隧洞断面绝对变形自动化监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及隧洞变形监测技术领域，具体地指一种隧洞断面绝对变形自动化监测系统。


背景技术：

2.输水工程是解决我国水资源时空分布不均的有效途径，tbm隧洞(tunnel boring machine，简称tbm，隧洞掘进机)、盾构隧洞和钻爆法隧洞等是输水工程的主要形式。这些隧洞往往穿越城市地下、高山、河流等，但是tbm或盾构机施工，以及钻爆开挖爆破，会对邻近岩土体地层或地面建筑物造成影响，有可能会引起地面过大沉降，不均匀沉降等问题。隧洞围岩内壁的全断面变形是直观评价该影响程度的指标，也是判定施工过程中隧洞安全性的重要依据，因此及时、连续地获取隧洞围岩内壁全断面变形形态具有重要意义。
3.目前在实际隧洞工程中，隧洞围岩内壁变形的常规监测方法有：收敛计法、巴塞特法、全站仪法等。其中，收敛计法是采用人工在隧洞断面环向设置挂钩，并用钢尺收敛计测量两挂钩间距离，该方法无法实现自动化观测、人工成本高。巴塞特法是利用由长臂和短臂构成的三角形结构及臂上的倾斜传感器，来测量隧道的收敛变形，该方法中的三角形结构影响隧道的通行面积。全站仪法是采用人工站在断面外的固定点处对断面上不同测点进行光学观测，并通过换算，计算出拱顶沉降或水平收敛变形数据，该方法需要大量人工进行光学测量，测量成本较高。
4.对tbm隧洞、盾构隧洞和钻爆法隧洞的围岩内壁进行变形观测时，观测的空间狭窄、观测时间非常有限，而上述的常规监测方法普遍存在自动化程度低、观测成本高，以及影响主体施工和断面通行等问题。专利“一种隧道断面收敛变形自动监测系统”(公布号：cn 110186420 a)虽然可以实现隧洞断面收敛变形的自动化监测，但是其测量成果是隧洞断面相对于监测设备首部或尾部末端的相对变形，无法建立变形数据与外部不动点之间的联系，即无法获取隧洞断面的绝对变形数据。该方法只能获取隧洞断面局部相对变形情况，无法获取整体绝对变形，难以准确、全面地判定隧洞全断面的绝对变形规律。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的就是提供一种隧洞断面绝对变形自动化监测系统，实现隧洞围岩内壁全断面绝对变形的自动化监测，避免了仅监测隧洞断面相对变形而导致对隧洞断面绝对变形规律认识不清的弊端。
6.为实现上述目的，本实用新型研制出了一种隧洞断面绝对变形自动化监测系统，包括用于实时监测隧洞断面相对变形的阵列位移计，所述阵列位移计设置在隧洞衬砌结构内壁或内部，其特别之处在于：所述阵列位移计一端端头设有多点位移计，所述多点位移计埋设在隧洞洞壁至围岩深部的钻孔内并用于实时监测钻孔孔口处相对于围岩深部不动点的绝对位移；所述系统还包括数据采集设备和终端设备，所述数据采集设备分别与阵列位移计和多点位移计连接并用于实时采集、存储阵列位移计和多点位移计的监测数据；所述
终端设备与数据采集设备连接，用于对数据采集设备发出自动化遥测指令，接收数据采集设备上传的监测数据并进行相关数据分析，得到隧洞断面内壁相对于围岩深部不动点的绝对变形数据。
7.进一步地，所述多点位移计埋设在隧洞洞壁沿水平方向至围岩深部的钻孔内，所述多点位移计包括位于钻孔孔口处的安装基座，所述安装基座与阵列位移计一端端头牢固连接；所述安装基座内贯穿n根长度不同，且水平布置的测杆；每根所述测杆一端端头对应于钻孔孔口处设有位移传感器，另一端端头设有锚固于围岩深部的锚头，最深位置处的所述锚头视为所述围岩深部不动点；所述位移传感器用于实时监测钻孔孔口处相对于围岩深部不动点的绝对位移数据。
8.更进一步地，所述钻孔孔深大于二倍隧洞洞径。
9.更进一步地，所述n小于等于6。
10.更进一步地，每根所述测杆沿长度方向均间隔安装有用于防止测杆打结或扭转的支撑环。
11.更进一步地，所述位移传感器通过安装板固定在安装基座上。
12.进一步地，所述阵列位移计包括若干节交替连接的硬管和软管，每节所述硬管中均设有加速度传感器，每个所述加速度传感器用于实时监测对应位置处隧洞内壁的变形形态数据，从而使与隧洞断面协同变形的阵列位移计能够确定隧洞断面相对于阵列位移计一端端头的相对变形形态数据。
13.更进一步地，单节所述硬管长度和数量根据隧洞断面大小确定，其长度规格有0.3m、0.5m和1.0m。
14.更进一步地，所述阵列位移计还包括与若干节硬管两端一一对应的卡具，所述卡具固定设置在隧洞衬砌结构内壁上，用于将与其对应的硬管卡入固定。
15.本实用新型的优点在于：
16.1、通过阵列位移计上设有的若干节间隔布置的加速度传感器实时监测每个加速度传感器对应位置处的隧洞内壁的变形形态数据，从而使与隧洞断面协同变形的阵列位移计能够确定隧洞断面相对于阵列位移计一端端头的相对变形形态数据；
17.2、通过多点位移计中设有的位于钻孔孔口处的位移传感器实时监测钻孔孔口处相对于围岩深部不动点的绝对位移数据；
18.3、通过建立阵列位移计和多点位移计的空间物理连接关系，充分融合阵列位移计监测的隧洞断面相对于阵列位移计一端端头的相对变形，以及多点位移计监测的钻孔孔口处相对于围岩深部不动点的绝对位移，结合数据采集设备的数据采集功能、计算机和软件的分析功能，实现对隧洞断面绝对变形的实时自动化监测。
19.本实用新型所提供的一种隧洞断面绝对变形自动化监测系统结构简单，相对于专利“一种隧道断面收敛变形自动监测系统”(公布号：cn 110186420 a)，本实用新型避免了仅监测隧洞断面相对变形而导致对隧洞断面绝对变形规律认识不清的弊端。
附图说明
20.附图1为本实用新型所提出的隧洞断面绝对变形自动化监测系统的正视结构示意图；
21.附图2为图1中的阵列位移计的局部放大图；
22.附图3为图1中的多点位移计的局部放大图；
23.图中：阵列位移计1、硬管11、软管12、加速度传感器13、卡具14、多点位移计2、测杆21、第一测杆21-1、第二测杆21-2、第三测杆21-3、位移传感器22、安装基座23、安装板24、固定螺栓25、锚头26、支撑环27、数据采集设备3、终端设备4、衬砌结构5、围岩6、钻孔7。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
25.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对实用新型的限制。
26.本实用新型一种隧洞断面绝对变形自动化监测系统，包括阵列位移计1，所述阵列位移计1设置在隧洞衬砌结构5内壁或内部，用于实时监测隧洞断面相对于阵列位移计1一端端头的相对变形。所述阵列位移计1一端端头设有多点位移计2，所述多点位移计2埋设在隧洞洞壁至围岩6深部的钻孔7内，用于实时监测钻孔7孔口处相对于围岩6深部不动点的绝对位移。所述多点位移计2与阵列位移计1协同工作，实现实时监测隧洞断面相对于围岩6深部不动点的绝对变形。所述自动化监测系统还包括数据采集设备3和终端设备4，所述采集设备3分别与阵列位移计1和多点位移计2电缆连接，用于实时采集、存储阵列位移计1和多点位移计2的监测数据。所述终端设备4与数据采集设备3电缆连接，用于对数据采集设备3发出自动化遥测指令，接收数据采集设备3上传的监测数据，并进行相关数据分析，得到隧洞断面内壁相对于围岩6深部不动点的绝对变形数据。
27.本实用新型通过建立阵列位移计1和多点位移计2的空间物理连接关系，充分融合阵列位移计1监测的隧洞断面相对于阵列位移计1一端端头的相对变形，以及多点位移计2监测的钻孔7孔口处相对于围岩6深部不动点的绝对位移，结合数据采集设备3的数据采集功能、计算机和软件的分析功能，实现对隧洞断面绝对变形的实时自动化监测。
28.上述技术方案中，所述阵列位移计1与隧洞断面接触贴合在一起协同变形，可以以埋入式安装方式设置在隧洞衬砌5的结构内部，也可以安装在衬砌结构5的内壁表面，本实用新型并不对安装方式进行限定。
29.如图1和图2所示，本实施例中，所述阵列位移计1包括若干节交替连接的硬管11和软管12，软管12两端各连接一节硬管11，每节硬管11中间位置处均设有加速度传感器13，每个所述加速度传感器13用于实时监测对应位置处隧洞内壁的变形形态数据，从而使与隧洞断面协同变形的阵列位移计1能够确定隧洞断面相对于阵列位移计1一端端头的相对变形矢量。
30.单节所述硬管11长度和个数根据隧洞断面大小确定，其长度规格有0.3m、0.5m和1.0m。本实施例中，隧洞断面直径4.0m，单节硬管11为0.5m，共计二十一个。
31.本实施例中，所述阵列位移计1还包括与若干节硬管11两端一一对应的卡具14，每一节硬管11两端分别配一个卡具14。所述卡具14固定设置在隧洞衬砌结构5内壁上，用于将与其对应的硬管11卡入固定。
32.上述技术方案中，所述多点位移计2埋设在隧洞洞壁沿水平方向至围岩6深部的钻孔7内，所述隧洞洞径为4m，所述钻孔7孔深20m。距离隧洞洞壁至围岩6深部0.5m距离之间，钻孔7直径φ200mm(钻孔7直径具体视多点位移计2尺寸确定，本实用新型并不对钻孔7直径进行限定)，余下的19.5m钻孔7直径为φ110mm。
33.如图3所示，所述多点位移计2包括位于钻孔7孔口处的安装基座23，所述安装基座23呈蜂窝煤状，与阵列位移计1一端端头牢固连接。所述安装基座23内贯穿三根长度不同，且水平布置的测杆21。其中第一测杆21-1长度为15米，第二测杆21-2长度为10米，第三测杆21-3长度为5米。每根所述测杆21沿长度方向每隔一段距离宜安装支撑环27，用来防止测杆21打结或扭转。
34.每根所述测杆21一端端头对应于钻孔7孔口处均设有位移传感器22，另一端端头均设有锚固于围岩6深部的锚头26，所述锚头26分布于钻孔7内不同深度处。所述位移传感器22通过安装板24固定在安装基座23上。将位移传感器22插入安装板24内的安装孔，达到测杆21连接点后将位移传感器22向连接方向施加一定压力顺时针旋入测杆21顶部的连接孔中，最后用固定螺栓25将安装板24与安装基座23连接拧紧。
35.测杆21的锚头26锚固于隧洞围岩6深部几米～几十米的位置，其中所述第一测杆21-1(即最长测杆)另一端端头的锚头26视为所述围岩6深部不动点。每根所述测杆21一端端头的位移传感器22用于实时监测钻孔7孔口处相对于围岩6不同深度的绝对位移矢量。所述第一测杆21-1(即最长测杆)一端端头的位移传感器22用于实时监测钻孔7孔口处相对于围岩6深部不动点的绝对位移矢量。通过将第一测杆21-1一端端头的位移传感器22测量的绝对位移矢量和阵列位移计1自身测量的相对变形矢量叠加，可得到隧洞断面相对于围岩6深部不动点的绝对变形数据。
36.阵列位移计1以及多点位移计2通过电缆与数据采集设备3连接，数据采集设备3和终端设备4通过电缆进行连接。利用终端设备4对数据采集设备3发出自动化遥测指令，得到各类监测数据，并结合终端设备4相关软件的分析计算功能，将第一测杆21-1端头的位移传感器22测量的绝对位移矢量和阵列位移计1自身测量的相对变形矢量叠加，得到隧洞断面内壁相对于围岩6深部不动点的绝对变形数据，实现对隧洞围岩内壁绝对变形的全断面实时自动化监测。
37.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。