仰拱结构全自动实时监测预警系统与方法与流程

本公开涉及一种仰拱结构全自动实时监测预警系统与方法。

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。

目前大部分隧道在运营期内都出现了不同程度的渗水、围岩变形过大、隧道仰拱上浮等问题，严重威胁隧道结构稳定以及行车安全。其中，隧道仰拱作为隧道结构的一部分，在抑制围岩变形、保证隧道整体结构稳定方面发挥着巨大作用，而隧道仰拱上浮导致路基隆起的问题严重威胁工程安全，且在软弱围岩环境中尤其突出，修复过程耗费人力物力，造成巨大的社会经济损失。

导致仰拱上浮的主要原因包括：1、仰拱结构设计不合理，导致仰拱超出承载能力范围，结构破坏，地基土携仰拱上浮；2、路基土压实不够，在运营期内遭受各种外部作用逐渐脱离，无法继续承担抑制围岩变形的作用；3、地下水在仰拱底部富集(特别是连续性强降雨之后)，导致局部区域浮力大于仰拱结构抗浮力，仰拱上浮。

监控测量在隧道施工以及运营期内都具有重要的作用，在隧道运营期内进行监控量测，可以为分析围岩变形规律，核查围岩变形收敛，预测隧道可能存在的安全隐患提供科学的依据，防患于未然。但是，目前国内对于运营期隧道监控量测主要依靠人力加水准仪、全站仪等设备测量的方式实现，受外界因素影响大，效率低，无法实时地掌握围岩的变形情况；另外，单纯地进行变形监测具有滞后性，无法进一步揭示隧道仰拱结构破坏的过程和形式，做到对仰拱结构上浮破坏的前兆预警和实时感知。因此，如何实现运营期隧道仰拱结构的全自动实时监控-预警是目前亟待解决的一个技术难题。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种仰拱结构全自动实时监测预警系统与方法，本公开在隧道内通过探测系统获得仰拱结构的状态信息，然后将其无线传输至中控平台进行分析，识别仰拱结构的异常变形，对仰拱可能出现的安全问题进行预警，实现运营期隧道仰拱全自动实时监测和预警。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种仰拱结构全自动实时监测预警系统，包括：

探测系统，包括超声探伤仪和压力计，被配置为探测仰拱内部结构，检查有无损伤以及测定仰拱下部的围岩压力；

无线信号传输系统，被配置为将探测系统采集到的信息传输至中控平台；

中控平台，被配置为基于接收到的运营期隧道仰拱信息，分析仰拱下部围岩压力的变化，建立仰拱下部围岩压力连续变化模型，判断当前围岩压力对于仰拱安全性的影响程度，并根据影响程度给出相应的预警；

电源系统，被配置为探测系统及无线信号传输系统提供电力。

作为进一步的限定，所述中控平台包括信号接收模块、信息输出模块、信息分析模块和预警模块，其中：

所述信号接收模块，被配置为与无线信号传输系统相互匹配连接；

所述信息分析模块，被配置为对仰拱三维结构进行判断，识别出其中的张拉裂缝、压裂缝和/或剪裂缝，根据一定的规则找出其中的危险裂缝，给出运营期隧道仰拱周边应力分布的区域；

所述预警模块，被配置为将危险裂缝以及处于明显变化状态的裂缝输出，给出各裂缝的裂缝形式以及可能产生的相应危害；

所述信息输出模块，被配置为将接收到的信息显示在终端屏幕上，包括各仰拱内部结构三维立体图以及各仰拱底部围岩压力随时间变化的曲线图。

作为进一步的限定，所述信息分析模块将仰拱三维结构与之前接收到的仰拱三维结构进行比对，找出处于扩张状态的裂缝以及处于压缩状态的裂缝。

作为进一步的限定，所述预警模块被配置为将趋向于危险状态的围岩压力变化曲线图输出到终端屏幕，提醒工程监督人员对实际隧道相应部位进行排查，做到防患于未然。

作为进一步的限定，所述电源系统包括电源变压器和与之连接的电线。

作为进一步的限定，所述探测系统、电源系统和电源系统均设置于外壳内，且所述外壳为柱状混凝土外壳，以防止对内部电子设备的电磁干扰以及外部地下水的渗透对电子设备的损坏。

作为进一步的限定，所述探测系统在隧道施工时布设在仰拱底部与围岩的接触面上，且定时自动进行数据采集。

作为进一步的限定，所述无线信号传输系统能够实时接收来自超声探伤仪以及压力计的数据信号，并立即将信息通过电磁波传输到该隧道工程的中控平台。

作为进一步的限定，所述电源系统在隧道施工时布设，与隧道内电气系统连接。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

隧道开挖时，在仰拱下部每隔一段距离布设混凝土外壳以及探测系统、无线信号传输系统和电源变压器；

隧道投入使用后，探测系统开始采集数据，每隔一定时间通过超声探伤仪探测仰拱内部结构以及压力计探测仰拱下部围岩压力；

探测系统每一次采集完数据后，将采集到的数据发送给无线信号传输系统；

无线信号传输系统接收到信息后，将信息传输到中控平台；

中控平台信号接收来自无线信号传输系统的信息并通过信息显示模块将仰拱内部结构以及仰拱下部围岩压力变化曲线图显示在终端屏幕，对接收到的信息进行分析，并通过预警模块显示出隧道中出现的安全隐患，完成一次信息采集分析预警工作。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开采用全自动实时探测系统，该系统能够对运营期隧道仰拱结构进行信息化、自动化、精细化探测，克服了传统监测手段受天气影响大、时效差的缺点。同时该系统能够揭示仰拱内部结构变化，建立仰拱下部围岩压力随时间变化模型，对于监控运营期隧道仰拱安全性，对存在的安全隐患做出及时的预警具有重要意义。同时，该系统能够为研究运营期隧道围岩应力、变形的变化特点以及隧道周边水文地质发展状况提供宝贵的科学资料。

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是本实施例的总体示意图；

图2是本实施例的布设示意图；

图3是本实施例的探测系统俯视图；

图4是本实施例的中控平台示意图；

其中，1.隧道仰拱结构全自动实时监测-预警系统，2.探测系统，3.无线信号传输系统，4.中控平台，5.电源系统，6.超声探伤仪，7.压力计，8.外壳，9.电源变压器，10.电线，11.围岩，12.隧道断面，13.仰拱，14.信号接收模块，15.信息分析模块，16.信息输出模块，17.预警模块；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1：

如图1所示，一种适用于运营期隧道的仰拱结构全自动实时监测-预警系统(1)，由探测系统(2)、无线信号传输系统(3)、中控平台(4)、电源系统(5)四部分构成。探测系统(1)由超声探伤仪(6)、压力计(7)、外壳(8)组成。

如图2所示，隧道断面(12)包裹在围岩(11)中，一种适用于运营期隧道的仰拱结构全自动实时监测-预警系统(1)布设于仰拱(13)之下。

如图3所示，外壳(8)中放置超声探伤仪(6)、无线信号传输系统(3)、电源变压器(9)，压力计(7)放置于外壳(8)之外，电线(10)与电气系统相连。

如图4所示，中控平台(4)包括信号接收模块(14)、信息分析模块(15)、信息输出模块(16)、预警模块(17)，数据信息通过无线信号传输系统(3)传输至信号接收模块(14)，经过分析(15)后，将分析结果通过信息输出模块(16)显示，并进行预警(17)。

超声探伤仪可以对仰拱中混凝土及钢筋结构进行超声探测，并将探测得到的信息传递给无线传输装置。

探测系统中的超声探伤仪、从以及电源系统中的电源变压器均安放于高强的外壳内，防止其被挤压破坏。

压力计安装于高强外壳外部以发挥作用。

高强外壳采用柱状混凝土外壳，以防止对内部电子设备的电磁干扰以及外部地下水的渗透对电子设备的损坏。

高强外壳以及其内部安置的超声探伤仪、无线信号传输系统、电源变压器，在隧道施工时布设在仰拱底部与围岩的接触面上。

高强外壳以及压力计受外部自然环境变化影响小，能够全天候采集信息。

超声探伤仪可以进行无损探伤，不会对上部仰拱造成结构损伤。

超声探伤仪的探测距离可以达到十米，满足工程探测需求。

压力计可以测量该处围岩压力，并将得到的信息传递给无线传输装置。

探测系统能够每隔一定时间自动进行一次数据采集，并将信息及时汇总给无线信号传输系统。

探测系统在隧道建成后的前三年，数据采集时间间隔可取为12小时，此后采集时间间隔可取为24或48小时。

无线信号传输系统能够实时接收来自超声探伤仪以及压力计的数据信号，并立即将信息通过电磁波传输到该隧道工程的中控平台。

信号接收模块能够接受无线信号传输系统传来的仰拱内部结构信息以及仰拱下部围岩压力信息。

信息输出模块能够将接收到的信息显示在终端屏幕上，包括各仰拱内部结构三维立体图以及各仰拱底部围岩压力随时间变化的曲线图，为中控平台的工程监督人员提供直观的隧道仰拱信息。

信息分析模块能够对仰拱三维结构进行判断，识别出其中的张拉裂缝、压裂缝、剪裂缝，根据一定的规则找出其中的危险裂缝，给出运营期隧道仰拱周边应力分布的大致区域。

信息分析模块能够将仰拱三维结构与之前接收到的仰拱三维结构进行比对，找出处于扩张状态的裂缝以及处于压缩状态的裂缝。

信息分析模块能够分析仰拱下部围岩压力的变化，建立仰拱下部围岩压力连续变化模型，判断当前围岩压力对于仰拱安全性的影响程度。

预警模块能够将危险裂缝以及处于明显变化状态的裂缝输出到终端屏幕上，给出各裂缝的裂缝形式以及可能产生的相应危害，提醒工程监督人员对实际隧道相应部位进行排查，做到防患于未然。

预警模块能够将趋向于危险状态的围岩压力变化曲线图输出到终端屏幕，提醒工程监督人员对实际隧道相应部位进行排查，做到防患于未然。

电源系统在隧道施工时布设，与隧道内电气系统连接，以为其他设备供电。

一种适用于运营期隧道的仰拱结构全自动实时监测-预警系统的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：隧道开挖时，在仰拱(13)下部布设混凝土外壳(8)以及探测系统(2)、无线信号传输系统(3)、电源变压器(9)；

步骤2：隧道投入使用后，探测系统(2)开始采集数据，每隔一定时间通过超声探伤仪(6)探测仰拱(13)内部结构以及压力计(7)探测仰拱(13)下部围岩压力；

步骤3：探测系统每一次采集完数据后，将采集到的数据发送给无线信号传输系统(3)；

步骤4：无线信号传输系统(3)接收到信息后，将信息传输到中控平台(4)；

步骤5：中控平台信号接收模块(14)接收来自无线信号传输系统(3)的信息并通过信息显示模块(16)将仰拱(13)内部结构以及仰拱(13)下部围岩压力变化曲线图显示在终端屏幕；

步骤6：中控平台信息分析模块(15)对接收到的信息进行分析，并通过预警模块(17)显示出隧道中出现的安全隐患，提醒工程监督人员进行现场排查，完成一次信息采集分析预警工作；

步骤7：重复步骤2至步骤6。

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。