专利名称：隧道围岩变形监测方法及其监测系统的制作方法
技术领域：
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本发明涉及一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统。
技术背景-
随着国家建设的快速发展，目前的公路、铁路隧道出现了一些新的特点断面大、隧道 长、地质条件复杂，隧道掘进面前方的不良地层条件极易引起隧道塌方、涌水。这些因素不仅 在技术上给隧道施工带来极大的困难,也常常因突发事故导致人身伤亡、工期延误，从而造成 巨大的经济损失，同时也引起了国家监管部门的高度重视。
如2007年8月16日，铁道部和国家安全生产监督管理总局联合发出"关于宜万铁路野 三关隧道"8. 5"施工重大突水突泥事故的通报"。通报介绍，2007年8月5日凌晨1时左 右，由中国铁道建筑总公司十六局四公司负责施工的宜万铁路野三关隧道(湖北省恩施州境内) I线DK124+602掌子面爆破后，在组织出碴过程中突发突水突泥事故， 一个半小时内突水量 15.1万立方米，泥石量5.35万立方米，正在隧道中作业的52名施工人员被困。为严防类似 事故发生，有关部局提出了要求，"各施工单位要合理配置资源，保证设备配套、人员配齐， 强化监测监控和巡查工作。发现重大事故隐患和地质异常情况，必须认真分析，科学判断， 及时采取有效的工程安全技术防范措施"，"各施工单位要加强隧道围岩量测和综合分析， 坚持把围岩量测纳入工序管理，通过量测及对围岩变形段和变型速率的量测，分析其变形趋 势，为调整支护参数提供充分依据，确保初期支护方案的安全可靠"。
再如2008年11月15日15时20分，浙江省杭州市地铁1号线湘湖站工段施工工地(露 天开挖作业)发生地面塌陷事故，造成在此处行驶的11辆汽车下沉陷落(车上人员2人轻伤， 其余人员安全脱险)，施工人员7人死亡、14人下落不明。经初步分析，此次事故暴露出五 个方面的问题企业安全生产责任不落实，管理不到位；对发现的事故隐患治理不坚决、不 及时、不彻底；对施工人员的安全技术培训流于形式，甚至不培训就上岗；劳务用工管理不 规范，现场管理混乱；地方政府有关部门监管不力。
随着新掘巷道和隧道日益增多，会遭遇到地质水文条件更差的情况。由于缺少先进的综 合科学预测方法，突然塌方及涌水事故所致伤亡人数急剧上升，其惨痛后果触目惊心。准确 监测以减少或避免隧道及巷道重大塌方及涌水事故所造成的伤亡人数和损失，实为当务之 急。
目前隧道变形监测方法1)采用钢尺式收敛计和挂钢尺抄平等接触方式进行量测，该方 法具有成本低、操作简单和适应恶劣施工环境的优点。随着将有越来越多的大跨度隧道的修建，跨度的不断增加使这种监测方法具有明显的局限性，如挂尺困难,对施工干扰大，且难以 保证施工变形监测的精度，测量结果容易受人为因素影响。2)非接触三维观测(无尺量测)。 无尺量测技术在日本、瑞士等国已经应用于地下工程的净空位移量测中。实现的方法大致有 三种； 一、是以多台电子经纬仪为主要设备的三维解析测量；二、是以全站仪为主要设备的 三维变形量测[1 2];三、是以近景摄影机为主要设备的近景变形量测。
但全站仪法由于基准点的物理状态不够稳定，引起测站点坐标误差很大，而观测过程中 又没有进行平差处理，所以观测点的坐标误差〉±1. 0mm。对隧道净空变形监测来说，不能 满足精度要求。且由于量测人员、测量设备、测试元件等各种客观的外界条件等原因，现场获 得的第一手数据不可避免地存在种种误差或错误。
总之，目前国内隧道围岩监测， 一是普遍采用接触类量测手段，效率低下,消耗大量的人 力和财力，且观测效果不佳，存在人为因素影响过大导致监测结果失真的问题；二是有些用较 先进的BJSD-3激光隧道断面检测仪，全站仪等，但不具自动报警功能，不能实时监测，人为 影响也有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统，该方法及其系统有利 于减少和避免隧道、巷道重大塌方所造成的伤亡人数和损失，从而提高施工作业安全。 本发明隧道围岩变形监测方法，其特征在于 所述监测方法如下
(1) 首先将激光器固定于已稳定的隧道围岩内壁上，再在施工隧道内不稳定围岩的初期 支护上安装固定光敏位移信号监测器，所述激光器的信号输出端与光敏位移信号监测器信号 的接收端相对；
(2) 监测时，激光器向隧道内的用以接收激光信号的光敏位移信号监测器发送实时激光 信号，监测过程中光敏位移信号监测器实时向信号处理终端发送不稳定围岩变形位移的监测 数据；
(3) 信号处理终端根据收集来的数据自动分析，当围岩变形位移值达到或超过危险变 形值时，信号处理终端即经报警系统发出报警信号。
本发明隧道围岩变形监测系统，其特征在于包括激光器及光束变换模块、光敏位移信
号采集系统模块、定位与支撑模块和监控及信号处理软件模块、远程无线通讯模块、现场声 光报警系统模块，所述模块都与电源模块相连接，所述激光器及光束变换系统模块发送、激光 束至光敏位移信号采集系统模块，所述光敏位移信号采集系统模块的输出发送至监控及信号 处理系统模块，所述监控及信号处理系统模块信号输出分别至文本显示屏、远程无线通讯模块、现场声光报警系统模块，所述远程无线通讯模块的的输出信号至远程信号接收终端。
本发明显著优点在于能实时监控施工隧道不稳定之围岩的变形情况从而发出于预警信 息以避免事故的发生。
图1为本发明激光器及PSD安装使用状态示意图。 图2为本发明监测系统原理框图。
具体实施例方式
本发明隧道围岩变形监测方法，其特征在于 所述监测方法如下
(1) 首先将激光器固定于己稳定的隧道围岩内壁上，再在施工隧道内不稳定围岩的初期 支护上安装固定光敏位移信号监测器，所述激光器的信号输出端与光敏位移信号监测器信号 的接收端相对；
(2) 监测时，激光器向隧道内的用以接收激光信号的光敏位移信号监测器发送实时激光
信号，监测过程中光敏位移信号监测器实时向信号处理终端发送不稳定围岩变形位移的监测
数据；
(3) 信号处理终端根据收集来的数据自动分析，当围岩变形位移值达到或超过危险变形 值时，信号处理终端即经报警系统发出报警信号。
当围岩变形位移值超过安全变形值但小于加固安全变形值时，信号处理终端发出加固围 岩指令。
当水平收敛(拱脚附近)速度小于0. 2腿/ d，拱部下沉速度小于0.15咖/ d，围岩基本达 到稳定，系统不报警，且信号灯不亮；当水平收敛(拱脚附近)速度大于0.2mm/d,拱部下 沉速度大于O. 15腿/d，且净空变化速度小于5.0ram/d时，围岩处于安全变形阶段，系统不 报警，但信号灯亮起绿灯；当净空变化速度持续大于5.0mm/d时，围岩处于急剧变形秋态，— 应加强初期支护系统，系统发出报警信号，信号灯亮黄灯。当净空变化速度持续大于10.0mm / d时，意外性大，是塌方的前兆，系统发出急促报警信号，信号灯亮起红灯，提示现场操作 人员马上撤离隧道。
上述固定支座为设置在不稳定围岩内壁的初期支护上，所述固定支座连接有用以监测不 稳定围岩变形的光敏位移信号监测器，所述各光敏位移信号监测器分别经信号线与信号处理 终端连接。所述稳定的隧道围岩内壁上也设有固定支座，该固定支座连接有激光器，用以发 射激光束。
上述光敏位移信号监测器是PSD、 CCD或光纤面板。为了实现上述监测方法本发明隧道围岩变形监测系统，包括激光器及光束变换模块、光 敏位移信号采集系统模块、定位与支撑模块和监控及信号处理软件模块、远程无线通讯模块、 现场声光报警系统模块，所述模块都与电源模块相连接，所述激光器及光束变换系统模块信 号下行至光敏位移信号采集系统模块，所述光敏位移信号采集系统模块的输出发送至监控及 信号处理系统模块，所述监控及信号处理系统模块信号输出分别至文本显示屏、远程无线通 讯模块、现场声光报警系统模块，所述远程无线通讯模块的的输出信号至远程信号接收终端。
本发明所采用的方法和系统解决了现有隧道施工作业中的安全性这一重大问题，大大提 供了隧道施工作业的安全系数，从而保障了人们的生命和财产的安全，有利于大面积的推广 实施应用。
权利要求
1、一种隧道围岩变形监测方法，其特征在于所述监测方法如下(1)首先将激光器固定于已稳定的隧道围岩内壁上，再在施工隧道内不稳定围岩的初期支护上安装固定光敏位移信号监测器，所述激光器的信号输出端与光敏位移信号监测器信号的接收端相对；(2)监测时，激光器向隧道内的用以接收激光信号的光敏位移信号监测器发送实时激光信号，监测过程中光敏位移信号监测器实时向信号处理终端发送不稳定围岩变形位移的监测数据；(3)信号处理终端根据收集来的数据自动分析，当围岩变形位移值达到或超过危险变形值时，信号处理终端即经报警系统发出报警信号。
2、 根据权利要求1所述的隧道围岩变形监测方法，其特征在于当围岩变形位移值超过 安全变形值但小于加固安全变形值时，信号处理终端发出加固围岩指令。
3、 根据权利要求1所述的隧道围岩变形监测方法，其特征在于当水平收敛(拱脚附近) 速度小于0.2 rnm/d，拱部下沉速度小于0.15mm / d，围岩基本达到稳定，系统不报 警，且信号灯不亮；当水平收敛(拱脚附近)速度大于0.2 mm/d，拱部下沉速度大于 0.15mm/d，且净空变化速度小于5.0mm/d时，围岩处于安全变形阶段，系统不报警， 但信号灯亮起绿灯；当净空变化速度持续大于5.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态， 应加强初期支护系统，系统发出报警信号，信号灯亮黄灯。当净空变化速度持续大于 10.0mra/d时，意外性大，是塌方的前兆，系统发出急促报警信号，信号灯亮起红灯， 提示现场操作人员马上撤离隧道。
4、 根据权利要求1或2所述的隧道围岩变形监测方法，其特征在于所述固定支座为设 置在不稳定围岩内壁的初期支护上，所述固定支座连接有用以监测不稳定围岩变形的 光敏位移信号监测器，所述各光敏位移信号监测器分别经信号线与信号处理终端连 接。所述稳定的隧道围岩内壁上也设有固定支座，该固定支座连接有激光器，用以发 射激光束。
5、 根据权利要求4所述的隧道围岩变形监测系统，其特征在于所述光敏位移信号监测 器是PSD、 CCD或光纤面板。
6、 一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于包括激光器及光束变换模块、光敏位移信号采集系统模块、定位与支撑模块和监控及信号处理软件模块、远程无线通讯模块、现场声光报警系统模块，所述模块都与电源模块相连接，所述激光器及光束变换系统模块发送激光束至光敏位移信号采集系统模块，所述光敏位移信号采集系统模块的输出发送至监控及信号处理系统模块，所述监控及信号处理系统模块信号输出分别至文 本显示屏、远程无线通讯模块、现场声光报警系统模块，所述远程无线通讯模块的的 输出信号至远程信号接收终端。
全文摘要
本发明涉及一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统，其特征在于所述监测方法如下(1)首先将激光器固定于已稳定的隧道围岩内壁上，再在施工隧道内不稳定围岩的初期支护上安装固定光敏位移信号监测器，所述激光器的信号输出端与光敏位移信号监测器信号的接收端相对；(2)监测时，激光器向隧道内的用以接收激光信号的光敏位移信号监测器发送实时激光信号，监测过程中光敏位移信号监测器实时向信号处理终端发送不稳定围岩变形位移的监测数据；(3)信号处理终端根据收集来的数据自动分析，当围岩变形位移值达到或超过危险变形值时，信号处理终端即经报警系统发出报警信号，该方法及其系统有利于减少和避免隧道、巷道重大塌方所造成的伤亡人数和损失，从而提高施工作业安全。
文档编号G01B11/16GK101458069SQ20081007251
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者王登科, 钱寅星, 黄玉仁, 黄衍堂 申请人:中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司;福州大学