[發明專利]基于柔性傳感裝置的隧道縱向變形監測系統、安裝方法與沉降算法

有效

• 申請號: 202210370486.2
• 申請日: 2022-04-10
• 公開（公告）號: CN114705160B
• 公開（公告）日: 2023-10-03
• 發明（設計）人: 張東明;聶聰;黃宏偉
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 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所(特殊普通合伙) 31290
• 代理人: 葉鳳

本發明公開了基于柔性傳感裝置的隧道縱向變形監測系統、安裝方法與沉降算法；所述隧道縱向變形監測系統包括若干節串聯的測量單元與一個無線傳輸網關，所述安裝方法包括在隧道襯砌上打孔或在隧道襯砌預埋槽上安裝變形監測系統的支架和安裝流程，所述沉降算法包括基于柔性傳感裝置內置傾角傳感器的單節測量單元沉降監測算法和串聯的若干節測量單元監測一定區段內的沉降算法。所述監測設備和算法成體系地為隧道縱向變形監測提供了一種無線、實時且區段上連續的監測手段，為隧道的建設和運營提供了一種有力的監測保障。

技術領域

本發明涉及隧道工程監測技術領域，尤其涉及基于柔性位移傳感裝置的隧道縱向沉降監測系統及其安裝方法和沉降計算方法。

背景技術

傳統的人工監測無法實現地鐵運營時間段內的沉降監測，且精讀較低、人力資源成本高，測量間隔時間長，難以實現對隧道連續沉降規律的提取和分析；靜力水準儀測點一般離散布置以降低成本，難以實現測量連續沉降；機器人全站儀有著高昂的租賃或購買成本，且對電力供應有較高的要求，需在附近配置專門的供電箱或安裝在現有配電箱附近，使得布設區段受到限制。上述現狀皆為當前隧道沉降監測中的難點、痛點。

發明內容

本發明提供的基于柔性位移傳感器的隧道縱向變形監測系統基于WSN無線傳感網絡和4G網絡覆蓋，最高監測頻率達到1min，實現了實時、全天候的自動化監測；同時本發明提出與監測系統配套的安裝方法與沉降監測方法。

技術方案如下：

基于柔性傳感裝置的隧道縱向變形監測系統，用于獲得所監測區段內的連續的隧道縱向變形，其特征在于，包括若干節串聯的測量單元1、一個無線傳輸網關2、遠程基站；

組裝N套至少由兩個測量單元1串聯的系統，稱為不同的試驗組；

其中：

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

所述無線傳輸網關2固定在襯砌壁上，與串聯的測量單元1在端部通過接線連接，并與遠程基站通過4G網絡連接，可實時采集并傳輸監測系統的數據至遠程基站；

遠程基站運行沉降監測算法，包括：

步驟1，首先基本原理是隧道縱向沉降帶動串聯的測量單元1發生空間姿態變化，測量單元1內置的傾角傳感器捕捉這種姿態變化并表現為內置三軸坐標系與水平面的夾角測量值的變化，所述的內置三軸坐標系的y軸與測量單元1的長細硬圓桿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硬圓桿11的長度L_r,根據求得單根長細硬圓桿11兩端的高差變化Δh_r；

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

求得串聯的N節測量單元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為長細硬圓桿的長度，Ls為橡膠質軟管的長度，這兩者都是由硬件廠商出廠即確定的；

L_s1為鉸點距離，采用軟管標定算法確定；