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基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法及裝置，所述的方法包括以下步驟：(1)沿盾構(gòu)隧道縱向在隧道側(cè)壁上布設(shè)管道，并每間隔一定距離將管道與隧道側(cè)壁相同高度處固定連接；(2)監(jiān)測(cè)小車在管道內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)行一定距離監(jiān)測(cè)小車對(duì)小車所處位置相對(duì)于垂直面的傾角進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量到的傾角數(shù)據(jù)采用無線傳輸方式傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析站；(3)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析站對(duì)接收到的傾角數(shù)據(jù)分析處理，得出隧道縱向水平位移曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在橫斷面上不會(huì)影響隧道限界，列車運(yùn)行時(shí)也可照常監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道縱向水平位移的自動(dòng)、不間斷且快速的無線監(jiān)測(cè)，具有簡(jiǎn)單可行以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隧道縱向水平位移監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及基于無線三軸傾角傳感 器的不間斷快速的盾構(gòu)隧道縱向水平位移監(jiān)測(cè)方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速但歷史短，結(jié)構(gòu)健康服役問題的嚴(yán)重性還沒有得 到共識(shí)。作為重大地下工程的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)，所處地層條件復(fù)雜、周邊環(huán)境多變、 列車運(yùn)行密度極高，結(jié)構(gòu)自身在多種因素長(zhǎng)期綜合作用下性能不斷下降，而且地下結(jié)構(gòu)一 旦損壞不易或不可更換，并將會(huì)誘發(fā)地下工程災(zāi)害，因而對(duì)城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服 役提出了極高的要求。目前運(yùn)營(yíng)中的城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役問題已開始顯露，其 中隧道縱向水平位移問題成為影響城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)健康服役的核心問題之一。
[0003] 鑒于城市中的隧道穿越地層復(fù)雜，且受多種地層、施工因素以及地表和周圍環(huán)境 的影響，以及軌道交通健康服役的重要性和隧道縱向水平位移的危害很大，為提高對(duì)縱向 水平位移的認(rèn)知水平，為對(duì)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行感知和控制提供數(shù)據(jù)來源，為隧道結(jié)構(gòu) 健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和及時(shí)維護(hù)提供實(shí)測(cè)依據(jù)，避免或預(yù)防隧道重大事件、事故、災(zāi)難，保護(hù) 人民生命財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)安定，準(zhǔn)確感知地鐵隧道縱向水平位移的必要性和重要性毋 庸置疑。
[0004] 此外，隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)監(jiān)測(cè)要求的提高，監(jiān)測(cè)技術(shù)必定朝著小型化、自動(dòng)化、 節(jié)能化、信息化的趨勢(shì)發(fā)展。近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN)和MEMS傳感器的快速發(fā) 展，這一些新興技術(shù)憑借著其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)迅速影響并應(yīng)用于地下建筑監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，必將 使地下工程監(jiān)測(cè)迎來重大革新。
[0005] 現(xiàn)有的隧道縱向水平位移監(jiān)測(cè)方法有人工經(jīng)緯儀測(cè)量等。經(jīng)緯儀測(cè)量需要工作人 員持儀器進(jìn)入隧道，因此無法實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期隧道的全天候監(jiān)測(cè)，只能用于非運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的隧道， 并且人工水準(zhǔn)測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效率低下。近年來，人們研究出了激光掃描法、光纖光柵等隧 道縱向水平位移的監(jiān)測(cè)方法，但它們也存在一些難以克服的缺點(diǎn)。激光掃描等方法大多儀 器設(shè)備成本較高，若要全面檢測(cè)則需要依靠車輛移動(dòng)，沿隧道全長(zhǎng)檢測(cè)一次周期較長(zhǎng)、效率 較低。而分布式光纖及光纖光柵通過光學(xué)原理來工作，需要另外配備大型的解調(diào)設(shè)備，增加 額外的成本。因此，針對(duì)當(dāng)前的隧道縱向水平位移問題，需要利用新興的WSN與MEMS技術(shù)， 發(fā)明一種低成本、并能夠長(zhǎng)期不間斷快速監(jiān)測(cè)隧道縱向水平位移的方法及裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供基于無線三軸傾角 傳感器的不間斷快速的盾構(gòu)隧道縱向水平位移監(jiān)測(cè)方法及裝置。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：基于無線傾角傳感器的隧道水平位 移的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0008] (1)沿盾構(gòu)隧道縱向在隧道側(cè)壁上布設(shè)管道，并每間隔第一預(yù)定距離將管道與隧 道側(cè)壁相同高度處固定連接；
[0009] (2)監(jiān)測(cè)小車在管道內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)行第二預(yù)定距離，監(jiān)測(cè)小車對(duì)小車所處位置 相對(duì)于垂直面的傾角進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量到的傾角數(shù)據(jù)采用無線傳輸方式傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù) 分析站；
[0010] (3)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析站對(duì)接收到的傾角數(shù)據(jù)分析處理，得出盾構(gòu)隧道縱向水平位移 曲線。
[0011] 步驟（3)所述的得出盾構(gòu)隧道縱向水平位移曲線的具體方法是，假設(shè)傾角數(shù)據(jù)采 集點(diǎn)共有η個(gè)，點(diǎn)與點(diǎn)之間間距為D。，監(jiān)測(cè)小車共采集有η個(gè)傾角數(shù)據(jù)，分別為θ ρ (i = 1， 2,…，η)，
[0012] 1)先利用下式求出第i點(diǎn)與起始點(diǎn)之間的縱向水平位移差ΛΗ為：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 沿盾構(gòu)隧道縱向在隧道側(cè)壁上布設(shè)管道，并每間隔第一預(yù)定距離將管道與隧道側(cè) 壁相同高度處固定連接； (2) 監(jiān)測(cè)小車在管道內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)行第二預(yù)定距離，監(jiān)測(cè)小車對(duì)小車所處位置相對(duì) 于垂直面的傾角進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量到的傾角數(shù)據(jù)采用無線傳輸方式傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析 站； (3) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析站對(duì)接收到的傾角數(shù)據(jù)分析處理，得出盾構(gòu)隧道縱向水平位移曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法，其特征在 于，步驟（3)所述的得出盾構(gòu)隧道縱向水平位移曲線的具體方法是，假設(shè)傾角數(shù)據(jù)采集點(diǎn) 共有η個(gè)，點(diǎn)與點(diǎn)之間間距為D。，監(jiān)測(cè)小車共采集有η個(gè)傾角數(shù)據(jù)，分別為Θ i，其中i = 1， 2 ? * * * ? π ? 1) 先利用下式求出第i點(diǎn)與起始點(diǎn)之間的縱向水平位移差ΛΗ為：
其中，h表示第i點(diǎn)與第i-Ι點(diǎn)的縱向水平位移差，即
2) 再測(cè)量起始點(diǎn)的縱向水平位移％，并通過下式得到第i點(diǎn)的縱向水平位移氏， ^ = ΔΗ+Η〇, 3) 最后根據(jù)縱向水平位移差ΛΗ和第i點(diǎn)的縱向水平位移氏得出盾構(gòu)隧道縱向水平 位移曲線。
3. 實(shí)施權(quán)利要求1所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法的裝置，其 特征在于，包括管道、監(jiān)測(cè)小車及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析站，所述的管道沿盾構(gòu)隧道縱向固定在隧道 側(cè)壁上，所述的監(jiān)測(cè)小車置于管道內(nèi)，所述的監(jiān)測(cè)小車上設(shè)有控制單元、動(dòng)力單元、數(shù)據(jù)采 集單元、無線傳輸單元以及供電單元，所述的控制單元分別與動(dòng)力單元和數(shù)據(jù)采集單元連 接，所述的動(dòng)力單元與小車車輪連接，所述的數(shù)據(jù)采集單元通過無線傳輸單元與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù) 分析站連接，所述的供電單元分別與動(dòng)力單元、數(shù)據(jù)采集單元及無線傳輸單元連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于，所述的控制單元包括互相連接的單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于，所述的動(dòng)力單元包括電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述的電機(jī)分別與單片機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與小車車輪連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于，所述的數(shù)據(jù)采集單元包括依次連接的三軸傾角傳感器和信號(hào)處理模塊，所述的三軸傾 角傳感器固定在監(jiān)測(cè)小車上，分別與單片機(jī)和信號(hào)處理模塊連接，所述的三軸傾角傳感器 對(duì)監(jiān)測(cè)小車所處位置相對(duì)于垂直面的傾角進(jìn)行測(cè)量，所述的信號(hào)處理模塊對(duì)測(cè)量到的傾角 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并無線傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析站。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)方法，其特征在 于，步驟（3)所述的無線傳輸方式為Zigbee無線傳輸方式。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于，所述的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線傾角傳感器的隧道水平位移的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在 于，所述的供電單元包括鋰電池。
【文檔編號(hào)】G01B21/02GK104142135SQ201310419489
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】黃宏偉, 殷建國(guó) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)