基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法

摘要

本发明提供一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法，包括第一激光测距装置、第二激光测距装置和预警云平台；第一激光测距装置和第二激光测距装置对称布置于隧道监测断面的左右两侧；第一激光测距装置朝向当前隧道监测断面的拱顶A位置发射红外线，还向第二激光测距装置发射红外线；第二激光测距装置朝向当前隧道监测断面的拱顶A位置发射红外线，还向第一激光测距装置发射红外线；安装角度保持不变。优点为：本发明提供的基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法，能够简单、方便、实时、准确的测算出隧道拱顶下沉和周边收敛的数值量，进而保证了监测预警系统的可靠性和准确性，因此，可大范围推广使用。

说明书

技术领域

本发明属于隧道监测预警技术领域，具体涉及一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法。

背景技术

隧道监控量测是新奥法施工的三大要素之一，隧道施工通过监控量测结果，进行信息化施工，最大限度地利用围岩自承作用，从而使隧道施工处于动态管理体系之中。隧道工程建设前，其周围岩体处于一个稳定的地应力环境中，隧道的开挖破坏了岩体原始地应力的平衡状态，由隧道围岩本身的自稳及支护结构的支护，隧道围岩将重新达到一个新的平衡状态。隧道施工监控量测是指在隧道施工过程中使用各类型的仪表和工具，对围岩和支护衬砌变形、受力状态的监测，从而达到以下目的：(1)根据量测信息，预警险情，以便及时采取措施，避免事故。(2)了解隧道围岩及支护变形发展趋势，对围岩稳定性作出判断、预测隧道围岩最终稳定时间，以安排合理的施工顺序和二次衬砌施作时机。(3)检验施工预设计，调整支护参数和施工方法，使设计和施工更经济、合理。(4)已有工程的量测结果可以直接应用到后续同类围岩中，也为其他类似工程积累参考资料。

目前针对隧道监控量测必测项中的拱顶下沉和周边收敛的工作主要通过全站仪、收敛计和水准仪等仪器得到，具体的，在隧道拱腰、拱顶测点处安装预埋件，并用混凝土将预埋件填塞，待混凝土砂浆凝固后即可量测。由于传统的拱顶下沉和周边收敛的测算方法，操作繁琐，测算工作须在隧道施工过程中实时跟进，测点布置对施工过程有较大的进度影响，同时由于隧道施工中存在较多大型机械施工，混凝土中的预埋件可能会被破坏，造成测量数据错误，进而最终影响了监测预警系统的可靠性和准确性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统，包括第一激光测距装置(1)、第二激光测距装置(2)和预警云平台；

所述第一激光测距装置(1)和所述第二激光测距装置(2)对称布置于隧道监测断面的左右两侧，所述第一激光测距装置(1)和所述第二激光测距装置(2)距离地面的距离为1.5～2米；所述第一激光测距装置(1)朝向当前隧道监测断面的拱顶A位置发射红外线，还向所述第二激光测距装置(2)发射红外线；所述第二激光测距装置(2)朝向当前隧道监测断面的拱顶A位置发射红外线，还向所述第一激光测距装置(1)发射红外线；所述第一激光测距装置(1)和所述第二激光测距装置(2)的安装角度保持不变；

所述第一激光测距装置(1)和所述第二激光测距装置(2)分别与所述预警云平台通信连接。

优选的，所述第一激光测距装置(1)和所述第二激光测距装置(2)为精度是0.1mm的激光测距装置。

优选的，所述第一激光测距装置(1)和所述第二激光测距装置(2)分别安装于对应位置的隧道初支上面。

本发明还提供一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统的预警方法，包括以下步骤：

步骤1，在隧道监测断面的左右两侧各对称安装第一激光测距装置(1)和第二激光测距装置(2)；对于当前隧道监测断面，设第一激光测距装置(1)的安装位置为B位置，第二激光测距装置(2)的安装位置为C位置，拱顶位置为A位置；

第一激光测距装置(1)分别发射朝向C位置的水平红外线以及朝向A位置的倾斜红外线，测量得到B位置到A位置的距离L_BA，以及测量得到B位置到C位置的距离L_BC；

第二激光测距装置(2)分别发射朝向B位置的水平红外线以及朝向A位置的倾斜红外线，测量得到C位置到A位置的距离L_CA，以及测量得到C位置到B位置的距离L_CB；

距离L_BA、距离L_BC、距离L_CA和距离L_CB的值作为初始监测数据并发送给预警云平台；

步骤2，第一激光测距装置(1)和第二激光测距装置(2)实时采集监测数据，并实时将采集到的监测数据发送给预警云平台；其中，对于任意一次采样，第一激光测距装置(1)和第二激光测距装置(2)按以下方式采样：

在监测时刻，经过拱顶下沉及周边收敛后，设第一激光测距装置(1)的安装位置由B位置收敛到B’位置，第二激光测距装置(2)的安装位置由C位置收敛到C’位置；

第一激光测距装置(1)的安装角度保持不变，此时，第一激光测距装置(1)发射的水平红外线到达C’位置，进而测量得到B’位置到C’位置的距离L_B’C’，第一激光测距装置(1)发射的倾斜红外线到达当前拱顶的M位置，进而测量得到B’位置到M位置的距离L_B’M；

第二激光测距装置(2)的安装角度保持不变，此时，第二激光测距装置(2)发射的水平红外线到达B’位置，进而测量得到C’位置到B’位置的距离L_C’B’，第二激光测距装置(2)发射的倾斜红外线到达当前拱顶的N位置，进而测量得到C’位置到N位置的距离L_C’N；

距离L_B’C’、距离L_B’M、距离L_C’B’和距离L_C’N的值作为本次采样的实时监测数据，发送给预警云平台；

步骤3，预警云平台接收初始监测数据以及每个采样监测时刻采样到的实时监测数据，即得到距离L_BA、距离L_BC、距离L_CA、距离L_CB，以及每个采样监测时刻对应的距离L_B’C’、距离L_B’M、距离L_C’B’和距离L_C’N的值；

预警云平台采用以下方法得到与某次采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀和实时周边收敛值W₀：

1)利用余弦定理计算得到∠ABC和∠ACB角度的余弦值：

其中：为距离L_BC和距离L_CB的平均值；

2)根据∠ABC和∠ACB角度的余弦值计算出∠ABC和∠ACB角度的正弦值：

3)采用下式计算得到拱顶下沉量U₀：

其中：L_AA’为位置A到位置A’的距离，即为实时拱顶下沉量U₀的值；

4)采用下式计算得到周边收敛值W₀：

W₀＝((L_BC-L_B’C’)+(L_CB-L_C’B’))/2

步骤4，所述预警云平台得到与每次采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀和实时周边收敛值W₀，所述预警云平台根据与每次采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀和实时周边收敛值W₀进行隧道安全状态的监测预警。

优选的，步骤4中，基于实时拱顶下沉量进行监测预警，具体为：

步骤4.1，根据隧道设计规划，设定拱顶下沉设计量为U；

步骤4.2，对于实时采样到的与采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀，采用以下规则进行实时监测预警：

1)如果U₀＜(U/3)，将预警级别设为绿色，表示隧道正处于安全状态；

2)如果(U/3)≤U₀≤(2U/3)，将预警级别设为黄色，表示隧道正处于重点关注，根据实际情况选择是否加固处理；

3)如果U＞(2U₀/3)，将预警级别设为红色，表示隧道正处于变形过大，根据实际情况进行必要的加固处理。

优选的，步骤4中，基于拱顶下沉变形速率V进行监测预警，具体为：

步骤4A，设定监测天数T，计算得到监测天数T时的实时拱顶下沉量U₀，采用下式得到拱顶下沉变形速率V：

V＝U₀/T

步骤4B，采用以下规则进行实时监测预警：

1)如果拱顶下沉变形速率V小于0.2mm/d，mm/d代表毫米/天，此时表示围岩基本稳定，预警级别设为绿色，表示隧道可以进行二次衬砌；

2)如果拱顶下沉变形速率V在1mm/d～0.2mm/d之间，此时表示围岩正在趋于稳定，预警级别设为黄色，表示隧道还需要持续进行监测；

3)如果拱顶下沉变形速率V连续大于1mm/d，此时表示围岩变形很大，预警级别设为红色，表示隧道还需要持续进行监测，密切进行关注。

优选的，步骤4中，基于拱顶下沉变形曲线加速度进行监测预警，具体为：

步骤4C，以采样监测时刻为横坐标，以每个采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀为纵坐标，得到对应一段监测时间的多个离散点；

步骤4D，对多个离散点进行曲线拟合，得到拱顶下沉变形曲线；

步骤4F，拱顶下沉变形曲线对时间求二阶导数，如果二阶导数小于0，表示变形加速度为负值，变形速率在减缓，预警级别设为绿色；

如果二阶导数等于0，表示变形加速度为0，变形速率均匀变化，预警级别设为黄色；

如果二阶导数大于0，表示变形加速度为正值，变形速率越来越大，预警级别设为红色。

优选的，步骤4中，基于拱顶下沉变形曲线加速度进行监测预警，具体为：

步骤4-1，根据隧道设计规划，设定周边收敛设计值为W；

步骤4-2，对于实时采样到的与采样监测时刻对应的实时周边收敛值W₀，采用以下规则进行实时监测预警：

如果W₀<(W/5)，将预警级别设为绿色，表示隧道正处于安全状态；

如果(W/5)≤W₀≤(3W/5)，将预警级别设为黄色，表示隧道正处于重点关注，根据实际情况选择是否加固处理；

如果W₀>(3W/5)，将预警级别设为红色，表示隧道正处于变形过大，根据实际情况进行必要的加固处理。

本发明提供的基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法具有以下优点：

本发明提供的基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法，能够简单、方便、实时、准确的测算出隧道拱顶下沉和周边收敛的数值量，进而保证了监测预警系统的可靠性和准确性，因此，可大范围推广使用。

附图说明

图1为本发明提供的基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

本发明提供一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统，属于隧道工程建设领域，只需要简单的在隧道监测断面的左右两侧隧道初支上面各固定安装一个激光测距装置，使每个激光测距装置发射两条红外线，然后经过运算分析，即可精度实时测量到实时拱顶下沉量和周边收敛值，从而基于实时拱顶下沉量和周边收敛值进行隧道监测预警。具有拱顶下沉和周边收敛的测算方法简单、方便、实时性强的优点，从而保证了监测预警系统的可靠性和准确性。

参考图1，基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统包括第一激光测距装置1、第二激光测距装置2和预警云平台；

第一激光测距装置1和第二激光测距装置2对称布置于隧道监测断面的左右两侧，第一激光测距装置1和第二激光测距装置2为精度是0.1mm的激光测距装置。第一激光测距装置1和第二激光测距装置2距离地面的距离为1.5～2米；第一激光测距装置1和第二激光测距装置2分别安装于对应位置的隧道初支上面。

第一激光测距装置1朝向当前隧道监测断面的拱顶A位置发射红外线，还向第二激光测距装置2发射红外线；第二激光测距装置2朝向当前隧道监测断面的拱顶A位置发射红外线，还向第一激光测距装置1发射红外线；第一激光测距装置1和第二激光测距装置2的安装角度保持不变；也就是说，在进行拱顶下沉和周边收敛时，第一激光测距装置1和第二激光测距装置2的安装角度不会发生变化。

第一激光测距装置1和第二激光测距装置2分别与预警云平台通信连接。

在图1中，初始时，拱顶位置为A位置；第一激光测距装置1处于B位置；第二激光测距装置2处于C位置；当进行拱顶下沉及周边收敛后，在某一个监测时刻，拱顶下沉到A’位置，第一激光测距装置1变化到B’位置，第二激光测距装置2变化到C’位置。因此，拱顶下沉的变化量为AA′，周边收敛的变化量为BC的减少量，即BC和B’C’的距离差值。

应用上述的基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统，本发明还提供一种基于拱顶下沉和周边收敛的隧道预警方法，包括以下步骤：

步骤1，在隧道监测断面的左右两侧各对称安装第一激光测距装置1和第二激光测距装置2；对于当前隧道监测断面，设第一激光测距装置1的安装位置为B位置，第二激光测距装置2的安装位置为C位置，拱顶位置为A位置；

第一激光测距装置1分别发射朝向C位置的水平红外线以及朝向A位置的倾斜红外线，测量得到B位置到A位置的距离L_BA，以及测量得到B位置到C位置的距离L_BC；

第二激光测距装置2分别发射朝向B位置的水平红外线以及朝向A位置的倾斜红外线，测量得到C位置到A位置的距离L_CA，以及测量得到C位置到B位置的距离L_CB；

距离L_BA、距离L_BC、距离L_CA和距离L_CB的值作为初始监测数据并发送给预警云平台；

步骤2，第一激光测距装置1和第二激光测距装置2实时采集监测数据，并实时将采集到的监测数据发送给预警云平台；其中，对于任意一次采样，第一激光测距装置1和第二激光测距装置2按以下方式采样：

在监测时刻，经过拱顶下沉及周边收敛后，设第一激光测距装置1的安装位置由B位置收敛到B’位置，第二激光测距装置2的安装位置由C位置收敛到C’位置；

第一激光测距装置1的安装角度保持不变，此时，第一激光测距装置1发射的水平红外线到达C’位置，进而测量得到B’位置到C’位置的距离L_B’C’，第一激光测距装置1发射的倾斜红外线到达当前拱顶的M位置，进而测量得到B’位置到M位置的距离L_B’M；

第二激光测距装置2的安装角度保持不变，此时，第二激光测距装置2发射的水平红外线到达B’位置，进而测量得到C’位置到B’位置的距离L_C’B’，第二激光测距装置2发射的倾斜红外线到达当前拱顶的N位置，进而测量得到C’位置到N位置的距离L_C’N；

距离L_B’C’、距离L_B’M、距离L_C’B’和距离L_C’N的值作为本次采样的实时监测数据，发送给预警云平台；

步骤3，预警云平台接收初始监测数据以及每个采样监测时刻采样到的实时监测数据，即得到距离L_BA、距离L_BC、距离L_CA、距离L_CB，以及每个采样监测时刻对应的距离L_B’C’、距离L_B’M、距离L_C’B，和距离L_C’N的值；

预警云平台采用以下方法得到与某次采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀和实时周边收敛值W₀：

1)根据三角形三条边长度利用余弦定理计算得到∠ABC和∠ACB角度的余弦值：

其中：为距离L_BC和距离L_CB的平均值，采用距离L_BC和距离L_CB的平均值作为计算角度的值，可提高测算结果的可靠性和准确性。

2)根据∠ABC和∠ACB角度的余弦值计算出∠ABC和∠ACB角度的正弦值：

3)采用下式计算得到拱顶下沉量U₀：

其中：L_AA’为位置A到位置A’的距离，即为实时拱顶下沉量U₀的值；

本步骤中，在计算拱顶下沉量U₀时，采用拱顶下沉前的拱顶高度减去拱顶下沉后的拱顶高度作为计算的最终结果。而本发明在计算拱顶下沉前的拱顶高度时，采用两个激光测距装置测量到的拱顶高度的平均值，作为最终结果；同样的，在计算拱顶下沉后的拱顶高度时，采用两个激光测距装置测量到的拱顶高度的平均值，作为最终结果；此种测算方法，可减少单个激光测距装置的测量误差对测量结果的影响，从而提高测算结果的可靠性和准确性。

4)采用下式计算得到周边收敛值W₀：

W₀＝((L_BC-L_B’C’)+(L_CB-L_C’B’))/2

同样的，在测算周边收敛值时，采用两个激光测距装置测量到的周边收敛值的平均值，作为最终结果；此种测算方法，可减少单个激光测距装置的测量误差对测量结果的影响，从而提高测算结果的可靠性和准确性。

步骤4，所述预警云平台得到与每次采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀和实时周边收敛值W₀，所述预警云平台根据与每次采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀和实时周边收敛值W₀进行隧道安全状态的监测预警。

本步骤在具体实现上，可采用以下几种预警规则进行预警：

(一)第一种

基于实时拱顶下沉量进行监测预警，具体为：

步骤4.1，根据隧道设计规划，设定拱顶下沉设计量为U；

步骤4.2，对于实时采样到的与采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀，采用以下规则进行实时监测预警：

1)如果U₀<(U/3)，将预警级别设为绿色，表示隧道正处于安全状态；

2)如果(U/3)≤U₀≤(2U/3)，将预警级别设为黄色，表示隧道正处于重点关注，根据实际情况选择是否加固处理；

3)如果U>(2U₀/3)，将预警级别设为红色，表示隧道正处于变形过大，根据实际情况进行必要的加固处理。

(二)第二种

基于拱顶下沉变形速率V进行监测预警，具体为：

步骤4A，设定监测天数T，计算得到监测天数T时的实时拱顶下沉量U₀，采用下式得到拱顶下沉变形速率V：

V＝U₀/T

步骤4B，采用以下规则进行实时监测预警：

1)如果拱顶下沉变形速率V小于0.2mm/d，mm/d代表毫米/天，此时表示围岩基本稳定，预警级别设为绿色，表示隧道可以进行二次衬砌；

2)如果拱顶下沉变形速率V在1mm/d～0.2mm/d之间，此时表示围岩正在趋于稳定，预警级别设为黄色，表示隧道还需要持续进行监测；

3)如果拱顶下沉变形速率V连续大于1mm/d，此时表示围岩变形很大，预警级别设为红色，表示隧道还需要持续进行监测，密切进行关注。

(三)第三种

基于拱顶下沉变形曲线加速度进行监测预警，具体为：

步骤4C，以采样监测时刻为横坐标，以每个采样监测时刻对应的实时拱顶下沉量U₀为纵坐标，得到对应一段监测时间的多个离散点；

步骤4D，对多个离散点进行曲线拟合，得到拱顶下沉变形曲线；

步骤4F，拱顶下沉变形曲线对时间求二阶导数，如果二阶导数小于0，表示变形加速度为负值，变形速率在减缓，预警级别设为绿色；

如果二阶导数等于0，表示变形加速度为0，变形速率均匀变化，预警级别设为黄色；

如果二阶导数大于0，表示变形加速度为正值，变形速率越来越大，预警级别设为红色。

(四)第四种

基于拱顶下沉变形曲线加速度进行监测预警，具体为：

步骤4-1，根据隧道设计规划，设定周边收敛设计值为W；

步骤4-2，对于实时采样到的与采样监测时刻对应的实时周边收敛值W₀，采用以下规则进行实时监测预警：

如果W₀<(W/5)，将预警级别设为绿色，表示隧道正处于安全状态；

如果(W/5)≤W₀≤(3W/5)，将预警级别设为黄色，表示隧道正处于重点关注，根据实际情况选择是否加固处理；

如果W₀>(3W/5)，将预警级别设为红色，表示隧道正处于变形过大，根据实际情况进行必要的加固处理。

本发明提供的基于拱顶下沉和周边收敛的隧道监测预警系统及方法，能够简单、方便、实时、准确的测算出隧道拱顶下沉和周边收敛的数值量，进而保证了监测预警系统的可靠性和准确性，因此，可大范围推广使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。