申请/专利权人：长安大学

申请日：2019-05-14

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN110081857B

主分类号：G01C5/00

分类号：G01C5/00;G01C11/02;G01C15/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.08.27#实质审查的生效;2019.08.02#公开

摘要：本发明公开了一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统及监测方法，通过设置定位标定装置和移动监测装置；在施工隧道上方路面贴设地表反射片，在施工隧道上方沿街建筑物贴设建筑反射片，形成固定反射参考点，利用固定测量外壳外侧的测量摄像机获取设置于施工隧道上方路面的轨道和移动机器人获取路面参照点相对位置图像，在安装底座上设有固定凹槽，固定凹槽内设有漂浮液，测量装置置于固定凹槽内的漂浮液中；当地面因盾构施工扰动而产生沉降或隆起，移动监测装置产生沉降或隆起，测量块在自身重量下处于平衡状态，从而得到测量块上下浮动具体，从而能够得到地表震动情况，达到施工隧道的地表实时监测的目的，本装置结构简单，测量数据准确。

主权项：1.一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，包括定位标定装置和移动监测装置；定位标定装置包括地表标定点1和建筑物标定点2；地表标定点1包括贴设于施工隧道上方路面的地表反射片5，建筑物标定点2包括贴设于施工隧道上方沿街建筑物的建筑反射片11；移动监测装置包括移动机器人13和固定于施工隧道上方路面的轨道7，移动机器人13包括移动外壳17以及设置于移动外壳17内的测量装置12，测量装置12连接有供电装置14，移动外壳17下端设有与轨道7配合滑动的移动轮16，移动外壳17内设有安装底座15、控制器以及与控制器连接的无线传输模块，安装底座15上设有固定凹槽18，固定凹槽18内设有漂浮液，测量装置12置于固定凹槽18内的漂浮液中；测量装置12包括测量外壳20以及竖直设置于测量外壳20内的导向杆23，导向杆23上套设有能够沿导向杆23上下滑动的测量块24，测量外壳20上下两端分别设有上极板21和下极板22，测量块24带有负电荷；测量外壳20外侧固定有连接于控制器的测量摄像机；测量摄像机与测量外壳20固定为一体；地表标定点1包括地表检测杆3，地表检测杆3上端设有大于地标检测杆直径的球帽4，球帽4贴设有反射片5，地表检测杆3埋设于施工隧道上方地面内，球帽4下表面与地面地表接触；测量外壳20外侧固定有第一测量摄像机25、第二测量摄像机26和第三测量摄像机27；第一测量摄像机25和第二测量摄像机26均水平设置，第一测量摄像机25和第二测量摄像机26用于获取施工隧道上方两侧地表反射片5和建筑反射片11图像信息，第一测量摄像机25和第二测量摄像机26朝向相反；第三测量摄像机27镜头对准测量块位置，轨道7通过支撑架固定于施工隧道上方路面，支撑架上端设有用于固定轨道7的横梁，支撑架下端固定有固定块10，固定块10通过地脚螺栓9固定于地面。

全文数据：一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统及监测方法技术领域本发明涉及城市轨道交通施工领域，具体涉及一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统及监测方法。背景技术目前，我国的城市轨道交通建设进入了大发展时期。国内百万人口以上的大都市都急需建设完善的地下交通网络，以此来缓解地面交通拥堵的状况。地铁开辟了人类利用地下空间的时代，减轻了地面交通压力，地铁已成为21世纪中国城市基础设施的主要形式。在地铁隧道的施工方法中，盾构施工具有速度快、效率高、质量高等优点，成为了地铁建设首选的施工方法。在盾构施工过程中，刀盘会使周围地层产生扰动，造成地表隆起或沉降，从而危机地面建筑物和管线。盾构施工可以通过调整土舱压力和注浆量来控制地表变化，但无法及时获取地表变化信息，因此无法及时调整土舱压力和注浆量，不能保证地表面建筑物、道路和地下管线的安全，目前没有针对地表变化数据监测装置，同样也没有针对地表变化的测量数据依据。发明内容本发明的目的在于提供一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统及监测方法，以克服现有技术的不足。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，包括定位标定装置和移动监测装置；定位标定装置包括地表标定点和建筑物标定点；地表标定点包括贴设于施工隧道上方路面的地表反射片，建筑物标定点包括贴设于施工隧道上方沿街建筑物的建筑反射片；移动监测装置包括移动机器人和固定于施工隧道上方路面的轨道，移动机器人包括移动外壳以及设置于移动外壳内的测量装置，测量装置连接有供电装置，移动外壳下端设有与轨道配合滑动的移动轮，移动外壳内设有安装底座、控制器以及与控制器连接的无线传输模块，安装底座上设有固定凹槽，固定凹槽内设有漂浮液，测量装置置于固定凹槽内的漂浮液中；测量装置包括测量外壳以及竖直设置于测量外壳内的导向杆，导向杆上套设有能够沿导向杆上下滑动的测量块，测量外壳上下两端分别设有上极板和下极板，测量块带有负电荷；测量外壳外侧固定有连接于控制器的测量摄像机；测量摄像机与测量外壳固定为一体。进一步的，地表标定点包括地表检测杆，地表检测杆上端设有大于地标检测杆直径的球帽，球帽贴设有反射片，地表检测杆埋设于施工隧道上方地面内，球帽下表面与地面地表接触。进一步的，测量外壳采用透明壳体。进一步的，导向杆采用绝缘体。进一步的，导向杆两端分别与上极板和下极板固定。进一步的，地表标定点和建筑物标定点上均设有监测点号。进一步的，测量外壳外侧固定有第一测量摄像机、第二测量摄像机和第三测量摄像机；第一测量摄像机和第二测量摄像机均水平设置，第一测量摄像机和第二测量摄像机用于获取施工隧道上方两侧地表反射片和建筑反射片图像信息，第一测量摄像机和第二测量摄像机朝向相反；第三测量摄像机镜头对准测量块位置。进一步的，轨道通过支撑架固定于施工隧道上方路面，支撑架上端设有用于固定轨道的横梁，支撑架下端固定有固定块，固定块通过地脚螺栓固定于地面。一种盾构施工隧道的地表实时监测方法，包括以下步骤：步骤1、通过第一测量摄像机获取基准点高程记作A；步骤2、然后控制移动机器人沿轨道移动，通过第一测量摄像机和第二测量摄像机获取道路两侧地监测点的表标定点和建筑物标定点图像信息，得到监测点高程信息，记作P；步骤3、利用第三测量摄像机实时监测测量块上下移动距离信息，记作B；步骤4、根据得到的测量块上下移动距离信息，计算得到监测点的修正高程HT＝P+B，T为具体测量时刻；即可得到监测点的变化速率V＝HT—HT-ii，i为时刻间隔。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，通过设置定位标定装置和移动监测装置；在施工隧道上方路面贴设地表反射片，在施工隧道上方沿街建筑物贴设建筑反射片，形成固定反射参考点，利用固定测量外壳外侧的测量摄像机获取设置于施工隧道上方路面的轨道和移动机器人获取路面参照点相对位置图像，通过在移动外壳内内设置安装底座、控制器以及与控制器连接的无线传输模块，在安装底座上设有固定凹槽，固定凹槽内设有漂浮液，测量装置置于固定凹槽内的漂浮液中；当地面因盾构施工扰动而产生沉降或隆起，移动监测装置产生沉降或隆起，测量块在自身重量下处于平衡状态，从而得到测量块上下浮动具体，从而能够得到地表震动情况，达到施工隧道的地表实时监测的目的，本装置结构简单，测量数据准确。一种用于盾构施工隧道的地表实时监测方法，通过第一测量摄像机获取基准点高程记作A；然后控制移动机器人沿轨道移动，通过第一测量摄像机和第二测量摄像机获取道路两侧地监测点的表标定点和建筑物标定点图像信息，得到监测点高程信息，记作P；利用第三测量摄像机实时监测测量块上下移动距离信息，记作B；根据得到的测量块上下移动距离信息，计算得到监测点的修正高程HT＝P+B，即可得到监测点的变化速率V＝HT—HT-ii，从而能够得到路面震动变化情况，及时获取地表变化信息，因此能够作为调整土舱压力和注浆量的参考，有利于隧道施工安全。附图说明图1是本发明整体安装结构示意图。图2是本发明轨道示意图。图3是本发明移动机器人结构示意图。图4是本发明行驶装置及基座示意图。图5是本发明测量装置示意图。图6是本发明地表监测点示意图。图7是本发明建筑物监测点示意图。图中，1-地表标定点，2-建筑物标定点，3-地表检测杆，4-球帽，5-地表反射片，6-监测点号，7-轨道，8-支撑架，9-地脚螺栓，10-固定块，11-建筑反射片，12-测量装置，13-移动机器人，14-供电装置，15-安装底座，16-移动轮，17-移动外壳，18-固定凹槽，19-漂浮液，20-测量外壳，21-上极板，22-下极板，23-导向杆，24-测量块，25-第一测量摄像机，26-第二测量摄像机，27-第三测量摄像机。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述：如图1至图7所示，一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，包括定位标定装置和移动监测装置，定位标定装置包括地表标定点1和建筑物标定点2，地表标定点1包括地表检测杆3，地表检测杆3上端设有大于地标检测杆直径的球帽4，球帽4贴设有地表反射片5，地表检测杆3埋设于施工隧道上方地面内，球帽4下表面与地面地表接触；建筑物标定点2包括贴设于施工隧道上方沿街建筑物的建筑反射片5；地表标定点1和建筑物标定点2上均设有监测点号；移动监测装置包括移动机器人13和固定于施工隧道上方路面的轨道7，移动机器人13包括移动外壳17以及设置于移动外壳17内的测量装置12和供电装置14，移动外壳17下端设有与轨道7配合滑动的移动轮16，移动外壳17内设有安装底座15，安装底座15上设有固定凹槽18，固定凹槽18内设有漂浮液，测量装置12置于固定凹槽18内的漂浮液中；漂浮液能够使测量装置漂浮且处于水平状态；供电装置14为测量装置提供电能；测量装置12包括测量外壳20以及竖直设置于测量外壳20内的导向杆23，导向杆23上套设有能够沿导向杆23上下滑动的测量块24，测量外壳20上下两端分别设有上极板21和下极板22，测量块24带有负电荷；测量外壳20外侧固定有测量摄像机，测量摄像机用于获取测量装置12外侧图像信息；测量摄像机与测量外壳20固定为一体；测量外壳20外侧固定有第一测量摄像机25、第二测量摄像机26和第三测量摄像机27；第一测量摄像机25和第二测量摄像机26均水平设置，第一测量摄像机25和第二测量摄像机26朝向相反；第三测量摄像机27镜头对准测量块位置，用于获取测量块24移动图像；测量外壳20采用透明壳体；导向杆23采用绝缘体，导向杆两端分别与上极板和下极板固定，避免对导向块造成影响；上极板21和下极板22均连接于供电装置，由供电装置提供电力，供电装置能够调节上极板21和下极板22的供电电压；在施工隧道上方地面钻入孔道，插入地表监测杆3，孔道深度大于地表监测杆3长度，球帽的底部与路面平齐，球帽侧面贴反射片，然后用水泥砂浆填满孔道，保证地表检测杆稳定，在地表监测点附近标注监测点号。在施工隧道上方沿街建筑物的墙面上布设建筑物监测点，监测点布置方法是在墙面贴反射片，建筑物监测点附近用喷漆标注监测点号。轨道7通过支撑架固定于施工隧道上方路面，支撑架上端设有用于固定轨道7的横梁，支撑架下端固定有固定块10，固定块10通过地脚螺栓9固定于地面；还包括控制器以及与控制器连接的无线传输模块，控制器用于获取测量摄像机测量图片，并将测量图片通过无线传输模块发送至外部控制中心；下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：将轨道架设于施工隧道上方地面，将移动机器人安装在轨道上，对上极板21和下极板22通电，上极板接电源正极，下极板接电源负极；调节电极板电压配合架杆，将带负电的测量块24悬停在绝缘杆中间位置，铜立方体受向上的电场力与重力平衡，通过第一测量摄像机25获取基准点高程记作A，然后控制移动机器人13沿轨道移动，第一测量摄像机25和第二测量摄像机26获取道路两侧地表标定点1和建筑物标定点2图像信息，控制器通过获取测量摄像机测量图片并将测量图片通过无线传输模块发送至外部控制中心，外部控制中心读取图像中的监测点号和监测点高程信息，监测点高程信息记作P；地面因盾构施工扰动而产生沉降或隆起，移动监测装置产生沉降或隆起，测量块24在自身重量下处于平衡状态，测量块24会与测量外壳20发生相对移动，第三测量摄像机27实时监测测量块24移动信息，记作B；测量块24相对于测量外壳20向上移动，B为负值；测量块24相对于测量外壳20向下移动，B为正值，此时监测点的修正高程HT＝P+B，T为具体测量时刻；监测点的变化速率V＝HT—HT-ii，i为时刻间隔。控制器实时将监测监测到的图像信息传输至控制中心；通过对测量图像进行分析，向盾构机发出调整土舱压力和注浆量的指令；随后监测点因施工参数的变化又产生沉降或隆起，网络控制中心不断得到监测点变化信息，不断向盾构机发出调整指令，直至监测点稳定。

权利要求：1.一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，包括定位标定装置和移动监测装置；定位标定装置包括地表标定点1和建筑物标定点2；地表标定点1包括贴设于施工隧道上方路面的地表反射片5，建筑物标定点2包括贴设于施工隧道上方沿街建筑物的建筑反射片11；移动监测装置包括移动机器人13和固定于施工隧道上方路面的轨道7，移动机器人13包括移动外壳17以及设置于移动外壳17内的测量装置12，测量装置12连接有供电装置14，移动外壳17下端设有与轨道7配合滑动的移动轮16，移动外壳17内设有安装底座15、控制器以及与控制器连接的无线传输模块，安装底座15上设有固定凹槽18，固定凹槽18内设有漂浮液，测量装置12置于固定凹槽18内的漂浮液中；测量装置12包括测量外壳20以及竖直设置于测量外壳20内的导向杆23，导向杆23上套设有能够沿导向杆23上下滑动的测量块24，测量外壳20上下两端分别设有上极板21和下极板22，测量块24带有负电荷；测量外壳20外侧固定有连接于控制器的测量摄像机；测量摄像机与测量外壳20固定为一体。2.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，地表标定点1包括地表检测杆3，地表检测杆3上端设有大于地标检测杆直径的球帽4，球帽4贴设有反射片5，地表检测杆3埋设于施工隧道上方地面内，球帽4下表面与地面地表接触。3.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，测量外壳20采用透明壳体。4.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，导向杆23采用绝缘体。5.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，导向杆23两端分别与上极板21和下极板22固定。6.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，地表标定点1和建筑物标定点2上均设有监测点号。7.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，测量外壳20外侧固定有第一测量摄像机25、第二测量摄像机26和第三测量摄像机27；第一测量摄像机25和第二测量摄像机26均水平设置，第一测量摄像机25和第二测量摄像机26用于获取施工隧道上方两侧地表反射片5和建筑反射片11图像信息，第一测量摄像机25和第二测量摄像机26朝向相反；第三测量摄像机27镜头对准测量块位置。8.根据权利要求1所述的一种用于盾构施工隧道的地表实时监测系统，其特征在于，轨道7通过支撑架固定于施工隧道上方路面，支撑架上端设有用于固定轨道7的横梁，支撑架下端固定有固定块10，固定块10通过地脚螺栓9固定于地面。9.一种基于权利要求1所述的监测系统的盾构施工隧道的地表实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过第一测量摄像机获取基准点高程记作A；步骤2、然后控制移动机器人沿轨道移动，通过第一测量摄像机和第二测量摄像机获取道路两侧地监测点的表标定点和建筑物标定点图像信息，得到监测点高程信息，记作P；步骤3、利用第三测量摄像机实时监测测量块上下移动距离信息，记作B；步骤4、根据得到的测量块上下移动距离信息，计算得到监测点的修正高程HT＝P+B，T为具体测量时刻；即可得到监测点的变化速率V＝HT—HT-ii，i为时刻间隔。

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