一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统与监测方法与流程

本发明涉及隧道施工监测领域，具体涉及一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统与监测方法。

背景技术：

1、随着经济发展的需要，为了打破地理位置造成的经济隔断，保障各区域经济协调发展，穿江越海的隧道建设项目越来越多。在众多隧道施工方法中，盾构法因其安全性强、施工效率高、受地质和气候影响较小等优点，成为隧道建设施工的首选方式。在盾构隧道始发掘进时，由于负环管片没有围岩和土层的约束，在盾构机千斤顶的推力作用下发生较大变形，增大盾构隧道负环管片椭圆度，直接影响盾构机始发姿态，掘进过程中容易偏离设计隧道轴线，导致进洞失败从而引发工程事故，对人民生命安全和国家财产造成损失。因此在盾构始发掘进施工时，必须加强对负环管片变形的监测，确保盾构机以准确的姿态顺利进洞。

2、现有技术文献公布号为cn 114233299 a的中国专利，其公开了一种盾构隧道管片位移监测方法与设备，包括安装在盾构隧道底部轨道上的移动小车、设置于所述移动小车上的激光测距仪以及安装于盾构隧道壁面监测点管片上的反光片，所述移动小车能顺着所述轨道移动，所述移动小车上还设有带动所述激光测距仪沿着所述盾构隧道的周向方向转动的驱动机构以及对所述激光测距仪的转动角度进行测量的角度测量机构。该专利主要利用移动小车带动激光测距仪、驱动机构、角度测量机构，配合反光片实现以移动小车为参照物的距离角度。但是，上述专利在每次监测都需要对激光测距仪进行调节，具有较为繁琐的计算，且小车在行进以及停止的过程中，会存在震动的情况，再配合盾构机工作时发生的振动，在监测过程中，人为误差较大，从而导致测量结果存在偏差，且在实际监测过程中，监测位置较少，且无法及时反馈负环管片的变形，效率较低，不利于工程建设项目的信息化管理。

3、因此，提供一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统与监测方法，已是一个值得研究的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于通过精细化、自动化和实时化的监控，工程团队能够更高效、精准地管理施工过程，同时也为后期维护提供了重要保障。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明本发明提供的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，包括安装在负环管片包括连接多个标准块；多个所述标准块连接成优弧形结构，连接在所述标准块活动端的邻接块以及位于两个所述邻接块之间的封顶块；

4、数据采集系统，监测所述负环管片产生的x、y和z三个方向的转角变形，包括设置在所述标准块、所述邻接块、所述封顶块上的姿态传感器，所述姿态传感器采集并记录在时间序列下的变形量，生成监测数据；

5、数据后处理系统，包括本地服务器，对所述监测数据进行清洗和预处理，应用所述本地服务器内的相应算法计算本次变形数据；

6、可视化监测系统，接收本次变形数据，根据本次变形数据和累计变形数据对所述负环管片进行三维可视化动态显示；将本次变形数据与预设的阈值作对比处理，在超出阈值时作警报处理。

7、在一些实施方式中，所述数据采集系统包括云服务器，用于对所述姿态传感器监测的变形量进行存储和归档，生成监测数据；辅助时间序列下的变形量进行云端传输，所述本地服务器通过无线通信连接于所述云服务器，辅助本地服务器进行云端的监测数据自动下载。

8、在一些实施方式中，所述姿态传感器包括固定底座、高精度陀螺仪、gps定位模块、lte-iot无线传输模块和电池单元，所述高精度陀螺仪、所述gps定位模块、所述lte-iot无线传输模块和所述电池单元通过外壳封装在固定底座上；所述高精度陀螺仪用以采集负环管片转动角度；

9、所述gps定位模块用以采集多个姿态传感器安装位置的坐标信息；

10、所述lte-iot无线传输模块用以无线传输转动角度和坐标信息；

11、所述电池单元用以为所述高精度陀螺仪、gps定位模块、lte-iot无线传输模块提供电源。

12、在一些实施方式中，所述姿态传感器对变形量按照一定的频率自动采集，采集频率为每5-8分钟一次。

13、在一些实施方式中，所述固定底座通过鱼眼螺栓安装在所述标准块、所述邻接块、所述封顶块内侧。

14、在一些实施方式中，所述固定底座沿盾构隧道环向内壁间隔1~2m，纵向内壁间隔2m布置。

15、在一些实施方式中，所述可视化监测系统包括可视化控制终端，所述可视化控制终端通信连接于所述数据后处理系统，所述负环管片三维精细化变形模型比例为1：1~20。

16、在一些实施方式中，所述可视化控制终端发出警报处理的方式为窗口闪烁、弹窗提醒、短信通知、邮件。

17、在一些实施方式中，所述可视化控制终端为计算机、平板电脑、手机和其他手持式设备。

18、一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测方法，包括如下步骤：

19、s1：组建所述盾构隧道始发掘进时负环管片实时数据采集系统：

20、将姿态传感器沿盾构隧道环向和纵向布置在负环管片的内壁上，使姿态传感器的x方向与隧道轴向相平行，采集负环管片三维空间坐标系中x、y和z三个方向的转动角度；

21、s2：搭建云服务器：

22、使云服务器与姿态传感器建立无线通信连接，能够接收所有姿态传感器上传的负环管片转动角度，对其进行归档和存储，生成监测数据；

23、s3：组建数据后处理系统：

24、将本地服务器布置在盾构隧道项目控制室，从云服务器自动下载监测数据并进行清洗和预处理，根据相应的算法得到负环管片整体累计变形和本次变形，同时通过有线或无线传输至可视化监测系统；

25、s4：进行盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形监测和预警：

26、可视化监测系统根据本次变形数据和累计变形数据对所述负环管片进行三维可视化动态显示，并与预设阈值进行对比分析，根据分析结果对盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形的监测和预警，在超出阈值时作警报处理；

27、s5：拆除姿态传感器：

28、待前期拼装的负环管片稳定后，将姿态传感器拆除，完成装置的使用。

29、积极有益效果：

30、通过本发明的盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统通过数据采集系统、数据后处理系统和可视化监测系统相互配合，可实现盾构隧道始发掘进时负环管片变形的实时自动化采集、数据远程无线传输与远程实时监测与预警，满足盾构隧道始发掘进施工期间对盾构姿态控制的需求；

31、在使用中，既提升了施工安全性，又优化了施工精度与效率，进一步减少了人为误差，并为施工决策提供了重要的数据支持；

32、通过精细化、自动化和实时化的监控，工程团队能够更高效、精准地管理施工过程，同时也为后期维护提供了重要保障。

技术特征：

1.一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，包括安装在负环管片包括连接多个标准块（10）；多个所述标准块（10）连接成优弧形结构，连接在所述标准块（10）活动端的邻接块（11）以及位于两个所述邻接块（11）之间的封顶块（12），其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述数据采集系统包括云服务器（3），用于对所述姿态传感器（1）监测的变形量进行存储和归档，生成监测数据；

3.根据权利要求2所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述姿态传感器（1）包括固定底座（2）、高精度陀螺仪（101）、gps定位模块（102）、lte-iot无线传输模块（103）和电池单元（104），所述高精度陀螺仪（101）、所述gps定位模块（102）、所述lte-iot无线传输模块（103）和所述电池单元（104）通过外壳封装在固定底座（2）上；

4.根据权利要求3所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述姿态传感器（1）对变形量按照一定的频率自动采集，采集频率为每5-8分钟一次。

5.根据权利要求3所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述固定底座（2）通过鱼眼螺栓（16）安装在所述标准块（10）、所述邻接块（11）、所述封顶块（12）内侧。

6.根据权利要求5所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述固定底座（2）沿盾构隧道环向内壁间隔1~2m，纵向内壁间隔2m布置。

7.根据权利要求3所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述可视化监测系统包括可视化控制终端（6），所述可视化控制终端（6）通信连接于所述数据后处理系统，所述负环管片三维精细化变形模型比例为1：1~20。

8.根据权利要求7所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述可视化控制终端（6）发出警报处理的方式为窗口闪烁、弹窗提醒、短信通知、邮件。

9.根据权利要求8所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，其特征在于：所述可视化控制终端（6）为计算机（7）、平板电脑（8）、手机（9）和其他手持式设备。

10.应用权利要求3-9任一所述的一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种盾构隧道始发掘进时负环管片实时变形无线监测系统，包括安装在负环管片包括标准块、邻接块以及封顶块，数据采集系统，监测所述负环管片产生的X、Y和Z三个方向的转角变形；数据后处理系统，包括本地服务器，对所述监测数据进行清洗和预处理，应用所述本地服务器内的相应算法计算本次变形数据；可视化监测系统，根据本次变形数据和累计变形数据对所述负环管片进行三维可视化动态显示；在超出阈值时作警报处理。有益效果在于：通过本发明可实现盾构隧道始发掘进时负环管片变形的实时自动化采集、数据远程无线传输与远程实时监测与预警，满足盾构隧道始发掘进施工期间对盾构姿态控制的需求。

技术研发人员：杨智勇,和棒棒,杨帆,张军,陈杨,舒计城,王渊,吴君才,于鑫洋,杨贺,靳军伟,李明宇,张清隆
受保护的技术使用者：中铁十四局集团大盾构工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/3