一种轨道交通隧道沉降监测方法及系统与流程

1.本发明涉及地质监测技术领域，特别涉及一种轨道交通隧道沉降监测方法及系统。


背景技术：

2.随着城市建设的快速发展，城市轨道交通是城市现代化建设和发展过程中缓解交通压力的有效措施。城市轨道交通总体建在地质条件复杂、地下管线交错、建筑物林立、人口密集的繁华区，因此不可避免地会导致轨道交通隧道产生一定程度的沉降。当沉降量达到一定限度时会给轨道交通施工或正常运行带来安全隐患。为避免发生地质沉降带来的灾害，在城市地质监测数据的处理方面，仍然存在监测盲点及监测数据分析预报不完善的问题，迫切需要对城市地质沉降的监测数据进行有效利用，以克服地质沉降灾害，提升城市建设的规划水平。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的是提供一种轨道交通隧道沉降监测方法及系统，通过静力水准仪采集监测点沉降数据并通过光纤传感器采集基准点沉降数据，通过基准点沉降数据对监测点沉降数据进行修正，得到轨道交通隧道的沉降监测数据，提高了沉降监测数据采集的准确性，提升了沉降监测水平，提高了防灾减灾应对能力。
4.为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种轨道交通隧道沉降监测方法，包括如下步骤：基于静力水准仪采集轨道交通隧道变形的若干个监测点沉降数据；基于光纤传感器采集所述轨道交通隧道内的若干个基准点沉降数据；将所述监测点沉降数据和所述基准点沉降数据发送至沉降监测服务器；基于相同监测周期内的所述基准点沉降数据，对所述监测点沉降数据进行修正处理，计算所述轨道交通隧道的沉降监测数据，所述沉降监测数据包括：沉降量、倾斜变形、沉降曲线曲率及沉降速率。
5.进一步地，所述采集轨道交通隧道变形的若干个监测点的沉降数据之后，还包括：对一所述监测点的若干个连续监测周期的所述沉降数据进行正态性检验；获取正态性检验后的所述若干个连续监测周期的所述沉降数据的中位数；基于所述若干个连续监测周期的所述沉降数据的中位数，依据格拉布斯准则对所述沉降数据进行筛选，剔除其中的误差数据。
6.进一步地，所述依据格拉布斯准则对所述沉降数据进行筛选之后，还包括：通过三次样条插值法对剔除的所述误差数据进行插补。
7.进一步地，所述基于相同监测周期内的所述基准点沉降数据对所述监测点沉降数据进行修正处理并计算所述轨道交通隧道的沉降监测数据，包括：依据所述基准点沉降数据的权重值和所述监测点沉降数据的权重值，计算所述沉
降监测数据，所述沉降监测数据为：；其中，为所述监测点沉降数据的权重值，为所述基准点沉降数据的权重值，、、、为常数。
8.进一步地，所述依据所述基准点沉降数据的权重值和所述监测点沉降数据的权重值，计算所述沉降监测数据之前，还包括：在所述基准点沉降数据与对应所述监测点沉降数据存在时间差时，将所述基准点沉降数据的时间向所述监测点沉降数据的对应时间进行校准；当时，所述基准点沉降数据校准后的数值为：；当时，所述基准点沉降数据校准后的数值为：；其中，为所述监测点沉降数据在同一所述监测周期时间的对应值，为所述基准点沉降数据在同一所述监测周期时间的对应值。
9.相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种轨道交通隧道沉降监测系统，包括：第一数据采集模块，其用于基于静力水准仪采集轨道交通隧道变形的若干个监测点沉降数据；第二数据采集模块，其用于基于光纤传感器采集所述轨道交通隧道内的若干个基准点沉降数据；数据传输模块，其用于将所述监测点沉降数据和所述基准点沉降数据发送至沉降监测服务器；数据处理模块，其用于基于相同监测周期内的所述基准点沉降数据，对所述监测点沉降数据进行修正处理，计算所述轨道交通隧道的沉降监测数据，所述沉降监测数据包括：沉降量、倾斜变形、沉降曲线曲率及沉降速率。
10.进一步地，所述轨道交通隧道沉降监测系统还包括：数据校验模块，所述数据校验模块包括：正态分布检验单元，其用于对一所述监测点的若干个连续监测周期的所述沉降数据进行正态性检验；中位数获取单元，其用于获取正态性检验后的所述若干个连续监测周期的所述沉降数据的中位数；数据筛选单元，其用于基于所述若干个连续监测周期的所述沉降数据的中位数，
依据格拉布斯准则对所述沉降数据进行筛选，剔除其中的误差数据。
11.进一步地，所述数据校验模块还包括：数据插补单元，其用于通过三次样条插值法对剔除的所述误差数据进行插补。
12.进一步地，所述数据处理模块包括：数据计算单元，其用于依据所述基准点沉降数据的权重值和所述监测点沉降数据的权重值，计算所述沉降监测数据，所述沉降监测数据为：；其中，为所述监测点沉降数据的权重值，为所述基准点沉降数据的权重值，、、、为常数。
13.进一步地，所述数据处理模块还包括：时间校准单元，其用于将所述基准点沉降数据的时间向所述监测点沉降数据的对应时间进行校准；当时，所述基准点沉降数据校准后的数值为：；当时，所述基准点沉降数据校准后的数值为：；其中，为所述监测点沉降数据在同一所述监测周期时间的对应值，为所述基准点沉降数据在同一所述监测周期时间的对应值。
14.本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：通过静力水准仪采集监测点沉降数据并通过光纤传感器采集基准点沉降数据，通过基准点沉降数据对监测点沉降数据进行修正，得到轨道交通隧道的沉降监测数据，提高了沉降监测数据采集的准确性，提升了沉降监测水平，提高了防灾减灾应对能力。
附图说明
15.图1是本发明实施例提供的轨道交通隧道沉降监测方法流程图；图2是本发明实施例提供的静力水准仪原理示意图；图3是本发明实施例提供的轨道交通隧道沉降监测系统模块框图；图4是本发明实施例提供的数据处理模块框图；图5是本发明实施例提供的数据校验模块框图。
16.附图标记：1、第一数据采集模块，2、第二数据采集模块，3、数据传输模块，4、数据处理模块，
41、数据计算单元，42、时间校准单元，5、数据校验模块，51、正态分布检验单元，52、中位数获取单元，53、数据筛选单元，54、数据插补单元。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
18.请参照图1，本发明实施例的第一方面提供了一种轨道交通隧道沉降监测方法，包括如下步骤：s100，基于静力水准仪采集轨道交通隧道变形的若干个监测点沉降数据。
19.具体的，步骤s100中的通过静力水准仪采集监测点沉降数据，可以通过采用压阻式静力水准仪对隧道的差异性沉降量进行监测。
20.在一个具体实施例中，请参照图2，压阻式静力水准仪包括壳体、探针、控制器接口、气管口、液管口、预埋地脚、液体、液气管道、压阻传感器、电机、信号转换电路等部分，压阻传感器采用电阻全桥结构。它的工作原理是通过水准仪内部压阻传感器（具体可为高精硅压传感器）测出基准灌与监测点之间的压力，基准灌位于在隧道内部的一个相对不动点上，各个监测点的水准仪和基准灌通过高强度的气压罐联接到一起，每个水准仪内部都安装高精硅压传感器，传感器与基准灌之间充满液压液体，传感器测得的压力是该监测点到基准灌的液面压力，介质是均匀相同的，两容器液体的自由面处于同一水平面上，压力与液面高度呈线性关系，如果压阻传感器感测到压力发生变化即说明该点与基准液面之间的高差发生变化，根据生产前的压力与液面高差标定线性表，压阻式静力水准仪内部的处理器可以计算出各点相对于基准灌处的相对沉降量，并将计算结果发送给计算机。具体的，水准仪中的电机可带动探针上下移动，当探针与容器内液面刚好接触时则形成闭合回路，探针停止移动，得到监测点容器内液面高度的变化，进而计算出监测点与基准灌处的相对高度差，即监测点的沉降量。
21.s300，基于光纤传感器采集轨道交通隧道内的若干个基准点沉降数据。
22.步骤s300中，基于光纤传感器对轨道交通隧道内的多个基准点进行沉降数据采集，进行长期监测，将其作为基准点数据对监测点数据进行修正。
23.s500，将监测点沉降数据和基准点沉降数据发送至沉降监测服务器。
24.压阻式静力水准仪是通过采集箱与服务器相连接，传感器采集的数据通过采集箱传输给沉降监测服务器，采集箱与服务器之间的通信主要应用无线通讯技术，无线监测传输系统由服务器端(数据中心)和客户端(监测点)两部分组成，客户端是监测仪器（即压阻式静力水准仪）的现场采集与传输的数据，各个监测仪器通过串行接口连接到采集箱上，采集箱通过串行接口连接无线传输设备，系统通过无线传输设备将监测数据发送到服务器端。沉降监测服务器主要用来进行数据的备份、分析和后处理。
25.s700，基于相同监测周期内的基准点沉降数据，对监测点沉降数据进行修正处理，计算轨道交通隧道的沉降监测数据，沉降监测数据包括：沉降量、倾斜变形、沉降曲线曲率及沉降速率。
26.具体的，监测数据通过通讯设备传输到沉降监测服务器；服务器通过计算，将隧道沉降量、隧道的倾斜变形、沉降曲线的曲率及沉降速率作为判断地铁隧道不均匀沉降的指标。沉降量是监测点相对于基准点高度的变化量，当变化量超过预设阈值时，将严重影响列车的行驶安全；倾斜变形是指相邻监测点在竖直方向的下沉差与两相邻监测点间水平距离的比值。当地铁隧道发生不均匀沉降和倾斜变形时，会改变地铁隧道的几何状态（曲率半径、坡度，坡长），严重影响列车运营的安全性与舒适度，当不均匀沉降量和倾斜变形超过限值时，会导致列车脱轨。
27.不均匀沉降量是监测点相对于基准点高度的变化量即δs，由下式表示：；式中：表示某监测点的下沉值；表示的基准点的下沉值；表示监测点相对于基准点高度的变化量。
28.倾斜变形是指相邻点在竖直方向的下沉差与两相邻点间水平距离的比值，通常用 t 表示。倾斜变形可理解为两点间的平均斜率，以两点连线中心的切线斜率表示。设a、b为两相邻测点，其下沉差为，a、b点间的倾斜变形为:；式中：表示测点a的下沉值；表示测点b的下沉值；表示a、b点间的水平距离。倾斜变形必须控制在测点间距的1.6
‰
以内。
29.沉降速率表示地铁隧道沉降的快慢程度，一般用 v 表示：；式中：表示监测点相对于基准点高度的变化量；t表示时间。当隧道的沉降速率 v≤0.02mm/d 时，应及时向隧道补浆直至沉降速率 v 为 0mm/d 为止。
30.沉降曲线曲率 k 表示下沉盆地剖面线的弯曲度，主要反映地铁隧道变形及隧道的平顺性，一般用曲率半径 r 作为衡量标准。沉降曲线曲率 k 的平均值以相邻两线段的倾斜差
△
t 除以两线段中点的距离表示，即：；沉降曲线曲率 k 与曲率半径 r 可以用以下关系式表示：；式中当隧道曲率半径 r≤3000m 时，将严重影响列车的舒适度和安全性，应采取相应的治理措施。
31.上述采集的沉降数据中不仅包括沉降量、倾斜变形、沉降曲线曲率及沉降速率，还可以进一步包括各个监测点的平均沉降值、平均沉降速率、最大沉降值、最小沉降值。通过上述监测项目，可以进一步提高对轨道交通隧道沉降分析的精准性，提高沉降趋势的预测
水平，提高防灾减灾应对的能力。
32.此外，通过对沉降监测服务器中预设的监测指标预设阈值与汇集得到的监测数据进行比较和判断，如果不符合自动预警条件，则不发出报警；如果某个监测指标超过预设阈值，则自动进行实时预警，启动报警器。
33.基于轨道交通隧道的沉降监测数据中各个监测指标的预设阈值，在获得监测数据后将其与各个预设阈值分别进行对比，可以提高轨道交通隧道的日常监测水平。
34.进一步地，步骤采集轨道交通隧道变形的若干个监测点的沉降数据之后，还包括：s210，对一监测点的若干个连续监测周期的沉降数据进行正态性检验。
35.s220，获取正态性检验后的若干个连续监测周期的沉降数据的中位数。
36.s230，基于若干个连续监测周期的沉降数据的中位数，依据格拉布斯准则对沉降数据进行筛选，剔除其中的误差数据。
37.具体的，通过采用中位数代替平均值来依据格拉布斯准则对实时检测数据进行筛选，提高了对实时检测数据进行误差筛查时的准确性，提升了地面监测数据分析的可靠性。具体地，按照如下方法进行计算：（1）计算疑似异常值对于服从正态分布的数列，其个数为 n，最大值为， 最小值为，中位数为，标准差为，则疑似最大值和疑似最小值为：；；其中，，为数列中每项与平均值的差值。
38.（2）查出格拉布斯临界值设显著水平为(可取 0.01 和 0.05），通过查表可得格拉布斯临界值。
39.（3）异常数据的判别和剔除比较和与值的大小，如果》或》》，则对应的或为异常数据，则剔除该异常数据。
40.（4）重复识别和剔除剔除一个异常值后，重复以上步骤，剔除下一个异常值，直到没有异常值为止。
41.更进一步地，步骤s230中的依据格拉布斯准则对沉降数据进行筛选之后，还包括：s240，通过三次样条插值法对剔除的误差数据进行插补。
42.由于前述步骤中对监测设备采集到的误差数据进行了剔除，为了提高后续数据处理过程中的修正效果及两种数据长度的一致性，需要对剔除掉的误差数据在原数据位置进行插值。
43.此外，在监测点按照监测周期获取监测数据时，因为受监测点周边环境、人员、天气及设备状况的影响，监测数据在一个或多个检测周期内有可能存在缺失，缺失的监测数
据将会影响基于监测数据对地面沉降进行的分析和预警工作，为了进一步提高数据的准确性和完整性，也需要对缺失的检测数据进行插补。
44.进一步地，步骤s700中的基于相同监测周期内的基准点沉降数据对监测点沉降数据进行修正处理并计算轨道交通隧道的沉降监测数据，包括：s720，依据基准点沉降数据的权重值和监测点沉降数据的权重值，计算沉降监测数据，沉降监测数据为：；其中，为监测点沉降数据的权重值，为基准点沉降数据的权重值，、、、为常数。
45.进一步地，步骤s720中的依据基准点沉降数据的权重值和监测点沉降数据的权重值并计算沉降监测数据之前，还包括：s710，在所述基准点沉降数据与对应所述监测点沉降数据存在时间差时，将基准点沉降数据的时间向监测点沉降数据的对应时间进行校准。
46.具体的，当时，基准点沉降数据校准后的数值为：；具体的，当时，基准点沉降数据校准后的数值为：；其中，为监测点沉降数据在同一监测周期时间的对应值，为基准点沉降数据在同一监测周期时间的对应值。
47.上述两种数据的监测周期的起始时间和结束时间需要保持，且数据采集的时间间隔也保持相同。
48.上述轨道交通隧道沉降监测方法在数据采集中还不可避免的收到采集设备精度的随机误差及数据采集时收到外界振动、气压、温度等环境变化的随机误差，上述设备误差及环境误差可以通过历史同期的采集数据进行校正。
49.相应地，请参照图3，本发明实施例的第二方面提供了一种轨道交通隧道沉降监测系统，包括：第一数据采集模块1，其用于基于静力水准仪采集轨道交通隧道变形的若干个监测点沉降数据；第二数据采集模块2，其用于基于光纤传感器采集轨道交通隧道内的若干个基准点沉降数据；数据传输模块3，其用于将监测点沉降数据和基准点沉降数据发送至沉降监测服
务器；数据处理模块4，其用于基于相同监测周期内的基准点沉降数据，对监测点沉降数据进行修正处理，计算轨道交通隧道的沉降监测数据，沉降监测数据包括：沉降量、倾斜变形、沉降曲线曲率及沉降速率。
50.进一步地，请参照图4，数据处理模块4包括：数据计算单元41，其用于依据基准点沉降数据的权重值和监测点沉降数据的权重值，计算沉降监测数据，沉降监测数据为：；其中，为监测点沉降数据的权重值，为基准点沉降数据的权重值，、、、为常数。
51.进一步地，数据处理模块4还包括：时间校准单元42，其用于在所述基准点沉降数据与对应所述监测点沉降数据存在时间差时，将基准点沉降数据的时间向监测点沉降数据的对应时间进行校准；当时，基准点沉降数据校准后的数值为：；当时，基准点沉降数据校准后的数值为：；其中，为监测点沉降数据在同一监测周期时间的对应值，为基准点沉降数据在同一监测周期时间的对应值。
52.进一步地，请参照图5，轨道交通隧道沉降监测系统还包括：数据校验模块5，数据校验模块5包括：正态分布检验单元51，其用于对一监测点的若干个连续监测周期的沉降数据进行正态性检验；中位数获取单元52，其用于获取正态性检验后的若干个连续监测周期的沉降数据的中位数；数据筛选单元53，其用于基于若干个连续监测周期的沉降数据的中位数，依据格拉布斯准则对沉降数据进行筛选，剔除其中的误差数据。
53.进一步地，数据校验模块5还包括：数据插补单元54，其用于通过三次样条插值法对剔除的误差数据进行插补。
54.此外，轨道交通隧道沉降监测系统还包括：监测报警模块，其通过对沉降监测服务器中预设的监测指标预设阈值与汇集得到的监测数据进行比较和判断，如果不符合自动预
警条件，则不发出报警；如果某个监测指标超过预设阈值，则自动进行实时预警，启动报警器。
55.本发明实施例旨在保护一种轨道交通隧道沉降监测方法及系统，其中方法包括：基于静力水准仪采集轨道交通隧道变形的若干个监测点沉降数据；基于光纤传感器采集轨道交通隧道内的若干个基准点沉降数据；将监测点沉降数据和基准点沉降数据发送至沉降监测服务器；基于相同监测周期内的基准点沉降数据，对监测点沉降数据进行修正处理，计算轨道交通隧道的沉降监测数据，沉降监测数据包括：沉降量、倾斜变形、沉降曲线曲率及沉降速率。上述技术方案具备如下效果：通过静力水准仪采集监测点沉降数据并通过光纤传感器采集基准点沉降数据，通过基准点沉降数据对监测点沉降数据进行修正，得到轨道交通隧道的沉降监测数据，提高了沉降监测数据采集的准确性，提升了沉降监测水平，提高了防灾减灾应对能力。
56.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。