能。施工过程中信息采集系统可实现实时高精度自动监测、信息及时传输、服务器后台综合分析、自动进行预警，以全自动仪器采集的监控量测信息为基础，对不同种类的塌方，建立与之相应的指标评价系统，建立一套科学有效的塌方风险等级综合评，指导安全施工。

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是本发明的总体示意图；

图2是本发明的信息采集系统示意图；

图3是本发明的监测模块示意图；

图4是本发明的信息分析系统示意图；

其中，1.全自动实时高精度监测-预警仪器系统，2.信息采集系统，3.信息传输系统，4.信息分析系统，5.预警系统，6.一体化摄像头，7.可移动轨道，8.自动整平模块，9.校核模块，10.信息监测模块，11.监测断面，12.无线传输模块，13.转动轴，14.连接杆，15.现场监测信息，16.监测-预警工作室，17.信息整理，18.信息处理，19.预警等级评价，20.服务器，21.信息分析室，22.远程控制室。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

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，现有技术中存在的无法对地下工程进行全时段、全过程的量测，无法及时的提供预报预警，不能有效的指导现场施工的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种隧道塌方落石全自动实时高精度监测-预警仪器系统与方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种隧道塌方落石全自动实时高精度监测-预警仪器系统，包括由信息采集系统、信息传输系统、信息分析系统、预警系统四部分构成。所述信息采集系统包括一体化摄像头、可移动轨道、校准模块三部分；所述信息传输系统由无线传输的方式将现场采集的信息传输至监测-预警工作室，传输系统内嵌信息采集系统内；所述信息分析系统将现场采集的信息整理和处理，评价隧道施工安全等级；所述预警系统将分析的信息进行预警分级，等级分为绿色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警；所述一体化摄像头可进行信息采集，现场拍照和现场摄像，内嵌无线控制模块，可远程控制摄像头移动进行监测；所述校准模块包括两个后视基准点，可自动校核后视点坐标。

优选的，所述信息采集系统包括一体化摄像头、可移动轨道、校准模块四部分，三部分相互作用，实现隧道内全自动化信息采集工作。

优选的，所述一体化摄像头可同时进行测量拍照摄像，实现监测过程的可视化。

优选的，所述一体化摄像头为柱体和半球体的组合形状，采用齿轮卡槽连接，可实现摄像头360度旋转测量拍照摄像。

优选的，所述一体化摄像头可视距离达到100m，测量精度可以满足监控量测规范要求。

优选的，所述一体化摄像头含有信息测量功能，可以获取测量信息。

优选的，所述可移动轨道位于隧道拱顶，铺设至仰拱处，距离隧道开挖处约50m，随隧道开挖进度往前铺设，此处围岩变形稳定，轨道不易变形，测量距离同时满足精度要求。

优选的，所述可移动轨道与摄像头采用滚轴连接，一体化摄像头通过远程控制系统可在轨道中前后移动，便于测量不同断面的信息。

优选的，所述一体化摄像头与可移动轨道中间有连接杆，使一体化摄像头与轨道连为一体方便摄像头远程控制移动。

优选的，所述校准模块含有两个后视基准点，埋设在距离掌子面最近的隧道二衬拱腰处，隧道围岩稳定，便于信息采集之前的定位工作。

优选的，所述两个后视基准点内置芯片储存后视点坐标信息，一体化摄像头可获取坐标信息进行测量。

优选的，所述信息传输模块内嵌至信息采集系统内，采用无线传输的方式，可以实时将采集信息传输至监测-预警工作室。

优选的，所述监测-预警工作室包括服务器、信息分析室、远程控制室，可进行信息储存、整理、处理、分析，实时将分析结果进行反馈施工，工作过程实现全自动化。

优选的，所述信息分析系统内含隧道风险评价体系，通过对监测信息的分析，对不同种类的塌方进行预警、预报，反馈至报警系统，指导现场施工。

优选的，所述预警系统将分析的信息进行预警分级，等级分为绿色预警、黄色预警、橙色预警、红色预警。利用不同等级的预警规范施工，将施工风险降低，保障施工安全。

优选的，所述预警等级可以通过信息传输系统将预警级别传输至信息采集系统内，指导现场施工。

优选的，所述预警系统在施工达到绿色预警时，可正常施工。

优选的，所述预警系统达到黄色预警时，提醒现场施工注意施工安全。

优选的，所述预警系统达到橙色预警时，预警系统将触发一体化摄像头对掌子面施工进行拍照摄像，警告现场施工，通知专家分析信息异常原因，待信息稳定时可恢复施工。

优选的，所述预警系统达到红色预警时，预警系统将会发出警报，禁止一切人员出入隧道，经专家评判，信息稳定时可恢复施工。

如图3所示，信息监测模块(9)包括一体化摄像头(6)、转动轴(12)、，无线传输模块(12)内嵌至信息采集系统(2)中。

如图4所示，信息分析系统(4)包括信息整理(16)，信息处理(17)，将现场监测信息(14)传输至监测-预警工作室(15)进行信息整理(16)和信息处理(17)，通过信息评价体系将分析结果进行预警等级评价(18)，监测-预警工作室(15)包括服务器(19)，信息分析室(20)，远程控制室(21)三部分组成，服务器(19)可以储存采集的信息。

一种隧道塌方落石全自动实时高精度监测-预警仪器系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：隧道开挖时，在监测-预警工作室(15)通过无线传输模块，控制信息采集系统中一体化摄像头(13)工作；

步骤2：将信息采集系统(2)移动至观测最佳位置准备监测；

步骤3：一体化摄像头(6)转动至隧道掌子面后方，通过校核模块(8)的两个后视点进行坐标定向；

步骤4：转动一体化摄像头(6)，对监测断面(10)的监测点进行测量，获取监测信息(14)；

步骤5：将监测信息(14)通过信息传输系统(3)传输至监测-预警工作室(15)；

步骤6：监测-预警工作室(15)将获取的信息整理处理储存后通过隧道安全评价系统将分析结果传输至预警系统(5)；

步骤7：预警系统(5)根据分析结果将预警等级通过信息传输系统(3)反馈至信息采集系统(2)；

步骤8：重复步骤1至步骤7，观测下一监测断面。

采用后方交会的测量方法精确定位，获取监测仪器的三维坐标信息。

最佳观测位置的确定是在测量位置可以清晰的打到监测点的位置不会出现遮挡。

隧道风险评价体系是将隧道监控量测信息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。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。