一种隧道安全监测系统的制作方法

本申请涉及隧道安全监测技术领域，更具体地说，涉及一种隧道安全监测系统。

背景技术：

隧道是在地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，存在许多潜在、无法预知的地质因素，属于线状工程，有的规模较大，可长达几公里数十公里，往往穿越许多不同的环境空域和时域，工程条件往往比较复杂，有时环境十分恶劣，稍有不甚，就会造成塌方、沉陷、突泥涌水、支护结构变形、人员和设备伤害等，等进而严重影响隧道安全。为了确保隧道工程安全、及时预报险情，建立监测系统对隧道工程监测、评估和预测以趋利避害，已成为现代隧道工程发展的迫切需求。

传统的隧道安全监测方法是在隧道每个监测点位置布置预埋件并在其上粘附靶标，使用全站仪测量靶标空间位置坐标，通过计算得出靶标的位置变化数值，进而得出隧道拱顶下沉和隧道净空变化。

传统的隧道监测方法需要工作人员在现场操作全站仪，其测量精度受人员操作的影响，且测量时间长、无法实现数据的实时测量。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供了一种隧道安全监测系统，用于解决现有工作人员使用全站仪对隧道进行监测，其测量精度受人员操作影响、测量周期长且无法实现实时测量的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种隧道安全监测系统，在隧道内沿隧道开挖方向上设置有若干个监测断面，该隧道安全监测系统包括：

设置于每一监测断面的第一测点上的若干组测距仪，以及与各测距仪连接的通信模块，与所述通信模块连接的监控平台；

每一监测断面的第一测点上设置的若干组测距仪中，设置第一组测距仪的测距方向为水平方向；设置第二组测距仪的测距方向对准所述监测断面的拱顶测点；针对所述监测断面的第一测点上设置的第三组测距仪，若所述监测断面并非隧道施工过程中所需监测的首个监测断面，则设置所述第三组测距仪的测距方向对准所述监测断面的前一相邻监测断面的拱顶测点；若所述监测断面为隧道施工过程中所需监测的首个监测断面，则设置所述第三组测距仪的测距方向对准位于所述监测断面前的后视固定测点；其中，所述前一相邻监测断面至所述监测断面的方向为所述隧道开挖方向；

每一监测断面的第一测点上设置的测距仪将测量值通过所述通信模块发送至所述监控平台，由所述监控平台根据接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉。

优选地，所述监控平台根据接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化，包括：

监控平台根据每一监测断面的第一测点处设置的第一组测距仪在前后两个不同时刻的测量值，计算前后两个测量值的差值，结果作为该前后两个时刻内所述监测断面的第一测点处的隧道净空变化。

优选地，监控平台根据接收的各测量值计算首个监测断面的拱顶下沉，包括：

监控平台根据隧道施工过程中所需监测的首个监测断面的第一测点处设置的第三组测距仪在前后两个不同时刻的测量值l1和l1′，计算前后两个时刻内所述首个监测断面的第一测点处的下沉Δ1为：

Δ1＝(l1-l1′)*cosθ1；

其中，θ1为首个监测断面的第一测点处设置的第三组测距仪的测距方向与竖直方向夹角；

监控平台确定前后两个时刻内所述首个监测断面的拱顶下沉Δ2为：

Δ2＝{l2-[l2′-Δ1/sin(θ2-90°)]}*sin(θ2-90°)

其中，l2和l2′为首个监测断面的第一测点处设置的第二组测距仪在前后两个不同时刻的测量值，θ2为首个监测断面的第一测点处设置的第二组测距仪的测距方向与竖直方向夹角。

优选地，监控平台根据接收的各测量值计算非首个监测断面的拱顶下沉，包括：

监控平台根据隧道施工过程中所需监测的非首个监测断面的每一目标监测断面的第一测点处设置的第三组测距仪在前后两个不同时刻的测量值l3和l3′，以及前后两个时刻内所述目标监测断面的前一相邻监测断面的拱顶下沉Δx，确定前后两个时刻内所述目标监测断面的第一测点处的下沉Δ3：

Δ3＝{l3′-[l3-Δx/sin(θ3-90°)]}*sin(θ3-90°)

其中，θ3为目标监测断面的第一测点处设置的第三组测距仪的测距方向与竖直方向夹角；

监控平台确定前后两个时刻内所述目标监测断面的拱顶下沉Δ4为：

Δ4＝{l4-[l4′-Δ3/sin(θ2-90°)]}*sin(θ2-90°)

其中，l4和l4′为目标监测断面的第一测点处设置的第二组测距仪在前后两个不同时刻的测量值。

优选地，还包括：

设置于每一监测断面的第二测点上的第四组测距仪，设置该第四组测距仪的测距方向为水平方向，其中，第二测点不同于第一测点；

与所述第四组测距仪相连的通信模块，用于将所述第四组测距仪的测量值发送至所述监控平台，由所述监控平台计算各监测断面的第二测点处的隧道净空变化。

优选地，还包括：

设置于每一监测断面的拱顶测点以及所述第一组测距仪在所述监测断面上的投射点处的靶标；以及，设置于所述后视固定测点的靶标。

优选地，所述测距仪为激光测距仪。

优选地，所述通信模块为无线通信模块。

从上述的技术方案可以看出，本申请实施例提供的隧道安全监测系统，在隧道内沿隧道开挖方向上设置有若干监测断面，系统包括设置于每一监测断面的第一测点上的若干组测距仪，以及与各测距仪连接的通信模块，与所述通信模块连接的监控平台；每一监测断面的第一测点上设置的若干组测距仪中，设置第一组测距仪的测距方向为水平方向；设置第二组测距仪的测距方向对准所述监测断面的拱顶测点；针对所述监测断面的第一测点上设置的第三组测距仪，若所述监测断面并非隧道施工过程中所需监测的首个监测断面，则设置所述第三组测距仪的测距方向对准所述监测断面的前一相邻监测断面的拱顶测点；若所述监测断面为隧道施工过程中所需监测的首个监测断面，则设置所述第三组测距仪的测距方向对准位于所述监测断面前的后视固定测点；其中，所述前一相邻监测断面至所述监测断面的方向为所述隧道开挖方向；每一监测断面的第一测点上设置的测距仪将测量值通过所述通信模块发送至所述监控平台，由所述监控平台根据接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉。本申请通过在监测断面上设置三组测距仪，不同组测距仪测量不同的数据，通过通信模块发送给监控平台后，由监控平台利用接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉。本申请不需要人工现场测量，测量结果不受人工操作影响，且测量速度快、能够实现实时测量，计算得到的监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉也更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种隧道安全监测系统结构示意图；

图2示例了隧道内设置的若干个监测断面示意图；

图3示例了隧道内设置的三个监测断面示意图；

图4示例了t1时刻至t2时刻，监测断面1正视图的变化情况示意图；

图5示例了t1时刻至t2时刻，监测断面1侧视图的变化情况示意图；

图6示例了t1时刻至t2时刻，监测断面1和监测断面2侧视图的变化情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

《铁路隧道监控量测技术规程》(Q/CR9218-2015)中规定了，需要测量隧道监测断面的隧道净空变化及拱顶下沉。为此，本申请提供了一种隧道安全监测系统，如图1所示，该系统包括：

设置于隧道内的若干组测距仪11，以及与测距仪11相连的通信模块12，与所述通信模块12相连的监控平台13。

结合图2对测距仪设置方式进行介绍：

图2示例了隧道内设置有若干个监测断面，沿隧道开挖方向监测断面依次为M1、M2……

在每一监测断面的拱腰部位设置有第一测点O1。第一测点O1处设置有三组测距仪，分别为第一组测距仪、第二组测距仪和第三组测距仪。其中，每组测距仪至少包括一个测距仪。

针对每一监测断面，其中第一组测距仪的测距方向为水平方向，即对准监测断面的拱腰另一侧与第一测点O1相同标高位置处。第二组测距仪的测距方向对准监测断面的拱顶测点。

第三组测距仪的测距方向与所在监测断面有关，如果监测断面是隧道施工过程中所需监测的首个监测断面，即M1监测断面，则设置所述第三组测距仪的测距方向对准位于所述监测断面前的后视固定测点。该后视固定测点可以是仰拱面，即图2中P点所在平面。其中，仰拱面为处于稳定状态的平面，其不存在下沉的可能。后视固定测点还可以是后视点平台装置，其处于已完工仰拱填充上方，处于稳定状态。进一步，后视固定测点还可以是该首个监测断面前已处于稳定状态的相邻监测断面的拱顶测点。

如果监测断面并非隧道施工过程中所需监测的首个监测断面，即非M1监测断面，则设置其上的第三组测距仪的测距方向对准所述监测断面的前一相邻监测断面的拱顶测点。其中，前一相邻监测断面至所述监测断面的方向为所述隧道开挖方向。如图2中M2监测断面为例，M2上第一测点设置的第三组测距仪对准M1监测断面的拱顶测点。再以M3为例进行说明，M3上第一测点设置的第三组测距仪对准M2监测断面的拱顶测点。

其中，第一组测距仪的测量结果用于确定监测断面的第一测点处的隧道净空变化。第二组测距仪和第三组测距仪的测量结果用于确定监测断面的拱顶沉下沉

进一步，每一监测断面的第一测点上设置的测距仪11将测量值通过所述通信模块12发送至所述监控平台13，由所述监控平台13根据接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉。

本申请通过在监测断面的设置三组测距仪，不同测距仪测量不同的数据，通过通信模块发送给监控平台后，由监控平台利用接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉。本申请不需要人工现场测量，测量结果不受人工操作影响，且测量速度快、能够实现实时测量，计算得到的监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉也更加准确。

可选的，对于隧道内监测断面的设置方式，可以根据隧道结构不同而调整。若组成隧道的围岩为V级围岩，则可以每隔5m设置一监测断面，若组成隧道的围岩为IV级围岩，则可以每隔10m设置一监测断面。

可以理解的是，每个测距仪可以通过万向底座来调整角度，已达到上述介绍的测距方向。

可选的，本申请的测距仪可以采用激光测距仪，激光测距仪采用相位比较原理进行测量。激光测距仪发射不同频率的可见激光束，接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，最后，用微处理器计算出相应相位偏移所对应的物体间距离，目前可以达到1mm级测量精度。

在上述基础上，本申请还可以在每一监测断面的拱顶测点以及所述第一组测距仪在所述监测断面上的投射点处设置靶标，即在监测断面拱腰另一侧与所述第一测点相同标高位置处设置靶标。

进一步，还可以在后视固定测点设置靶标。以减少隧道表面不平整对测量结果的影响。其中，靶标可以是平板。

可选的，上述与测距仪相连的通信模块可以是无线通信模块，避免隧道内布线影响施工。该无线通信模块可以分为两部分，一部分是设置于隧道内部的第一无线通信子模块，另一部分是设置于隧道外的第二无线通信子模块。其中，第一无线通信子模块与隧道内的测距仪相连，通过隧道内局域网将测距仪的测量结果发送至隧道外的第二无线通信子模块。第二无线通信子模块通过物联网把测量结果发送至远端的监控平台。

进一步可选的，参见图2可知，本申请还可以在监测断面的拱腰上设置第二测点O2，在第二测点处设置第四组测距仪，设置该第四组测距仪的测距方向为水平方向，即对准所述监测断面的拱腰另一侧与所述第二测点相同标高位置处。同时，还需要设置与所述第四测距仪相连的通信模块，用于将所述第四测距仪的测量值发送至所述监控平台，由所述监控平台计算各监测断面的第二测点处的隧道净空变化。

其中，第二测点与第一测点位置不同，第二测点处的第四测距仪的测量结果，用于计算监测断面在第二测点处的隧道净空变化。

可选的，第二测点的个数可以是一个或多个，具体根据需要而设定。

接下来的实施例中，对监控平台根据接收的各测量值计算各监测断面的第一测点处的隧道净空变化及拱顶下沉的过程进行介绍。

对于隧道内各监测断面上第一测点的隧道净空变化，其计算方式均相同。具体包括：

以各组测距仪均只包含一个测距仪为例(每组测距仪若包含多个测距仪，则将该多个测距仪的测量值求平均值)，根据每一监测断面的第一测点处设置的第一测距仪在前后两个不同时刻的测量值，计算前后两个测量值的差值，结果作为该前后两个时刻内所述监测断面的第一测点处的隧道净空变化。

参见图3所示：

图3中示例了沿隧道开挖方向上依次分布的三个监测断面：监测断面1-3。其中，监测断面1第一测点B处设置三台距仪，分别测量BC间距、BD间距和BA间距。监测断面2第一测点E处设置三台测距仪，分别测量EF间距、EG间距和ED间距。监测断面3第一测点H处设置三台测距仪，分别测量HI间距、HJ间距和HG间距。其中，从监测断面2至监测断面n，每一监测断面的第一测点处设置的第三测距仪的测距方向相同，也即测距仪的角度相同，均是对准前一相邻监测断面的拱顶测点并保持不变。

结合图4示例的t1时刻至t2时刻，监测断面1正视图的变化情况，t1时刻至t2时刻间，监测断面1在B点处的隧道净空变化Δ0为：

Δ0＝l0-l0′

其中，l0为t1时刻B点处第一测距仪测量的BC间距，l0′为t2时刻B点处第一测距仪测量的BC间距。

当然，针对监测断面2、3等，其第一测点处的隧道净空变化计算方式与监测断面1相同。

进一步，对于隧道内各监测断面上拱顶下沉，其计算方式与监测断面的类型有关。这里，本申请将隧道内的监测断面分为两类，一类是隧道施工过程中所需监测首个监测断面，即图3中的监测断面1。另一类是隧道施工过程中所需监测的非首个监测断面，即图3中的监测断面2、3……。

针对首个监测断面，本实施例中假设后视固定测点为后视点平台装置，则拱顶下沉计算方式具体包括：

S1、根据首个监测断面的第一测点B处设置的第三测距仪在前后两个不同时刻的测量值l1和l1′，计算前后两个时刻内所述首个监测断面的第一测点B处的下沉Δ1为：

Δ1＝(l1-l1′)*cosθ1；

参照图5示例的t1时刻至t2时刻，监测断面1侧视图的变化情况。l1为t1时刻B点处第三测距仪测量的BA间距，l1′为t1时刻B点处第三测距仪测量的BA间距；θ1为首个监测断面的第一测点B处设置的第三测距仪的测距方向与竖直方向夹角。

S2、确定前后两个时刻内所述首个监测断面的拱顶D点下沉Δ2为：

Δ2＝{l2-[l2′-Δl/sin(θ2-90°)]}*sin(θ2-90°)

参照图4示例的t1时刻至t2时刻，监测断面1正视图的变化情况。其中，l2和l2′为首个监测断面的第一测点B处设置的第二测距仪在前后两个不同时刻t1和t2时刻的测量值，l2为t1时刻第二测距仪测量的BD间距，l2′为t2时刻第二测距仪测量的BD间距。θ2为首个监测断面的第一测点B处设置的第二测距仪的测距方向与竖直方向夹角。

可以理解的是，若后视固定测点为该首个监测断面前已处于稳定状态的相邻监测断面的拱顶测点，则拱顶下沉计算方式与隧道施工过程中所需监测的非首个监测断面的拱顶下沉计算方式相同，具体参照下述介绍。

设定目标监测断面为隧道施工过程中所需监测的非首个监测断面，则以目标监测断面的拱顶下沉计算方式为例进行说明，该过程包括：

S1、根据目标监测断面的第一测点处设置的第三测距仪在前后两个不同时刻的测量值l3和l3′，以及前后两个时刻内所述目标监测断面的前一相邻监测断面的拱顶的下沉Δx，确定前后两个时刻内所述目标监测断面的第一测点处的下沉Δ3：

Δ3＝{l3′-[l3-Δx/sin(θ3-9O°)]}*sin(θ3-90°)

其中，θ3为目标监测断面的第一测点处设置的第三测距仪的测距方向与竖直方向夹角。

以图3为例进行说明，当目标监测断面为监测断面2时，则目标监测断面的前一相邻监测断面为监测断面1，当目标监测断面为监测断面3时，则目标监测断面的前一相邻监测断面为监测断面2。

以目标监测断面为监测断面2为例，参照图6示例的t1时刻至t2时刻，监测断面1和2侧视图的变化情况。其中，Δx为监测断面1的拱顶D点的下沉，由前述介绍可知，Δx等于Δ2。

S2、确定前后两个时刻内所述目标监测断面的拱顶的下沉Δ4为：

Δ4＝{l4-[l4′-Δ3/sin(θ2-90°)]}*sin(θ2-90。)

其中，l4和l4′为目标监测断面的第一测点处设置的第二测距仪在前后两个不同时刻的测量值。以图3为例，l4为t1时刻E点设置的第二测距仪测量EG的测量结果，l4′为t2时刻E点设置的第二测距仪测量EG的测量结果。

针对目标监测断面，在确定了目标监测断面的第一测点的下沉Δ3之后，可以按照上述公式计算拱顶下沉Δ4。目标监测断面的拱顶沉降与第一测点的下沉之间的数值关系，与首个监测断面的拱顶下沉与第一测点的下沉之间的数值关系相同，因此Δ4公式的推导过程可以参照图4示例的几何关系。

可以理解的是，隧道内各个监测断面的拱顶下沉的计算顺序为，首先计算首个监测断面1的拱顶下沉，再计算监测断面2的拱顶下沉，依次计算监测断面3、监测断面4……

可选的，以图3为例，当首个监测断面1趋于稳定后进行二衬施工时，B点设置的三个测距仪可以停止采集数据，将三个激光测距仪拆除。原监测断面2E点的第三激光测距仪调整为测量EA＇，A＇为重新安装的后视点平台装置。调整完毕后进行EA＇初始值测定，二次测距后计算的E点的下沉累加到调整前E点累计下沉中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。