隧道变形测量装置及隧道结构的制作方法

本发明涉及隧道变形测量技术领域，具体而言，涉及一种隧道变形测量装置及隧道结构。

背景技术：

随着城市经济的发展，盾构法已逐步成为交通、排污等领域的主要形式之一，且这一比重将越来越大。在盾构隧道的设计服役寿命期内，其健康服役对于城市正常运转至关重要，而评价其健康状况的最主要方式便为现场监测。

而现有的盾构隧道监测大多为传统的监测方式，即人工手持传统监测仪器到现场进行变形量测，耗费了大量的人力、财力，并且效率较低；并且，在排污等领域，传统的监测方式也难以实施。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧道变形测量装置，以改善传统的测量方式效率较低的问题。

本发明的目的在于提供一种隧道结构，以改善传统的测量方式效率较低的问题。

本发明是这样实现的：

基于上述第一目的，本发明提供一种隧道变形测量装置，用于测量隧道管环的变形量，隧道管环包括多个圆弧管片，两个相邻的圆弧管片间形成连接缝，包括终端设备和与终端设备电连接的多个角度传感器；

一个连接缝处对应设置一个角度传感器，角度传感器用于检测两个相邻的圆弧管片之间相对转动的角度转变为电信号，终端设备用于接受电信号并将电信号进行处理，以得到隧道管环的形变量。

进一步地，终端设备包括数据处理装置和数据采集装置，所有角度传感器均与数据采集装置电连接，数据采集装置与数据处理装置电连接，数据采集装置用于接受电信号并将电信号转换为角度信号，数据处理装置用于接受角度信号，并将角度信号转换为位移信号。

进一步地，两个相邻的圆弧管片分别为第一圆弧管片和第二圆弧管片；

角度传感器包括第一转动体和第二转动体，第一转动体与第二转动体转动连接，第一转动体与第一圆弧管片连接，第二转动体与第二圆弧管片连接；

第一转动体包括与终端设备电连接的第一圆弧部，第二转动体包括与终端设备电连接且与第一圆弧部同轴设置的第二圆弧部，第一圆弧部位于第二圆弧部的内侧，第一转动体与第二转动体相对转动能够改变第一圆弧部与第二圆弧部重叠部分的大小。

进一步地，角度传感器还包括转轴；

第一转动体还包括第一连接部，第一圆弧部固定于第一连接部，第二转动体还包括第二连接部，第二圆弧部固定于第二连接部，第一连接部和第二连接部均套设于转轴的外侧。

进一步地，第一连接部与第二连接部均为扇形。

进一步地，第一圆弧部和第二圆弧部均为半环结构。

进一步地，角度传感器与第一圆弧管片滑动连接，角度传感器与第二圆弧管片滑动连接，当第一圆弧管片与第二圆弧管片相对转动时，角度传感器能够相对第一圆弧管片和第二圆弧管片滑动。

进一步地，第一转动体与第一圆弧管片通过第一连接组件连接，第一连接组件包括第一外管和第一连接杆，第一外管与第一圆弧管片固定连接，第一连接杆一端与第一转动体连接，第一连接杆的另一端延伸至第一外管内，第一连接杆能够相对第一外管轴向滑动；

第二转动体与第二圆弧管片通过第二连接组件连接，第二连接组件包括第二外管和第二连接杆，第二外管与第二圆弧管片固定连接，第二连接杆的一端与第二转动体连接，第二连接杆的另一端延伸至第二外管内，第二连接杆能够相对第二外管轴向滑动。

进一步地，第一圆弧管片具有第一端面，第二圆弧管片具有第二端面，第一端面与第二端面间形成连接缝；

第一连接杆相对第一外管滑动的所在方向垂直于第一端面，第二连接杆相对第二外管滑动的所在方向垂直于第二端面。

基于上述第二目的，本发明提供一种隧道结构，包括多个隧道管环和上述的隧道变形测量装置，至少一个隧道管环中配置有隧道变形测量装置。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种隧道变形测量装置，角度传感器设于两个圆弧管片间的连接缝后，角度传感器可检测两个相邻的圆弧管片间相对转动的角度转变为电信号，通过终端设备将电信号进行处理后可得到隧道管环的形变量，以达到对隧道变形量检测的目的。这种检测装置可快速高效的对隧道进行检测，可以适用于恶劣的环境中。

本发明提供一种隧道结构，包括上述隧道变形测量装置，可对隧道进行定点检测，以确定整个隧道的变形情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的隧道变形测量装置的测量示意图；

图2为图1所示的角度传感器的结构示意图；

图3为图2所示的第一转动体的结构示意图；

图4为图2所示的第二转动体的结构示意图；

图5为图1所示的角度传感器与第一圆弧管片和第二圆弧管片连接示意图。

图6为本发明实施例1提供的隧道变形测量装置对隧道管环的计算示例图；

图7为本发明实施例1提供的隧道变形测量装置对圆弧管片的计算示例图；

图8为本发明实施例1提供的隧道变形测量装置对隧道管环变形前后的计算示例图。

图标：100-隧道变形检测装置；10-隧道管环；11-圆弧管片；12-连接缝；13-第一圆弧管片；131-第一端面；14-第二圆弧管片；141-第二端面；20-终端设备；21-数据采集装置；22-数据处理装置；30-角度传感器；31-第一转动体；311-第一圆弧部；312-第一连接部；32-第二转动体；321-第二圆弧部；322-第二连接部；33-转轴；40-第一连接组件；41-第一外管；42-第一连接杆；50-第二连接组件；51-第二外管；52-第二连接杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种隧道变形检测装置100，其作用是对隧道管环10的变形量进行检测。在实际施工中，隧道由多个隧道管环10串联而成，当然隧道管环10也是由多个单元构成的。

如图1所示，隧道管环10包括多个圆弧管片11，圆弧管片11为扇环形。所有圆弧管片11首尾一次连接构成一个整圆。当然，在实际施工过程中，两个圆弧管片11需要留有一定的间隙，该间隙即为两个相邻的圆弧管片11间的连接缝12，即在整个隧道管环10上将形成多个连接缝12。

隧道在使用寿命内有可能会发生变形，隧道发生变形则为隧道管环10发生变形。发明人在实践中发现，隧道管环10发生变形实际上是由于两个相邻的管环之间发生相对转动而造成的。因此将两个相邻的管环之间转动的角度量转变为隧道管环10变形的位移量就可直观快速的对隧道进行检测。

本实施例提供的隧道变形检测装置100包括终端设备20和多个角度传感器30，所有角度传感器30均与终端设备20电联接。一个连接缝12处设置一个角度传感器30，角度传感器30用于检测两个相邻的圆弧管片11之间相对转动的角度转变为电信号，终端设备20用于接受电信号并将电信号进行处理，以得到隧道管环10的形变量。

如图2所示，角度传感器30包括第一转动体31、第二转动体32和转轴33，第一转动体31与第二转动体32通过转轴33转动连接。

其中，如图3所示，第一转动体31包括第一圆弧部311和第一连接部312。第一连接部312为绝缘材质。第一连接部312为扇形结构，第一连接部312的圆心角为180度，第一连接部312的周向轮廓由第一圆弧面和第一平面构成。第一圆弧部311为金属材质。第一圆弧部311为半环结构，即其为圆心角为180度的扇环，第一圆弧部311的外径与第一连接部312的直径一致。第一圆弧部311固定于第一连接部312轴向的一个端面上，第一圆弧部311与第一连接部312同轴设置，第一圆弧部311的两端均与第一平面平齐。

其中，如图4所示，第二转动体32包括第二圆弧部321和第二连接部322。第二连接部322为绝缘材质。第二连接部322为扇形结构，第二连接部322的圆心角为180度，第二连接部322的周向轮廓由第二圆弧面和第二平面构成。第二圆弧部321为金属材质。第二圆弧部321为半环结构，即其为圆心角为180度的扇环，第二圆弧部321的外径与第二连接部322的直径一致，第二圆弧部321的内径大于第一圆弧部311的外径。第二圆弧部321固定于第二连接部322轴向的一个端面上，第二圆弧部321与第二连接部322同轴设置，第二圆弧部321的两端均与第二平面平齐。

如图2所示，第一转动体31的第一连接部312套设在转轴33的外侧，第二转动体32的第二连接部322套设在转轴33的外侧。第一转动体31与第二转动体32通过转轴33连接后，第一转动体31的第一圆弧部311与第二转动体32的第二圆弧部321同轴设置，第一圆弧部311位于第二圆弧部321的内侧，第一圆弧部311与第二圆弧部321之间部分重叠。第一转动体31相对第二转动体32转动时，第一圆弧部311与第二圆弧部321重叠的部分将增大或者减小。第一圆弧部311和第二圆弧部321重叠的部分形成电容，当第一圆弧部311与第二圆弧部321重叠的部分的大小发生改变时，电容的大小也将随之改变。

本实施例中，为方便叙述，将相邻的两个管片分别定义为第一圆弧管片13和第二圆弧管片14。若使第一转动体31与第一圆弧管片13连接，第二转动体32与第二圆弧管片14连接，根据第一圆弧部311与第二圆弧部321重叠的部分的大小就可得到第一圆弧管片13与第二圆弧管片14两者相对转动角度的大小。

然而，隧道管环10在变形时，第一圆弧管片13和第二圆弧管片14的转动轴线有可能不会与角度传感器30中的转轴33的轴线重合。当第一圆弧管片13和第二圆弧管片14的转动轴线与转轴33的轴线发生偏移后，第一圆弧管片13与第二圆弧管片14在相对转动过程中，第一圆弧管片13和第二圆弧管片14将会对角度传感器30产生拉力，使得第一转动体31与第二转动体32受到相反的力，导致传感器被破坏。

因此，本实施例中，角度传感器30与第一圆弧管片13和第二圆弧管片14滑动连接。

具体地，如图5所示，第一圆弧管片13具有第一端面131，第二圆弧管片14具有第二端面141，第一端面131与第二端面141形成连接缝12。角度传感器30与第一圆弧管片13间设有第一连接组件40。第一连接组件40包括第一外管41和第一连接杆42，第一外管41的内径与第一连接杆42的直径相匹配。第一外管41从第一端面131插设在第一圆弧管片13内，并通过浇筑混凝土的方式使第一外管41与第一圆弧管片13固定，第一外管41垂直于第一端面131。第一连接杆42的一端插设在第一外管41内，第一连接杆42与第一外管41形成滑动连接，第一连接杆42的另一端与第一转动体31的第一圆弧部311的一端固定，第一连接杆42的轴线与第一圆弧部311的轴线相交。第一连接杆42相对第一外管41滑动时，整个角度传感器30将相对第一圆弧管片13移动。第一连接杆42相对第一外管41滑动的方向垂直于第一端面131。角度传感器30与第二圆弧管片14间设有第二连接组件50。第二连接组件50包括第二外管51和第二连接杆52，第二外管51的内径与第二连接杆52的直径相匹配，第二外管51从第二端面141插设在第二圆弧管片14内，并通过浇筑混凝土的方式使第二外管51与第二圆弧管片14固定，第二外管51垂直于第二端面141。第二连接杆52的一端插设在第二外管51内，第二连接杆52与第二外管51形成滑动连接，第二连接杆52的另一端与第二转动体32的第二圆弧部321的中间位置，第二连接杆52的轴线与第二圆弧部321的轴线相交。第二连杆相对第二外管51滑动时，整个角度传感器30将相对第二圆弧管片14移动。第二连杆相对第二外管51滑动的方向垂直于第一端面131。

当第一圆弧管片13与第二圆弧管片14相对转动的轴线与角度传感器30中的转轴33的轴线不重合时，由于角度传感器30既与第一圆弧管片13滑动连接，角度传感器30又与第二圆弧管片14滑动连接，第一圆弧管片13与第二圆弧管片14转动过程中，第一圆弧管片13与第二圆弧管片14不会对角度传感器30产生拉力，既保证了角度传感器30测量角度的准确性，又有效避免了角度传感器30被破坏。

本实施例中，终端设备20包括数据采集装置21和数据处理装置22，数据处理装置22为电脑。所有角度传感器30中的第一圆弧部311与第二圆弧部321均与数据采集装置21电连接，数据采集装置21与数据处理装置22电连接。当隧道管环10变形时，两个相邻的圆弧管片11将发生转动，角度传感器30将两个相邻的圆弧管片11相互转动的角度转变为电信号，数据采集装置21接受各个角度传感器30传来的电信号，并将各个电信号转变为角度信号，数据处理装置22接收各个角度信号，并将各个角度信号转变为位移信号。

角度信号转变为位移信号的过程具体如下：

如图6所示，隧道管环10的半径为r，各管片所对应圆心角依次为β1、β2、β3...βn-1、βn，各管片所对应的弦长依次为l1、l2、l3...ln-1、ln，各角度传感器30所测转角依次为dα1、dα2、dα3...dαn-1、dαn，n为8。

以隧道圆心为坐标原点(0,0)，以竖直向下为x轴，以图示中水平向右为y轴建立直角坐标系。

变形前各角度传感器的位置位于同一圆周上，各个角度传感器的坐标可分别表示为：

角度传感器1：

角度传感器2：

角度传感器3：

...

角度传感器n-2：

角度传感器n-1：

角度传感器n：

变形前隧道管环10所形成的圆解析方程为：x²+y²＝r²；

初始的水平宽度为2r，初始顶板高度为2r；

由于隧道变形后，圆弧管片11仅发生了位移，圆弧管片11形状未发生改变，故变形后的衬隧道管环10中每个圆弧管片11的轴半径仍均为r，变形后各接头坐标可通过几何计算得到，依次为：

角度传感器1：

角度传感器2：

角度传感器3:

...

角度传感器(n-2)：

角度传感器(n-1)：

角度传感器n：

变形后的隧道管环10为多个半径为r的圆弧连接而成的闭合曲线，接头位置为圆弧连接点，各圆弧管片11的解析方程可通过变形后求得的其两端接头坐标和半径r确定，其过程如下：

(1)确定每个圆弧管片11环轴线变形后解析方程。g1解析方程仍为x²+y²＝r²(x1(x2)≤x<r,yn≤y<y1)；g2解析方程求解过程：如图7所示，c的坐标为oc连线的斜率k为根据图7可求得变形后圆心o1为已知圆心、半径，求得变形后g2解析方程为：

(x3≤x<x2,y2≤y<y3)。同理可求得g3、g4...gn-2、gn-1、gn的解析方程。最终得出变形后隧道管环10的解析方程由n个圆弧解析方程分段组成。

(2)确定各位置变形前后水平、竖直方向相对距离。如图8所示，变形前后的隧道管环10均为闭合曲线，即分别取图中下半部分点(竖直净距)、右半部分(水平净距)作为y、x参考点，对于其解析方程，在x、y取值范围内(除端点)，给定一个x(y)值，均可求得两个与其对应的y(x值)，分别求出变形前后各位置水平、竖直方向净距(求得的两个y(x)值做差的绝对值)。水平方向求得j点(相对于衬砌结构)变形前xj对应两个y值yj、yk，然后求得变形前j位置净距为|yj-yk|，变形后j点位置净距为|yj1-yk1|，同理可求得竖直方向i点(相对于衬砌结构)变形前i位置净距为|yi-ym|，变形后i点位置净距为|yi1-ym1|。同理可求得其他各点变形前后的水平方向、竖直方向净距。

(3)水平、竖直方向各点变形前后分别做差，分别取最大值作为该隧道的水平方向最大收敛量和竖直方向最大沉降量。j位置水平方向收敛量为|yj-yk|-|yj1-yk1|，i位置竖直方向下沉量为|yi-ym|-|yi1-ym1|，同理可求得其他各点变形前后的水平方向、竖直方向的变形量；然后分别找出两个方向上的最大值作为该隧道的水平方向最大收敛量和竖直方向最大沉降量。

将上述的过程中涉及到的公式存入到数据处理装置22后，通过数据采集装置21提供的角度信号便可最终得到隧道的水平方向最大收敛量(位移信号)和竖直方向最大沉降量(位移信号)，从而实现对隧道的检测。

本实施例提供的隧道变形检测装置100，可高效的对隧道进行检测，可适用于恶劣的环境中。

本实施例中，角度传感器30为电容式传感器。角度传感器30由第一转动体31、第二转动体32和转轴33构成，第一转动体31与第二转动体32通过转轴33连接后，可保证第一转动体31与第二转动体32转动的准确性，保证测量精度。

实施例2

本实施例提供一种隧道结构，包括多个隧道管环10和上述实施例的中的隧道变形测量装置，至少一个隧道管环10中配置有隧道变形测量装置。所有隧道管环10串联在一起。

本实施例中，每三个隧道管环10中配置一个隧道变形测量装置，以实现对隧道进行顶点检测，以确定整个隧道的变形情况。

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