[發(fā)明專利]基于柔性傳感裝置的隧道縱向變形監(jiān)測系統(tǒng)、安裝方法與沉降算法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210370486.2
• 申請日: 2022-04-10
• 公開（公告）號: CN114705160B
• 公開（公告）日: 2023-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張東明;聶聰;黃宏偉
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G01C5/00
• 分類號: G01C5/00;H04W4/16;G06F17/11
• 代理公司: 上海科律專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

1.基于柔性傳感裝置的隧道縱向變形監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲得所監(jiān)測區(qū)段內(nèi)的連續(xù)的隧道縱向變形，其特征在于，包括若干節(jié)串聯(lián)的測量單元(1)、一個無線傳輸網(wǎng)關(guān)(2)、遠(yuǎn)程基站；

組裝N套至少由兩個測量單元(1)串聯(lián)的系統(tǒng)，稱為不同的試驗組；

其中：

所述測量單元(1)包括長細(xì)硬圓桿(11)和一端的內(nèi)裹接線的橡膠質(zhì)軟接頭(12)，另一端為插槽(13)，將前一測量單元的橡膠質(zhì)軟接頭(12)插入后一測量單元的插槽(13)即完成串聯(lián)，所述長細(xì)硬圓桿(11)內(nèi)置傾角傳感器(14)，能感知測量單元(1)的空間姿態(tài)變化，并輸出角傳感器(14)本身內(nèi)置的三軸坐標(biāo)系與水平面的夾角測量值，以與長細(xì)硬圓桿(11)同方向的坐標(biāo)軸與水平面的夾角測量值作為沉降監(jiān)測算法的基礎(chǔ)；

所述無線傳輸網(wǎng)關(guān)(2)固定在襯砌壁上，與串聯(lián)的測量單元(1)在端部通過接線連接，并與遠(yuǎn)程基站通過4G網(wǎng)絡(luò)連接，實時采集并傳輸監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程基站；

遠(yuǎn)程基站運行沉降監(jiān)測算法，包括：

步驟1，首先基本原理是隧道縱向沉降帶動串聯(lián)的測量單元(1)發(fā)生空間姿態(tài)變化，測量單元(1)內(nèi)置的傾角傳感器捕捉這種姿態(tài)變化并表現(xiàn)為內(nèi)置三軸坐標(biāo)系與水平面的夾角測量值的變化，所述的內(nèi)置三軸坐標(biāo)系的y軸與測量單元(1)的長細(xì)硬圓桿(11)有相同的方向，記y軸與水平面相對于初始安裝時刻的夾角變化值為記長細(xì)硬圓桿(11)的長度L_r,根據(jù)求得單根長細(xì)硬圓桿(11)兩端的高差變化Δh_r；

步驟2，接著基于若干串聯(lián)的測量單元(1)建立，高差傳遞包括單根長細(xì)硬圓桿(11)兩端的傳遞和相鄰兩根長細(xì)硬圓桿(11)端部的傳遞，而相鄰兩長細(xì)硬圓桿(11)之間由橡膠質(zhì)軟管(12)連接，將橡膠質(zhì)軟管(12)在高差傳遞中的作用等效為鉸接作用，并通過標(biāo)定實驗確定鉸點位置，記橡膠質(zhì)軟管(12)的長度為L_s，鉸點距離前一長細(xì)硬圓桿(11)端部為L_s1，根據(jù)下式

求得串聯(lián)的N節(jié)測量單元(1)由于軟管的鉸接作用實際用于沉降計算的第i根測量單元(1)的計算長度L_i，用于提供給步驟3；

公式1中，Lr為長細(xì)硬圓桿的長度，Ls為橡膠質(zhì)軟管的長度，這兩者都是由硬件廠商出廠即確定的；

L_s1為鉸點距離，采用軟管標(biāo)定算法確定；

步驟3，最后所監(jiān)測區(qū)段內(nèi)的連續(xù)的隧道縱向變形建立公式進(jìn)行計算，記測量區(qū)間端部的沉降為y₀，根據(jù)下式

其中，y₀為測量區(qū)間端部的沉降，L_i為第i根測量單元的計算長度，為每根測量單元(1)內(nèi)置傾角傳感器(14)所測量的傾角值，x_p為監(jiān)測區(qū)間中沿隧道縱向的任意一點，且x_p位于第k根測量單元(1)對應(yīng)的區(qū)間中，是第k根測量單元(1)的傾角值；

求得監(jiān)測區(qū)間內(nèi)任意點x_p的沉降值y_p；

所述系統(tǒng)的安裝方法包括在隧道襯砌上打孔或在隧道襯砌預(yù)埋槽上安裝變形監(jiān)測系統(tǒng)的支架(3)和配套的安裝流程，所述支架(3)包括用于限位長細(xì)硬圓桿(11)的塑性夾(31)和固定塑性夾(31)于襯砌上的一字板(32)；所述沉降監(jiān)測算法基于測量單元(1)的空間姿態(tài)變化，包括長細(xì)硬圓桿(11)的姿態(tài)變化對單根長細(xì)硬圓桿(11)兩端部高差變化的影響和橡膠質(zhì)軟接頭(12)的姿態(tài)變化對相鄰兩長細(xì)硬圓桿(11)的端部高差變化的影響；

所述橡膠質(zhì)軟接頭(12)的姿態(tài)變化對相鄰兩長細(xì)硬圓桿(11)的端部高差變化的影響通過本發(fā)明提出的軟管標(biāo)定算法將其等效為鉸接，并用實驗數(shù)據(jù)擬合鉸點位置，進(jìn)而定量確定此影響大小。

2.一種監(jiān)測系統(tǒng)的安裝方法，其特征在于：包括在隧道襯砌上打孔安裝和在隧道襯砌預(yù)埋槽上安裝，當(dāng)在襯砌上打孔安裝監(jiān)測系統(tǒng)時，首先根據(jù)測量單元(1)的長度確定孔間間距，用膨脹螺栓連接一字板(32)于鉆孔處，確保每根長細(xì)硬圓桿(11)的中部對應(yīng)著一個支架(3)，當(dāng)在襯砌預(yù)埋槽上安裝監(jiān)測系統(tǒng)時，由于各預(yù)埋槽的相對位置固定，則需要根據(jù)預(yù)埋槽間距和測量單元(1)的長度設(shè)計串聯(lián)的第一個測量單元(1)與首個預(yù)埋槽的相對位置，確保支架位置不與橡膠質(zhì)軟接頭(12)對應(yīng)。