一种隧道施工监测系统的制作方法

本发明是申请号为201811091211.5，申请日为2018年09月19日，申请类型为发明，申请名称为基于双护盾tbm工艺的隧道围岩扫描与观测系统的分案申请。

本发明涉及双护盾tbm技术领域，具体为一种隧道施工监测系统。

背景技术：

双护盾掘进机施工实质上是非钻爆法开挖隧道的一种掘进技术，其适用于多种不良地质条件的硬岩洞段的长隧道施工，双护盾掘进机是掘进机中的一种类型，其施工特点是隧洞的开挖和衬砌可以同步进行，掘进方式有两种模式(双护盾模式和单护盾模式)，便于通过软弱地质破碎带地层，从双护盾掘进机的施工特点中可以看出掘进效率高、成洞质量好、经济、安全、环保等优点，在双护盾掘进机施工过程中，需要对隧道围岩断面轮廓，但现有技术存在着接触界面处理困难、信号衰减和测量参数较少，无法实时观测和采集刚开挖围岩的形貌特征，同时也缺少隧道内轮廓的三维模型建立功能的缺点，为此，我们提出一种隧道施工监测系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧道施工监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道施工监测系统，包括多个扫描仪和一个上位机，且上位机位于辅助推进油缸位置的护盾轴线处，扫描仪安装在辅助推进油缸截面处的护盾的各个观测孔处，扫描仪中心为临时坐标系原点，同时上位机与扫描仪可在不同的隧道断面内，所述扫描仪采用模块化设计，主要包括围岩轮廓扫描模块、围岩形貌观测模块、无线通信模块和控制模块，硬件组成有测距仪、侧斜仪、摄像头、光源、电子伸缩和转动平台、电池、微处理器、信号调理和转换电路，所述上位机由无线通信模块、定位模块、数据采集、处理、显示模块和数据存储模块组成，且扫描仪通过下位机与上位机之间通过无线通信进行信号传输，下位机封装扫描仪内，主要由微处理器等组成(控制模块)。

优选的，所述扫描仪具有自诊断功能，在自身产生问题时可将问题报警信息及诊断信息通过下位机报告给上位机，方便做进一步处理与解决，同时微处理器完成数据的采集、发送以及接受上位机的指令等一系列过程，且整个扫描仪由高性能高温锂电池供电，可适应井下恶劣环境，可实现自动启动测量、结束测量、启动数据传输、停止数据传输，接受上位机指令等一系列工作，而测距仪和侧斜仪分别可以获取以电子伸缩和转动平台中心为临时坐标原点的距离和角度信号，通过摄像头和光源可以对一定范围内的围岩的形貌进行实时拍摄与观测，电子伸缩与转动平台可实现不同工作方向的连续切换、伸出与缩回观测孔，有助于测距仪和侧斜仪工作位置的转换，从而观测一定范围内的围岩，电子伸缩和转动平台的运行状态由上位机进行控制，其运行范围在过观测孔处护盾的切线范围内，测量范围由观测孔所处于护盾的位置决定。

优选的，所述无线通信模块负责接收扫描仪的扫描数据并将其传输给数据采集与处理模块，处理部分可包括信号的编译、隧道断面二维轮廓建立、隧道实际开挖面三维轮廓建立、围岩形貌实时成像与隧道实际开挖面三维岩貌图像拼接等，定位模块主要是对护盾掘进机上观测孔处的扫描仪进行角度和距离定位，距离定位主要通过测距仪实现，角度为上位机与扫描仪连线与水平的夹角，通过可视激光实现，数据采集模块通过无线通信模块获取扫描仪采集的信号数据，通过处理模块实现距离和角度的换算，生成隧道断面二维轮廓图和隧道实际开挖面三维模型，显示模块对二维和三维模型进行显示输出，同时也可以显示由摄像头采集的隧道围岩岩貌图像，通过处理模块也可对多个观测孔拍摄的隧道围岩岩貌图像进行拼接，从而形成完整的隧道围岩岩貌三维图像。

优选的，所述上位机布置在护盾的轴线位置o点处，护盾上钻取一系列小直径观测孔a、b、c、d、e、f、g等，在各观测孔处有快速安装基座和轨道，方便扫描仪的快速安装与拆卸，两个安装方向可避免辅助推进油缸的阻挡，每个观测孔处的扫描仪可对一定范围内的围岩进行扫描与观测，如a点处扫描仪的观测范围为a’-a”区域，护盾与隧道断面轮廓可近似看成半径分别r和r的圆，且两个圆的下象限点相内切，圆心分别为o和o’，观测孔a和b处扫描仪所观测的最大范围分别是a’-a”和b’-b”，测点a’和a”到观测孔a的距离分别为l1和l2，与水平夹角分别为β1和β2，测点b’和b”到观测孔b的距离分别为l3和l4，与水平夹角分别为β3和β4，oa与水平夹角为α，ob与水平夹角为β，当测点a’和b’重合时，根据以上已知量可确定ab的长度，即观测孔ab间的最大距离，观测孔a处扫描仪测得隧道开挖面上a’点的坐标为(l，δ)，为临时坐标系数据，原点为a处扫描中点，上位机位于护盾轴线o点处，为基准坐标系原点，而o’为隧道坐标系原点，根据输出需要可以通过几何关系和三角关系将a’点坐标(l，δ)分别转化为以o和o’为原点的坐标，也可不进行转化直接绘制隧道断面二维轮廓和三维模型。

优选的，所述在传输路径中除可能有辅助推进油缸的遮挡外，基本无其他障碍物，传输过程中信号衰减较小，无线信号传输主要通过上位机和下位机中的无线通信模块直接相连，实现角度、距离、图像信号的传输等，传输方式满足使用环境(温度、湿度、粉尘、振动等)的要求，均支持标准的通信协议，保证了系统的稳定性、可移植性和开发性，且无线通信技术为rfid、nfc、蓝牙、zigbee、wifi或uwb中的一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明中，隧道围岩轮廓与岩貌特征观测是隧道施工过程中监测围岩稳定性发展的重要工作，是识别岩性、监测围岩变形量、选择合适强度管片、计算开挖方量等的重要手段，尤其是在地质环境复杂、构造活动强烈、埋深大、地应力高地区的隧道施工中，对监测围岩变形量、预测岩爆灾害具有重要作用，在后护盾辅助推进油缸观测孔处安装若干扫描仪，采用临时坐标系对隧道轮廓和岩貌特征进行扫描，然后对采集的数据进行处理和统一，解决了双护盾掘进机施工过程中由于护盾的遮挡与阻碍，隧道围岩轮廓和岩貌难以观测的问题，在护盾与隧道围岩间隙极小的情况下便可以进行测量，工作空间要求较低，在护盾同一断面上安装一系列观测孔，与扫描仪快速基座，使得扫描仪拆装迅速，安装简易，利用观测孔实现了直接测量，信号传输过程中无衰减，数据准确、精度高，且人们可以在后护盾单次停止的时间内完成隧道断面轮廓的扫描与围岩岩貌特征图像采集，不需要停止掘进工作，不影响隧道施工工期和工作效率，每个隧道断面待测范围由一组扫描仪共同扫描和拼接完成，单个扫描仪工作时间短，效率高，且扫描仪随着后护盾的间歇式推进可以测量一系列隧道断面数据，减少扫描仪拆装工作量，简单易操作，另外扫描仪和上位机采用模块化安装，可根据需要更换内部不同的模块化测量装置，以实现更多功能。

附图说明

图1为本发明一种隧道施工监测系统总体设计方案示意图；

图2为本发一种隧道施工监测系统原理示意图；

图3为本发明观测孔与扫描仪基座示意图；

图4为本发明扫描仪硬件结构示意图；

图5为本发明扫描仪结构示意图；

图6为本发明扫描仪测点测量范围与测点间距确定方法示意图；

图7为本发明围岩实际开挖轮廓测量原理示意图；

图8为本发明上位机组成与功能示意图；

图9为本发明隧道围岩扫描系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，一种隧道施工监测系统，包括多个扫描仪和一个上位机，且上位机位于辅助推进油缸位置的护盾轴线处，扫描仪安装在辅助推进油缸截面处的护盾的各个观测孔处，根据所需在后护盾上钻取观测孔和安设快速安装基座和轨道，在辅助推进油缸不影响安装的情况下可直接将扫描仪快速安装在基座上就位，而当辅助推进油缸影响安装时可通过轨道对扫描仪进行安装就位，基座与轨道的尺寸不影响辅助推进油缸的正常工作，扫描仪中心为临时坐标系原点，同时上位机与扫描仪可在不同的隧道断面内，扫描仪采用模块化设计，采用模块化设计，可以最大限度地继承与利用已有的硬件和软件研究成果，从而降低研制风险，避免同一水平上的重复研制，缩短研制周期，节省研制费用，并且采用开放性的模块结构，便于功能扩展，便于实现网络互连、信息互通和功能互操作，可以满足人们追求多品种小批量要求下实现最佳效益和质量的要求，主要包括围岩轮廓扫描模块、围岩形貌观测模块、无线通信模块和控制模块，硬件组成有测距仪、侧斜仪、摄像头、光源、电子伸缩和转动平台、电池、微处理器、信号调理和转换电路，上位机由无线通信模块、定位模块、数据采集、处理、显示模块和数据存储模块组成，且扫描仪通过下位机与上位机之间通过无线通信进行信号传输，下位机封装扫描仪内，主要由微处理器等组成(控制模块)，上位机中心为基准坐标系原点，其坐标通过隧道内激光导向系统中的安装于管片上的激光指向仪的坐标进行标定，从而将地面监测控制网的坐标引入，扫描仪中心为临时坐标系原点，隧道围岩断面轮廓测量数据使用极坐标进行表示，隧道围岩轮廓与岩貌特征观测是隧道施工过程中监测围岩稳定性发展的重要工作，是识别岩性、监测围岩变形量、选择合适强度管片、计算开挖方量等的重要手段，尤其是在地质环境复杂、构造活动强烈、埋深大、地应力高地区的隧道施工中，对监测围岩变形量、预测岩爆灾害具有重要作用，在后护盾辅助推进油缸观测孔处安装若干扫描仪，采用临时坐标系对隧道轮廓和岩貌特征进行扫描，然后对采集的数据进行处理和统一，解决了双护盾掘进机施工过程中由于护盾的遮挡与阻碍，隧道围岩轮廓和岩貌难以观测的问题，在护盾与隧道围岩间隙极小的情况下便可以进行测量，工作空间要求较低，在护盾同一断面上安装一系列观测孔，与扫描仪快速基座，使得扫描仪拆装迅速，安装简易，利用观测孔实现了直接测量，信号传输过程中无衰减，数据准确、精度高，且人们可以在后护盾单次停止的时间内完成隧道断面轮廓的扫描与围岩岩貌特征图像采集，不需要停止掘进工作，不影响隧道施工工期和工作效率，每个隧道断面待测范围由一组扫描仪共同扫描和拼接完成，单个扫描仪工作时间短，效率高，且扫描仪随着后护盾的间歇式推进可以测量一系列隧道断面数据，减少扫描仪拆装工作量，简单易操作，另外扫描仪和上位机采用模块化安装，可根据需要更换内部不同的模块化测量装置，以实现更多功能。

扫描仪具有自诊断功能，在自身产生问题时可将问题报警信息及诊断信息通过下位机报告给上位机，方便做进一步处理与解决，同时微处理器完成数据的采集、发送以及接受上位机的指令等一系列过程，且整个扫描仪由高性能高温锂电池供电，可适应井下恶劣环境，可实现自动启动测量、结束测量、启动数据传输、停止数据传输，接受上位机指令等一系列工作，而测距仪和侧斜仪分别可以获取以电子伸缩和转动平台中心为临时坐标原点的距离和角度信号，通过摄像头和光源可以对一定范围内的围岩的形貌进行实时拍摄与观测，电子伸缩与转动平台可实现不同工作方向的连续切换、伸出与缩回观测孔，有助于测距仪和侧斜仪工作位置的转换，从而观测一定范围内的围岩，电子伸缩和转动平台的运行状态由上位机进行控制，其运行范围在过观测孔处护盾的切线范围内，测量范围由观测孔所处于护盾的位置决定。

无线通信模块负责接收扫描仪的扫描数据并将其传输给数据采集与处理模块，处理部分可包括信号的编译、隧道断面二维轮廓建立、隧道实际开挖面三维轮廓建立、围岩形貌实时成像与隧道实际开挖面三维岩貌图像拼接等，定位模块主要是对护盾掘进机上观测孔处的扫描仪进行角度和距离定位，距离定位主要通过测距仪实现，角度为上位机与扫描仪连线与水平的夹角，通过可视激光实现，数据采集模块通过无线通信模块获取扫描仪采集的信号数据，通过处理模块实现距离和角度的换算，生成隧道断面二维轮廓图和隧道实际开挖面三维模型，显示模块对二维和三维模型进行显示输出，同时也可以显示由摄像头采集的隧道围岩岩貌图像，通过处理模块也可对多个观测孔拍摄的隧道围岩岩貌图像进行拼接，从而形成完整的隧道围岩岩貌三维图像。

上位机布置在护盾的轴线位置o点处，护盾上钻取一系列小直径观测孔a、b、c、d、e、f、g等，在各观测孔处有快速安装基座和轨道，方便扫描仪的快速安装与拆卸，两个安装方向可避免辅助推进油缸的阻挡，每个观测孔处的扫描仪可对一定范围内的围岩进行扫描与观测，如a点处扫描仪的观测范围为a’-a”区域，护盾与隧道断面轮廓可近似看成半径分别r和r的圆，且两个圆的下象限点相内切，圆心分别为o和o’，观测孔a和b处扫描仪所观测的最大范围分别是a’-a”和b’-b”，测点a’和a”到观测孔a的距离分别为l1和l2，与水平夹角分别为β1和β2，测点b’和b”到观测孔b的距离分别为l3和l4，与水平夹角分别为β3和β4，oa与水平夹角为α，ob与水平夹角为β，当测点a’和b’重合时，根据以上已知量可确定ab的长度，即观测孔ab间的最大距离，观测孔a处扫描仪测得隧道开挖面上a’点的坐标为(l，δ)，为临时坐标系数据，原点为a处扫描中点，上位机位于护盾轴线o点处，为基准坐标系原点，而o’为隧道坐标系原点，根据输出需要可以通过几何关系和三角关系将a’点坐标(l，δ)分别转化为以o和o’为原点的坐标，也可不进行转化直接绘制隧道断面二维轮廓和三维模型。

在传输路径中除可能有辅助推进油缸的遮挡外，基本无其他障碍物，传输过程中信号衰减较小，无线信号传输主要通过上位机和下位机中的无线通信模块直接相连，实现角度、距离、图像信号的传输等，传输方式满足使用环境(温度、湿度、粉尘、振动等)的要求，均支持标准的通信协议，保证了系统的稳定性、可移植性和开发性，且无线通信技术为rfid、nfc、蓝牙、zigbee、wifi或uwb中的一种。

使用时，首先，在护盾的上象限点钻取观测孔，然后根据观测孔的测量范围和相邻观测孔距离，结合实际需求，依次钻取相邻观测孔，然后在各观测孔处安装扫描仪，利用上位机的定位模块对扫描仪的位置进行定位和实时监测，得到扫描仪相对于基准坐标原点的距离和角度数据，进行显示与存储，接着通过上位机和下位机启动扫描仪，控制电子伸缩和转动平台使测距仪和摄像头伸出护盾外，在一定角度内旋转时对测量范围内的围岩轮廓和围岩岩貌特征进行扫描，围岩被测量点与扫描仪之间的距离由测距仪测量得出，此时围岩被测量点与扫描仪中心的连线与水平夹角由测斜仪测量得出，得出的距离与角度数据信号是以临时坐标原点为依据，围岩岩貌特征由伸出的高清摄像头进行拍摄和实时成像，由光源提供良好的拍摄光线，各观测孔处测量得出的数据通过微处理器进行处理，然后与观测孔编号一起由无线通信传输到上位机中，由于围岩表面与护盾外壳之间的间隙较小，各观测孔处扫描仪的测量范围有限，且从护盾上象限点向下的路径中，间隙逐渐减下，观测孔的布置也逐渐越来越密，测距仪和测斜仪采集的距离和角度信号传输至上位机后，通过距离和角度换算模块对临时坐标系数据进行处理换成为基准坐标系数据(根据需求也可换算成隧道坐标系数据或不换算)，将各观测孔处测量的距离与角度数据进行拼接处理便可以得到隧道围岩断面轮廓二维图像，摄像头采集的隧道围岩岩貌图像信号传输至上位机后，通过岩貌实时图像处理与拼接模块可以得到单个观测孔处岩貌图像与拼接后的隧道断面岩貌周向图像，通过显示模块可以实时显示岩貌图像，在双护盾掘进机连续掘进过程中，前护盾和后护盾为交叉间歇式向前推进，通常后护盾单次推进进程为一环管片的宽度，单次推进所用的时间较短，单次停止的时间相对较长，系统可以在单次停止的时间内完成隧道断面轮廓的扫描与围岩岩貌特征图像采集，同时也可根据需要停止后护盾推进进行观测，或改变后护盾单次推进进程的长度，以满足相邻两个被扫描围岩断面的距离，或可以在后护盾上设置多排不同间距的观测孔，以满足观测需求，围岩断面的间距可根据地质情况、监测级别等要求进行设定，在对隧道不同轴线位置处得出的多个围岩断面轮廓和岩貌图像进行拼接处理便可以得到隧道围岩三维轮廓成像和岩貌图像，显示模块可以实时显示围岩轮廓二维与三维成像以及岩貌图像，根据需要可以进行实时切换或同时显示，另外，在主推进油缸截面处通过相同的方法安装扫描仪和进行实时扫描与观测，对隧道中某一截图通过刀盘计算出的实际开挖尺寸、主推进油缸处扫描系统观测的开挖尺寸以及辅助推进油缸处扫描系统观测的开挖尺寸三者的比较，可监测隧道围岩在一定时间内的变形速度和变形量，以及预测隧道围岩最大变形量，这对现场工程安全具有极其重要的作用与意义，上位机可以控制各扫描仪中光源的亮度以及观测角度，达到局部位置重点详细观测的目的，所得到的数据连同时间一起被存储起来，以备后续工作需要。

本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。