盾构施工管片沉降自动监测系统及其监测方法与流程

1.本发明涉及盾构施工技术领域，特指一种盾构施工管片沉降自动监测系统及其监测方法。


背景技术：

2.盾构机施工过程中需要对施工扰动区域的管片沉降情况进行测量，测量结果指导现场施工，确保工程安全，同时也是预测地表沉降的重要依据。参见图1，常见管片沉降监测方法为人工精密水准测量，所需作业人员两人，水准仪11操作人员一人，水准尺12操作人员一人。作业时，两人沿固定水准路线将隧道内稳定区域的水准点高程引测至作业面附近的临时水准点13上，使水准仪11视线高程短暂接入工程高程系统，水准尺12操作人员将水准尺12逐环放置于管片底部前沿中心供水准仪11操作人员观测并记录视线高，观测结束后水准仪11操作员将观测记录整理并计算，与前次观测记录对比获得管片沉降量。但是该方法耗费人力与时间，监测效率低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种盾构施工管片沉降自动监测系统及其监测方法，以解决现有人工精密水准测量的方式耗费人力与时间，监测效率低的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种盾构施工管片沉降自动监测系统，所述监测系统安装于盾构盾尾的车架上，所述监测系统包括：
5.竖直地安装于所述车架尾部的顶面且朝向管片环顶部的第一激光测距仪和第二激光测距仪，与所述盾构的工控机连接，所述第一激光测距仪与所述第二激光测距仪的间距等于所述管片环的环宽，通过所述第一激光测距仪测得所述第一激光测距仪与对应管片环上检测点的第一间距
△
ha1，通过所述第二激光测距仪测得所述第二激光测距仪与对应管片环上检测点的第二间距
△
ha2；
6.可转动地安装于所述车架头部的顶面且朝向管片环顶部的第三激光测距仪，所述第三激光测距仪、所述第一激光测距仪以及所述第二激光测距仪在水平方向上对齐设置，所述第三激光测距仪与所述盾构的工控机控制连接，通过所述工控机控制所述第三激光测距仪转动调节以使所述第三激光测距仪依次地对准当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上的检测点，以测得所述第三激光测距仪分别与当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上检测点的若干个第三间距d；以及
7.安装连接于所述第一激光测距仪、所述第二激光测距仪以及所述第三激光测距仪上的高程测量装置，与所述盾构的工控机连接，所述高程测量装置用于测量所述第一激光测距仪与所述第二激光测距仪的第一高程差
△
hab以及所述第一激光测距仪与所述第三激光测距仪的第二高程差
△
hac，盾构每拼装完成一环管片环，并测得所述第一高程差
△
hab、所述第二高程差
△
hac、所述第一间距
△
ha1、所述第二间距
△
ha2以及所述第三间距d，结合
所述第一激光测距仪对应检测点的设定高程值ha计算出所述第二激光测距仪对应检测点的高程值hb、当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上检测点的高程值hn，根据若干组高程值的差值以计算出管片环的沉降数值。
8.本发明的管片沉降自动监测系统安装于盾构盾尾的车架上，随着盾构不断掘进，盾构每拼装完成一环管片环，获取一组第一激光测距仪对应检测点的设定高程值ha、第二激光测距仪对应检测点的高程值hb、当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上检测点的高程值hn的监测数据，根据所获取的若干组高程值的差值可以计算出管片环的沉降数值，实现了在盾构掘进的过程中同时完成对管片环的沉降的实时监控，无需人工操作测量，节省了人力和时间，提高了管片环沉降量的监测精度。
9.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的进一步改进在于，所述高层测量装置包括安装于所述第一激光测距仪上的第一液体静力水准仪、安装于所述第二激光测距仪上的第二液体静力水准仪、安装于所述第三激光测距仪上的第三液体静力水准仪、安装连接于所述第一液体静力水准仪与所述第二液体静力水准仪之间的第一水管和第一气管以及安装连接于所述第二液体静力水准仪与所述第三液体静力水准仪之间的第二水管与第二气管；
10.所述第一液体静力水准仪、所述第二液体静力水准仪以及所述第三液体静力水准仪依次连接并与所与所述盾构的工控机连接。
11.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的进一步改进在于，所述第一激光测距仪的设置方向与所述管片环的中轴线的方向一致。
12.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的进一步改进在于，还包括安装于所述车架头部的顶面的云台，所述第三激光测距仪可转动地安装于所述云台上。
13.本发明还提供了一种利用如上述的盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法，包括如下步骤：
14.在盾构拼装完成当前管片环时，所述工控机控制所述第一激光测距仪测得所述第一激光测距仪与对应管片环上检测点的第一间距
△
ha1，所述工控机控制所述第二激光测距仪测得所述第二激光测距仪与对应管片环上检测点的第二间距
△
ha2；
15.所述工控机控制所述第三激光测距仪转动，以使所述第三激光测距仪依次地对准当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上的检测点，以测得所述第三激光测距仪与当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上检测点的若干个第三间距d；
16.所述高程测量装置测量所述第一激光测距仪与所述第二激光测距仪的第一高程差
△
hab以及所述第一激光测距仪与所述第三激光测距仪的第二高程差
△
hac；
17.所述工控机获取当前时刻的所述第一高程差
△
hab、所述第二高程差
△
hac、所述第一间距
△
ha1、所述第二间距
△
ha2以及所述第三间距d，结合所述第一激光测距仪对应检测点的设定高程值ha计算出所述第二激光测距仪对应检测点的高程值hb、当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上检测点的高程值hn；
18.随着盾构不断掘进，所述工控机获取并计算出相应的管片环上检测点的高程值，根据若干组高程值的差值以计算出管片环的沉降数值。
19.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法的进一步改进在于，根据如下公式计算得到所述第二激光测距仪对应检测点的高程值hb：
20.hb＝ha
‑△
ha1+
△
hab+
△
hb2；
21.其中，ha为所述第一激光测距仪对应检测点的设定高程值，
△
ha1为所述第一激光测距仪与对应管片环上检测点的第一间距，
△
hab为所述第一激光测距仪与所述第二激光测距仪的第一高程差，
△
hb2为所述第二激光测距仪与对应管片环上检测点的第二间距。
22.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法的进一步改进在于，根据如下公式计算得到所述第三激光测距仪与对应管片环上检测点的垂距
△
hn：
23.△
hn＝d*sin(β)；
24.其中，d为所述第三激光测距仪与对应管片环上检测点的间距，β为所述第三激光测距仪与水平线之间的夹角。
25.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法的进一步改进在于，根据如下公式计算得到所述第三激光测距仪对应检测点的高程值hn：
26.hn＝ha
‑△
ha1+
△
hac+
△
hn；
27.其中，ha为所述第一激光测距仪对应检测点的设定高程值，
△
ha1为所述第一激光测距仪与对应管片环上检测点的第一间距，
△
hac为所述第一激光测距仪与所述第三激光测距仪的第二高程差，
△
hn为所述第三激光测距仪与对应管片环上检测点的垂距。
28.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法的进一步改进在于，在所述工控机控制所述第三激光测距仪的转动时，所述工控机获取所述第三激光测距仪与水平线之间的夹角β。
29.本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法的进一步改进在于，在初次计算中，ha为初始的设定值；
30.在之后计算过程中，本次监测中所述第一激光测距仪对应检测点的设定高程值ha为前一次监测中所述第二激光测距仪对应检测点的高程值hb。
附图说明
31.图1为现有人工精密水准测量的的结构示意图。
32.图2本发明盾构施工管片沉降自动监测系统的结构示意图。
33.图3为本发明盾构施工管片沉降自动监测方法的流程图。
34.符号说明：水准仪11，水准尺12，临时水准点13，管片环20，车架30，第一激光测距仪40，第二激光测距仪50，第三激光测距仪60，云台70，工控机80，高程测量装置90。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
36.本发明提供了一种盾构施工管片沉降自动监测系统及其监测方法，盾构每拼装完成一环管片环，并计算出第二激光测距仪对应检测点的高程值hb、当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环上检测点的高程值hn，根据若干组高程值的差值以计算出管片环的沉降数值。与人工监测方式相比，自动化程度高、精度高。
37.下面结合附图对本发明盾构施工管片沉降自动监测系统进行说明。
38.参见图2，在本实施例中，一种盾构施工管片沉降自动监测系统包括：监测系统安装于盾构盾尾的车架30上，监测系统包括：竖直地安装于车架30尾部的顶面且朝向管片环20顶部的第一激光测距仪40和第二激光测距仪50，与盾构的工控机80连接，第一激光测距仪40与第二激光测距仪50的间距等于管片环20的环宽，通过第一激光测距仪40测得第一激光测距仪40与对应管片环20上检测点的第一间距
△
ha1，通过第二激光测距仪50测得第二激光测距仪50与对应管片环20上检测点的第二间距
△
ha2；可转动地安装于车架30头部的顶面且朝向管片环20顶部的第三激光测距仪60，第三激光测距仪60、第一激光测距仪40以及第二激光测距仪50在水平方向上对齐设置，第三激光测距仪60与盾构的工控机80控制连接，通过工控机80控制第三激光测距仪60转动调节以使第三激光测距仪60依次地对准当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环20上的检测点，以测得第三激光测距仪60分别与当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环20上检测点的若干个第三间距d；安装连接于第一激光测距仪40、第二激光测距仪50以及第三激光测距仪60上的高程测量装置90，与盾构的工控机80连接，高程测量装置90用于测量第一激光测距仪40与第二激光测距仪50的第一高程差
△
hab以及第一激光测距仪40与第三激光测距仪60的第二高程差
△
hac，盾构每拼装完成一环管片环20，并测得第一高程差
△
hab、第二高程差
△
hac、第一间距
△
ha1、第二间距
△
ha2以及第三间距d，结合第一激光测距仪40对应检测点的设定高程值ha计算出第二激光测距仪50对应检测点的高程值hb、当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环20上检测点的高程值hn，根据若干组高程值的差值以计算出管片环20的沉降数值。
39.在本实施例中的管片沉降自动监测系统安装于盾构盾尾的车架30上，随着盾构不断掘进，盾构每拼装完成一环管片环20，工控机80获取并计算出相应的管片环20上检测点的高程值，根据若干组高程值的差值以计算出管片环20的沉降数值，在盾构掘进的过程中实时地对管片环20的高程进行监测，以获取到管片环20的沉降数据，人工精密水准测量的作业位置位于管片底部中心，导致其不适用于具有大型喂片机的大直径盾构，除此以外，对于小直径盾构，人工精密水准测量在作业时要求管片运输车不位于车架30内部，导致人工精密水准测量的作业时间受限或盾构施工进程受影响。与现有人工精密水准测量的方式相比，本技术中的监测系统在盾构掘进的过程中可自动获取高程基准信息，不耽误盾构施工的进程，无需人工测量实现了自动化的监测、提高了管片环20沉降监测的精度。
40.参见图2，在一种具体实施例中，高层测量装置包括安装于第一激光测距仪40上的第一液体静力水准仪、安装于第二激光测距仪50上的第二液体静力水准仪、安装于第三激光测距仪60上的第三液体静力水准仪、安装连接于第一液体静力水准仪与第二液体静力水准仪之间的第一水管和第一气管以及安装连接于第二液体静力水准仪与第三液体静力水准仪之间的第二水管与第二气管；第一液体静力水准仪、第二液体静力水准仪以及第三液体静力水准仪依次连接并与所与盾构的工控机80连接。
41.较佳的，高层测量装置包括对应第一激光测距仪40安装于车架30尾部的顶面的第一安装台、对应第二激光测距仪50安装于车架30尾部的顶面的第二安装台，第一激光测距仪40和第一液体静力水准仪安装于第一安装台，第二激光测距仪50和第二液体静力水准仪安装于第二安装台。
42.参见图2，进一步的，第一激光测距仪40的设置方向与管片环20的中轴线的方向一
致。
43.参见图2，更进一步的，监测系统还包括安装于车架30头部的顶面的云台70，第三激光测距仪60可转动地安装于云台70上。
44.较佳的，第三液体静力水准仪安装于云台70上。
45.参见图2，在一种较佳实施例中，本发明的硬件由激光测距仪、云台70、液体静力水准系统、工控机80、显示装置、连接线和供电设备等组成，软件由搭载于工控机80的管片沉降数据获取处理分析显示一体化软件组成。硬件连接情况如下，a点为车架30尾部上可观测最后一环管片环20的位置，垂直安装一台固定于车架30顶部的激光测距仪，b点为车架30尾部上可观测倒数第二环管片环20的位置，垂直安装一台固定于车架30顶部的激光测距仪，c点为车架30前部顶端，安装一台固定于车架30顶部的云台70，并在云台70上固定一台激光测距仪。a、b、c三点同时接入液体静力水准系统。供电设备通过线缆为云台70、激光测距仪、液体静力水准系统、工控机80和显示装置供电。各模块通过连接线与工控机80连接实现指令和数据交互，工控机80通过连接线与显示装置连接实现管片环20沉降观测成果的可视化。
46.下面对本发明的盾构施工管片沉降自动监测系统的工作流程进行说明。
47.建立管片沉降数据获取处理分析显示一体化软件与当前盾构机实时数据库之间的连接，实现盾构机环号、切口里程、千斤顶行程、管片环20的环宽等数据的实时获取。
48.在硬件连接完成后，对系统进行初始化作业。a点激光测距仪对第1环管顶进行观测，以激光指示测点位置，并人工将测点高程引测至施工高程系统，作为初始值，记录当前盾构机环号，切口里程和千斤顶行程。b点激光测距仪对第2环管顶进行观测，记录测距仪读数。实测a点激光测距仪垂直状态下与管片环20内弧面之间垂距，计算c点激光测距仪至拼装环及拼装环后8环测点的设计垂直角。云台70控制c点激光测距仪旋转，并对拼装环及拼装环后8环测点进行距离观测，并根据转动的垂直角进行投影改正
△
hn＝d*sin(β)，d为c点激光测距仪与对应的管片环20上的测点间的距离，β为垂直角，计算c点激光测距仪至对应的管片环20的垂距，再计算各环测点高程。
49.a点激光测距仪对应管片环20上测点高程为ha，a点至第1环管片环20上测点高程差为
△
ha1，b点至第2环管片环20上测点高程差为
△
hb2，c点至拼装环及拼装环后8环测点上高程差为
△
hn、
△
hn-1、
△
hn-2、
△
hn-3、
△
hn-4、
△
hn-5、
△
hn-6、
△
hn-7、
△
hn-8。由静力水准系统测的a点激光测距仪至b点激光测距仪高程差为
△
hab，a点激光测距仪至c点激光测距仪高程差
△
hac，则b点激光测距仪对应的管片环20上测点初始高程为hb＝ha
‑△
ha1+
△
hab+
△
hb2，拼装环及拼装环后8环上测点高程的计算以拼装环为例，hn＝ha
‑△
ha1+
△
hac+
△
hn。则第一环、第二环、拼装环及拼装环后8环测点高程均已知，系统初始化结束。
50.盾构机掘进一个管片环20长度，触发下一个观测周期。a点激光测距仪跟随车架30移动至第二环，激光测距仪对第二环管顶进行观测。b点激光测距仪跟随车架30移动至第三环，激光测距仪对第三环管顶进行观测。c点云台70控制激光测距仪旋转，并对新的拼装环及其后8环测点进行距离观测，并根据转动的垂直角进行投影改正
△
hn＝d*sin(β)，计算激光测距仪至各环管片环20的垂距。
51.a点激光测距仪对应管片环20测点高程为ha，因仪器摆放在特殊位置，使得前一周期b点测距仪和本周期a点测距仪对第2环管片环20测点的观测位置一致，则ha在数值上等
于上一周期中的hb，则本周期ha数值已知，a点至第2环管片环20测点高程差为
△
ha2，b点至第3环管片环20测点高程差为
△
hb3，c点至新拼装环及拼装环后8环测点高程差为
△
hn+1、
△
hn、
△
hn-1、
△
hn-2、
△
hn-3、
△
hn-4、
△
hn-5、
△
hn-6、
△
hn-7。由静力水准系统测的a点激光测距仪至b点激光测距仪的高程差为
△
hab，a点激光测距仪至c点激光测距仪的高程差
△
hac。则b点激光测距仪对应的管片环20测点初始高程为hb＝ha
‑△
ha2+
△
hab+
△
hb3，新拼装环及拼装环后8环测点高程的计算以新拼装环为例，hn+1＝ha
‑△
ha2+
△
hac+
△
hn+1。则第二环、第三环、新拼装环及拼装环后8环测点高程均已知。
52.此时第n环至第n-7环存在两次高程观测成果，作差可计算得到第n环至第n-7环的管片沉降数值。并将第沉降信息以图表的形式输出至显示器。
53.盾构机掘进一个管片环20的环宽距离，触发下一个观测周期。a、b、c三点的激光测距仪对应位置进行观测，并记录静力水准系统数据。此时第n+1环至第n-6环存在两次高程观测成果，作差可计算得到第n+1环至第n-6环的管片沉降数值。并将第沉降信息以图表的形式输出至显示器。盾构机每掘进一个管片环20的环宽距离，触发下一个观测周期，以此类推，盾构每掘进一个管片环20的环宽距离，均可获得拼装环至拼装环后8环的沉降监测数据。
54.盾构机完成整个隧道全部管片环20拼装，管片沉降监测结束。
55.参见图3，本发明还提供了一种利用如上述的盾构施工管片沉降自动监测系统的监测方法，包括如下步骤：
56.s101：在盾构拼装完成当前管片环20时，工控机80控制第一激光测距仪40测得第一激光测距仪40与对应管片环20上检测点的第一间距
△
ha1，工控机80控制第二激光测距仪50测得第二激光测距仪50与对应管片环20上检测点的第二间距
△
ha2；
57.s102：工控机80控制第三激光测距仪60转动，以使第三激光测距仪60依次地对准当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环20上的检测点，以测得第三激光测距仪60与当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环20上检测点的若干个第三间距d；
58.s103：高程测量装置90测量第一激光测距仪40与第二激光测距仪50的第一高程差
△
hab以及第一激光测距仪40与第三激光测距仪60的第二高程差
△
hac；
59.s104：工控机80获取当前时刻的第一高程差
△
hab、第二高程差
△
hac、第一间距
△
ha1、第二间距
△
ha2以及第三间距d，结合第一激光测距仪40对应检测点的设定高程值ha计算出第二激光测距仪50对应检测点的高程值hb、当前拼装环以及当前拼装环后方的若干个管片环20上检测点的高程值hn；
60.s105：随着盾构不断掘进，工控机80获取并计算出相应的管片环20上检测点的高程值，根据若干组高程值的差值以计算出管片环20的沉降数值。
61.进一步的，根据如下公式计算得到第二激光测距仪50对应检测点的高程值hb：
62.hb＝ha
‑△
ha1+
△
hab+
△
hb2；
63.其中，ha为第一激光测距仪40对应检测点的设定高程值，
△
ha1为第一激光测距仪40与对应管片环20上检测点的第一间距，
△
hab为第一激光测距仪40与第二激光测距仪50的第一高程差，
△
hb2为第二激光测距仪50与对应管片环20上检测点的第二间距。
64.在一种具体实施例中，根据如下公式计算得到第三激光测距仪60与对应管片环20上检测点的垂距
△
hn：
65.△
hn＝d*sin(β)；
66.其中，d为第三激光测距仪60与对应管片环20上检测点的间距，β为第三激光测距仪60与水平线之间的夹角。
67.进一步的，根据如下公式计算得到第三激光测距仪60对应检测点的高程值hn：
68.hn＝ha
‑△
ha1+
△
hac+
△
hn；
69.其中，ha为第一激光测距仪40对应检测点的设定高程值，
△
ha1为第一激光测距仪40与对应管片环20上检测点的第一间距，
△
hac为第一激光测距仪40与第三激光测距仪60的第二高程差，
△
hn为第三激光测距仪60与对应管片环20上检测点的垂距。
70.更进一步的，在工控机80控制第三激光测距仪60的转动时，工控机80获取第三激光测距仪60与水平线之间的夹角β。
71.在一种具体实施例中，在初次计算中，ha为初始的设定值；
72.在之后计算过程中，本次监测中第一激光测距仪40对应检测点的设定高程值ha为前一次监测中第二激光测距仪50对应检测点的高程值hb。
73.由于第一激光测距仪40与第二激光测距仪50的间距等于管片环20的环宽，盾构每掘进一个管片环20的环宽的距离，第一激光测距仪40向前移动，并与前一次监测中的第二激光测距仪50对应的检测点相对齐，即在本次监测中第一激光测距仪40仍旧对前一次监测中的第二激光测距仪50对应的检测点的高程进行监测。
74.在盾构的掘进过程中，盾构的切削机构切削土体，导致盾构头部的切削机构附近的土体扰动，进而使得靠近盾构头部的切削机构附近的管片环20容易发生沉降，而远离盾构头部的切削机构的管片环20的基本上不受切削机构影响，即第一激光测距仪40对应管片环20由于远离切削机构不考虑沉降问题，因此，在之后计算过程中，当前第一激光测距仪40对应检测点的设定高程值ha赋值为前一次管片环20监测数据中第二激光测距仪50对应检测点的高程值hb。
75.进一步的，盾构完成整个隧道全部管片环20拼装时，监测系统停止监测。
76.较佳的，在盾构拼装完成当前管片环20时，第三激光测距仪60依次地对准当前拼装环以及当前拼装环后方的8个管片环20上的检测点，以测得第三激光测距仪60与当前拼装环以及当前拼装环后方的8个管片环20上检测点的若干个第三间距d。
77.通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
78.本监测系统属于智能盾构领域，涉及液体静力水准系统、激光测距仪、工控机等相结合的技术，主要针对盾构施工过程中拼装环至拼装环后8环范围内的沉降监测难题，通过合理规划、设计并建立一套管片沉降自动监测系统。设计结构灵活，可逐环监测盾构拼装环至拼装环后8环范围内的管片沉降，液体静力水准系统和激光测距仪均安置于车架顶端中部，能随着盾构推进实现高程基准的获取，并按设定掘进距离自动进行沉降观测，保障盾构施工顺利进行。基于液体静力水准系统和激光测距仪的系统高程基准自动获取的硬件安装方法和计算方式，实现自动管片沉降观测的前提。液体静力水准系统与多个激光测距仪的实时指令控制和数据交互，是实现自动管片沉降观测的关键技术。与人工监测方式相比，自动化程度高、精度高。
79.需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限
定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。