一种隧道沉降监测装置及方法与流程

本公开属于隧道结构变形监测领域，尤其涉及一种隧道沉降监测装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

隧道的工程地质及水文地质等条件复杂多变，既有隧道受修建时期的设计及施工技术条件的限制，早期修建的隧道经常出现隧道拱顶开裂、边墙开裂、拱顶空洞、衬砌损坏、隧道渗漏水、隧道冻害、围岩大变形等隧道的健康问题，如何对隧道进行健康诊断与灾害预防和控制就显得尤为重要。

隧道结构的变形监测是了解和掌握隧道结构变化和及时发现病害和判断其安全状况的必要方法和手段。通过对隧道主体结构的监测，收集监测数据，记录整治方案，系统地整理、积累资料，及时掌握现有建成隧道工程运营的变形情况，不断总结经验教训，可为病害治理提供可靠依据，也可为今后相关工程设计、施工、运营维护单位借鉴。

技术实现要素：

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种隧道沉降监测装置，其能够实现隧道沉降数据的周期采集，提高隧道沉降准确度。

本公开的实施例提供的一种隧道沉降监测装置，包括：

若干个探测器，分别布设于参考点和预设监测点处；这些探测器通过连通水管和连通气管首尾相连，靠近储液罐的探测器与储液罐之间通过连通水管和连通气管相连，进而构成连通器；

数据采集模块，包括采集器、存储器和处理器；所述采集器被配置为采集探测器所检测的相应位置处的压力值，并传送至处理器；所述处理器被配置为将压力值转化为水位高度信息，进而将监测点处水位高度与参考点处水位高度作差以计算出瞬时沉降和累计沉降信息。

在一个或多个实施例中，所述储液罐的安装位置高于探测器及连通水管和连通气管的高度。

在一个或多个实施例中，所述存储器内预存有探测器初始值、重力加速度、液体密度和自定义采集周期；其中，探测器运行稳定后，将探测器的当前水位高度设定为探测器初始值。

在一个或多个实施例中，所述处理器，还被配置为：

将压力值转化为水位高度信息之后，对水位高度信息进行滤波处理。

在一个或多个实施例中，在所述处理器中，对水位高度信息进行滤波处理的过程为：

选取最新采集的预设组数量的压力值对应的水位高度信息与水位高度对应时刻采集的水位高度的影响程度进行卷积计算，得到本次滤波后的水位高度信息。

在一个或多个实施例中，所述存储器中设定有存储压力值的数据组数上限，当压力值的数据组数超过上限时，按照采集时间覆盖之前的数据。

本公开还提供了一种隧道沉降监测装置的工作方法。

本公开的一种隧道沉降监测装置的工作方法，包括：

设定数据采集模块的参数，包括探测器初始值、重力加速度、液体密度和自定义采集周期；

布设于参考点和预设监测点处的探测器采集相应位置的压力值；

采集器按照自定义采集周期来采集探测器所探测的相应位置处的压力值，并传送至处理器；

处理器根据压力、液体密度、重力加速度和水位高度的关系，将压力值转化为水位高度信息，进而将监测点处水位高度与参考点处水位高度作差以计算出瞬时沉降和累计沉降信息。

在一个或多个实施例中，处理器将压力值转化为水位高度信息之后，对水位高度信息进行滤波处理。

在一个或多个实施例中，对水位高度信息进行滤波处理的过程为：

选取最新采集的预设组数量的压力值对应的水位高度信息与水位高度对应时刻采集的水位高度的影响程度进行卷积计算，得到本次滤波后的水位高度信息。

在一个或多个实施例中，在存储器中设定有存储压力值的数据组数上限，当压力值的数据组数超过上限时，按照采集时间覆盖之前的数据。

本公开的有益效果是：

(1)本公开的隧道沉降监测装置，利用采集器按照自定义采集周期来采集探测器所探测的相应位置处的压力值，并传送至处理器；每个数据采集模块可支持多个探测器接入，可覆盖长距离(比如：1公里)隧道的实时监测。

(2)本公开在将压力值转化为水位高度信息之后，对水位高度信息进行滤波处理，可有效降低随机噪声或非周期噪声产生的干扰，能够降低隧道附近车辆、地铁、高铁、施工等对隧道产生的周期振动干扰。

(3)本公开的隧道沉降监测装置，适应常用的压力式静力水准仪，具有广泛的适应性。

附图说明

构成本公开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是本公开的一种隧道沉降监测装置结构示意图。

图2是本公开的一种隧道沉降监测装置的工作方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

图1是本公开的一种隧道沉降监测装置结构示意图。

如图1所示，本公开的实施例提供的一种隧道沉降监测装置，包括：探测器、储液罐和数据采集模块。

(1)探测器和储液罐

若干个探测器，分别布设于参考点和预设监测点处；这些探测器通过连通水管和连通气管首尾相连；

其中，储液罐内装有流动性好、不易挥发、不易吸水分子的高分子液体。

例如：储液罐内加注防冻液。

如图1所示，防冻液由设置在储液罐上的防冻液加注口加入，而且在储液罐的一侧设置与储液罐相连通的气管，该气管具有液位指示的作用，储液罐内的液体高度禁止超过气管。

当防冻液加注完成后，堵塞最后一个探测器的水管和气管。

靠近储液罐的探测器与储液罐之间通过连通水管和连通气管相连，进而构成连通器。

在具体实施中，探测器可采用压力式静力水准仪来实现。

每台压力式静力水准仪出厂时设定好编号，编号顺序从1至32。探测器布设方式分为参考点和监测点两种。参考点编号设置为1，通常采用深桩固定，参考点的压力值作为参考值用于监测点沉降值的运算；监测点编号设置为2至32，一般将监测点固定到隧道地面或墙壁，监测点的压力值与参考点的压力值进行运算后得出当前位置的沉降值。

例如：探测器安装间距为15-30米，每个数据采集模块最多挂载32个探测器，此隧道沉降监测装置可覆盖安装1公里隧道。

(2)数据采集模块

数据采集模块包括采集器、存储器和处理器；所述采集器被配置为采集探测器所检测的相应位置处的压力值，并传送至处理器；所述处理器被配置为将压力值转化为水位高度信息，进而将监测点处水位高度与参考点处水位高度作差以计算出瞬时沉降和累计沉降信息。

具体地，数据采集模块与探测器之间采用rs485进行通信。

在具体实施中，所述存储器内预存有探测器初始值、重力加速度、液体密度和自定义采集周期；其中，探测器运行稳定后，将探测器的当前水位高度设定为探测器初始值。

例如：采集周期，定义了数据采集模块与探测器的通信巡检时间，即数据采集模块从探测器采集压力值的时间间隔。采集周期在数据采集模块中设定，以分钟为单位；例如可以设定3分钟采集一次。

探测器初始值，用于探测器沉降值的计算。一种隧道沉降监测装置布设完成且运行稳定后，将当前探测器的水位高度设定为探测器初始值。探测器初始值在数据采集模块中设定，以毫米为单位；

重力加速度，用于压力值换算水位高度。取隧道所在地市的重力加速度即可；

液体密度，用于压力值换算水位高度，也就是储液罐中所装液体的密度。其中，储液罐中所装液体的密度，可以用密度＝质量/体积公式进行计算。

其中，数据采集模块将采集到的压力值换算成水位高度，依据公式：

水位高度＝压强/(密度*重力加速度)。

具体地，所述处理器，还被配置为：

将压力值转化为水位高度信息之后，对水位高度信息进行滤波处理。

其中，对水位高度信息进行滤波处理的过程为：

选取最新采集的预设组数量的压力值对应的水位高度信息与水位高度对应时刻采集的水位高度的影响程度进行卷积计算，得到本次滤波后的水位高度信息。

在一个或多个实施例中，所述存储器中设定有存储压力值的数据组数上限(例如：20组)，当压力值的数据组数超过上限时，按照采集时间覆盖之前的数据。

取最新采集的20组压力值的数据并转化为高度值，代入卷积计算公式进行计算后，作为本次滤波后的水位高度。如采集数据不足20组，不足部分以最新采集的一组数据进行填充。

根据下列公式计算：

其中，i表示采集次数，*表示卷积。x(i)表示第i次采集到的水位高度，h(n-i)表示第i次采集到的水位高度对n时刻采集的水位高度的影响程度。

例如：

h(n)＝[0.02,0.02,0.02,0.02,0.02,0.04,0.04,0.04,0.04,0.04,0.06,0.06,0.06,0.06,0.06,0.08,0.08,0.08,0.08,0.08]。

经过验证，采用以上20组h(n)数据进行卷积计算，既能较快的反映隧道真实沉降，实现实时监测；又能较好的滤除环境因素产生的干扰，降低误报。

采用滤波后的数据计算瞬时形变、累计形变依赖于参考点和监测点的本次测量值和初始值。以参考点1号和监测点2号为例：参考点1号初始值a1，参考点1号本次测量值a2；监测点2号初始值b1，监测点2号本次测量值b2；参考点变化值x1＝a2-a1，监测点变化值y1＝b2-b1；监测点2号沉降值z1＝y1-x1。

如图2所示，本公开的一种隧道沉降监测装置的工作方法，包括：

(1)设定数据采集模块的参数，包括探测器初始值、重力加速度、液体密度和自定义采集周期；

(2)布设于参考点和预设监测点处的探测器采集相应位置的压力值；

(3)采集器按照自定义采集周期来采集探测器所探测的相应位置处的压力值，并传送至处理器；

(4)处理器根据压力、液体密度、重力加速度和水位高度的关系，将压力值转化为水位高度信息，进而将监测点处水位高度与参考点处水位高度作差以计算出瞬时沉降和累计沉降信息。

具体地，处理器将压力值转化为水位高度信息之后，对水位高度信息进行滤波处理。

对水位高度信息进行滤波处理的过程为：

选取最新采集的预设组数量的压力值对应的水位高度信息与水位高度对应时刻采集的水位高度的影响程度进行卷积计算，得到本次滤波后的水位高度信息。

其中，在存储器中设定有存储压力值的数据组数上限，当压力值的数据组数超过上限时，按照采集时间覆盖之前的数据。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。