一種考慮旋轉效應的隧道危石位移實時監測系統及方法與流程

2023-05-14 11:28:16 1

本發明涉及一種考慮旋轉效應的隧道危石位移實時監測系統及方法。

背景技術：

隧道建設過程中，遭遇大量非連續體，如斷層、層理、節理等，因此形成隧道巖體非連續、非均勻、非各向同性的基本特點，非連續體的交切組合關係將導致危石垮落。危石的位移監測是判斷其穩定性和指導施工的重要依據。

而目前對於特定危石的監測手段比較單一，傳統位移監控量測手段存在以下不足：

(1)不能實時監測，即不能實時反映危石的位移變化；

(2)對施工擾動大，即架設監測儀器嚴重幹擾隧道運輸作業；

(3)沒有考慮巖石的轉動效應，而危石的位移包括旋轉產生位移及剛性平移兩者矢量和。

因此，裂隙巖體隧道危石位移實時監測及預警，對於保證隧道施工安全、提高作業效率至關重要。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種考慮旋轉效應的隧道危石位移實時監測系統及方法，本發明在考慮危石旋轉效應的同時，可準確獲取危石轉動角度及位移變化數據，不僅能夠減少對隧道施工的幹擾，更能實現危石旋轉角度及剛性平移的分部判識，以保證隧道施工安全。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種考慮旋轉效應的隧道危石位移實時監測系統，包括剛性支架、傾角測量機構、雷射標靶機構、雷射發射機構和位移分部判識系統，其中，所述剛性支架與危石連接，所述剛性支架上固定有測量其傾斜角度的傾角測量機構和向外發射雷射光源的雷射發射機構；

所述雷射光源照射於設置在剛性支架外的雷射標靶機構，所述位移分部判識系統採集傾斜角度、雷射光源照射距離和雷射標靶的偏移距，以確定危石的旋轉位移和剛性位移。

進一步的，所述傾角測量機構包括傾角測量傳感器和兩自由度旋轉平臺，所述傾角測量傳感器設置在兩自由度旋轉平臺上，兩自由度旋轉平臺固定於剛性支架上。

進一步的，所述兩自由度旋轉平臺包括活動連接的水平旋轉平臺和豎直旋轉平臺。

進一步的，傾角測量傳感器基於三軸重力加速度原理，軸加速度傳感器傳感方向與重力加速度方向一致時為零傾斜角度，當重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角α，作用為全方位測量危石的轉動傾角。

進一步的，所述雷射發射機構包括雷射發射器、雷射定位器裝置及雷射測距傳感器，雷射發射器為雷射探頭，雷射定位器分為前部和後部，通過四隻可伸縮抓手，從而確定雷射發射器前後的初始位置和姿態；雷射測距傳感器接收反射雷射，測量雷射發射點至雷射標靶之間的距離l。

進一步的，所述剛性支架包括固定裝置由開有膨脹螺絲孔的鋼框架，通過膨脹螺栓將鋼框架和危石連接，形成剛性整體。

進一步的，所述鋼框架包括鋼板、主軸和連接杆，所述主軸為多根，固定於兩個鋼板之間，所述連接杆垂直於主軸方向，增加整體剛度和穩定性。

進一步的，所述雷射標靶為雷射發射器接收裝置，設置有不同刻度的圓形位移標識圈，並實時讀取雷射點至標靶中心的直線距離。

進一步的，所述位移分部判識系統包括總位移讀取模塊、旋轉位移及剛性平移位移計算模塊，雷射標靶上偏移距通過無線藍牙同步至總位移讀取模塊，旋轉位移及剛性平移位移計算模塊通過傾角測量傳感器測得，雷射發射點至標靶距離求得計算。

基於上述系統的工作方法，包括以下步驟：

(1)固定剛性支架與危石，形成剛性整體；

(2)開啟雷射發射器，調節至雷射標靶中心，設置初始總位移為零；

(3)設置危石傾角測量傳感器初始讀數為零，傾角測量傳感器所讀取數值即為危石旋轉傾角；

(4)位移分部判識系統讀取危石旋轉角度α和雷射發射點至標靶距離l，計算旋轉位移；

(5)位移分部判識系統讀取雷射標靶上偏移距，計算相應的剛性平移距離。

進一步的，旋轉位移w即為旋轉角度α與雷射發射點至標靶距離l乘積。

剛性位移s為雷射標靶上偏移距h與旋轉位移w的矢量差。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明在考慮危石旋轉效應的同時，可準確獲取危石轉動角度及位移變化數據，不僅能夠減少對隧道施工的幹擾，更能實現危石旋轉角度及剛性平移的分部判識，以保證隧道施工安全；

(2)本發明利用角度測量傳感器，可實現危石旋轉角度的測量，同時採用雷射標靶位移測量法，可反求危石的剛性位移；

(3)本發明利用雷射測量位移數據，具有更高的測量精度，且監測系統的結構簡單，操作簡便，提高工作效率；

(4)解決了以往危石位移監測手段單一、對施工擾動大，且不考慮危石旋轉效應等問題。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明結構示意圖；

圖2為關鍵部位細部圖。

其中1.危石；2.膨脹螺栓；3.固定鋼板；4.主軸；5.雷射發射器；6.雷射測距傳感器；7.傾角測量傳感器；8.承臺鋼板；9.水平旋轉平臺；10.豎直旋轉平臺；11.雷射標靶；12.位移刻度標識圈；13.標靶支撐；14.位移分部判識系統；15.無線藍牙；

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中存在不能實時監測、施工擾動大和沒有考慮巖石的轉動效應的不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種考慮旋轉效應的隧道危石位移實時監測系統由傾角測量傳感器7、雷射發射組件、固定裝置、雷射標靶11及位移分部判識系統14組成。

如圖1所示，傾角測量傳感器7和雷射發射組件在固定裝置作用下，與被測危石1形成一個剛性整體，可實時測量危石1的旋轉角度及剛性平移位移數據，並通過雷射標靶11上位移數據的自動讀取，實現危石1旋轉角度及剛性平移的分部判識。

傾角測量傳感器7是基於三軸重力加速度原理，軸加速度傳感器傳感方向與重力加速度方向一致時為零傾斜角度，當重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角α，作用為全方位測量危石的轉動傾角。

雷射發射組件由雷射發射器5、雷射定位器裝置及雷射測距傳感器6組成。其中，雷射發射器5為近似為長圓柱型雷射探頭，發射雷射類型為class1人眼安全雷射，避免位移監測過程中人員傷亡；雷射定位器分為水平旋轉平臺和豎直旋轉平臺，從而確定雷射發射器5前後的初始位置和姿態；雷射測距傳感器6可接收反射雷射，測量雷射發射點至雷射標靶11之間的距離l。

所述固定裝置由開有膨脹螺絲孔的固定鋼板3和四根不鏽鋼主軸4組成。不鏽鋼板上開有四個膨脹螺栓孔，可通過膨脹螺栓3固定於危石1之上，形成剛性整體；四根不鏽鋼主軸4焊接於固定鋼板3上，主軸4方向垂直於固定鋼板2平面，為固定裝置主體構件，增加整體剛度和穩定性。

所述雷射標靶11為雷射發射器5接收裝置，設置有不同刻度的圓形位移刻度標識圈12，並可實時讀取雷射點至標靶中心的直線距離，即標靶偏移距h。

所述位移分部判識系統14包括總位移讀取、旋轉位移及剛性平移位移求解組成。雷射標靶上偏移距即為總位移h，通過數據線同步至位移分部判識系統14；旋轉角度α可通過傾角測量傳感器7測得，雷射發射點至標靶距離l可通過雷射測距傳感器6測得，並通過無線藍牙15同步至位移分部判識系統14，旋轉位移即為旋轉角度α與雷射發射點至標靶距離h乘積；剛性位移s為總位移h與旋轉位移w的矢量差。

應用上述裝置實現考慮旋轉效應的隧道危石實時位移監測系統，包括以下步驟：

(1)固定裝置於危石1，形成剛性整體。鑽進四個膨脹螺栓孔於危石1上，通過膨脹螺栓2將固定裝置與危石1形成剛性整體；

(2)開啟雷射發射器5，調節至雷射標靶11中心。打開雷射發射器5開關，調節雷射發射裝置水平旋轉平臺與豎直方向旋轉平臺，調節雷射發射至雷射標靶11中心點位置，即設置初始總位移為零；

(3)設置危石傾角測量傳感器7初始讀數為零。將安置後的危石傾角測量傳感器7初始讀數設置為零，之後傾角測量傳感器7所讀取數值即為危石1旋轉傾角；

(4)旋轉位移求解。危石1旋轉角度α和雷射發射點至標靶距離l通過無線藍牙15讀取至位移分部判識系統14，旋轉位移w＝l*α，其中l為標量，w、α為矢量；

(5)剛性平移位移求解。雷射標靶上偏移距即為總位移h通過數據線讀取至位移分部判識系統14，總位移h是危石旋轉位移與剛性平移的矢量疊加，即剛性平移距離s＝h-w，其中h、w均為矢量。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。