CN111608731A - 一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法，包括：量测数码相机，用于对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；伺服系统，用于通过机械传动携带量测数码相机在不同指定位置对同一靶标进行拍摄；倾角传感器，固定在隧道侧壁且位于靶标周边，用于测量隧道倾角；Mini工控机，用于控制伺服系统的运作，收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。通过上述装置对隧道进行实时监测，可快速获取隧道断面的整体信息，且使用非接触式测量，不破坏结构体的物理性，整个过程自动化程度高，时效性强，操作简单。

Description

一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法

技术领域

本发明涉及隧道检测技术领域，特别是涉及一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法。

背景技术

隧道的变形监测是隧道建设过程及后续运营时期一项非常重要的工作。对隧道变形的监测，主要是指通过采集隧道不同时期的相关数据，对比隧道中相同位置的设计值，以此来反映隧道某一区间内的变形情况。隧道变形的监测实际上就是利用相关仪器对隧道断面进行检测，有关隧道断面检测的方法。

盾构隧道变形监测的常用方法有大地测量方法和传感器测量方法。其中，大地测量方法是变形监测最常用的方法，主要是指利用水准仪、全站仪，通过角度和距离观测获取监测点的三维坐标，但是采用大地测量方法进行变形监测的时效性比较差，作业周期比较长，在短时间内无法完成多个监测点的观测；其次对光照条件和空间条件的要求也限制了它的发挥；此外在全站仪进行高精度测量时，一般都需要安装棱镜，这在许多情况下难以实现。传感器测量方法，尤其是接触式传感器在位移、变形测量领域的应用已经越来越广泛，常用的位移计有百分表或千分表、拉线式位移计、电阻应变片等，传感器应用于变形监测主要是将其埋设在结构体或安装在结构体表面进行，但是传感器用于变形监测具有一些缺点：首先因传感器要埋设在结构体内部或安装在其表面，必须要与结构体接触，对结构体的物理性可能造成破坏或造成一定的影响，而且安装过程也会给工程带来很多不便；其次选择性的布点进行监测，要想全方位地反应结构体的变形以及位移情况，一般要求布设大量的监测点，而通常传感器都只能在某些关键部位布设；此外传感器一般都比较昂贵，一支往往要几千元；另外存在可靠性问题，因为传感器信号在转换成位移时受诸多外部因素的影响，导致测量结果失真。

盾构隧道病害现有的检测手段主要分为人工检测和自动化检测两大类。其中，渗漏水病害主要采用人工目测和隧道检测车测试的方法，管片破损主要采用人工测量，收敛变形测量主要采用全站仪人工测量和收敛尺人工测量，道床脱空主要采用探地雷达和静力水准仪的方法，同时针对隧道沉降还会采用静力水准仪的方式。

分析针对盾构隧道的现有各种检测设备可知，全站仪人工测量和隧道检测车人工测量均需要施工天窗点，因此检测的时效性较差，在隧道突然发生较严重病害时，可能会发生数据滞后的情况，影响隧道病害的及时处置。同时，隧道检测车数据分析时间较长，时效性较差。静力水准仪只能测量隧道沉降，而无法有效测量隧道收敛变形和隧道扭转，测量效果比较单一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法，可以自动化实时监测，时效性强、效率高、操作简单、对作业环境要求低。其具体方案如下：

一种盾构隧道安全状态监测预警装置，包括：

量测数码相机，用于对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；

伺服系统，用于通过机械传动携带所述量测数码相机在不同的指定位置对同一所述靶标进行拍摄；

倾角传感器，固定在所述隧道侧壁且位于所述靶标周边，用于测量隧道倾角；

Mini工控机，用于控制所述伺服系统的运作，还用于收集所述量测数码相机拍摄的照片和所述倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，所述Mini工控机，具体用于提取所述量测数码相机拍摄的照片上的编码点信息，通过算法处理所述编码点信息，得到实际空间中各编码点的相对位置关系，并根据得到的所述相对位置关系和所述倾角传感器测量的隧道轴向和径向的倾角，计算变形量，根据计算出的所述变形量对隧道横截面变形、隧道沉降、隧道轴向和径向的倾角变化进行分析评价。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，还包括：

自供电系统，用于利用隧道内部行驶车辆产生的活塞风发电，向所述量测数码相机、所述伺服系统和所述Mini工控机供电。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，所述自供电系统包括垂直轴风力发电机、逆变器和蓄电池；其中，

所述垂直轴风力发电机，用于利用隧道内部行驶车辆通过时的活塞风，将风能转换成电能；

所述逆变器，用于通过变压变频将所述垂直轴风力发电机转换得到的所述电能存储在所述蓄电池中。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，所述伺服系统包括导轨云台系统、伺服控制器和照明光源；其中，

所述伺服控制器，用于控制所述导轨云台系统中的导轨和云台的运动；

所述导轨云台系统，用于安装和携带所述量测数码相机移动到指定位置；

所述照明光源，用于为所述量测数码相机拍摄时提供光源。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，还包括：

通过盾构管片纵向连接螺栓安装在所述隧道侧壁的带挂耳的外挂齿槽；

通过螺母固定在所述外挂齿槽相应位置的机柜；所述机柜，用于通过螺钉直接固定所述Mini工控机、所述照明光源、用于覆盖所述盾构隧道安全状态监测预警装置的透明防风罩，还用于通过万向挂架固定所述导轨云台系统。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，所述自供电系统紧靠所述隧道侧壁放置于地面，与所述外挂齿槽通过螺栓连接固定。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，所述倾角传感器与所述Mini工控机通过串口连接；

所述量测数码相机与所述Mini工控机通过WIFI连接。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法，包括：

Mini工控机控制伺服系统通过机械传动携带量测数码相机移动到指定位置；

所述量测数码相机对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；

同时，倾角传感器测量隧道倾角；

所述Mini工控机收集所述量测数码相机拍摄的照片和所述倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

优选地，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法中，所述Mini工控机收集所述量测数码相机拍摄的照片和所述倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，具体包括：

所述Mini工控机提取所述量测数码相机拍摄的照片上的编码点信息，通过算法处理所述编码点信息，得到实际空间中各编码点的相对位置关系；

根据得到的所述相对位置关系和所述倾角传感器测量的隧道轴向和径向的倾角，计算变形量；

根据计算出的所述变形量，对隧道横截面变形、隧道沉降、隧道轴向和径向的倾角变化进行分析评价。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法，包括：量测数码相机，用于对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；伺服系统，用于通过机械传动携带量测数码相机在不同的指定位置对同一靶标进行拍摄；倾角传感器，固定在隧道侧壁且位于靶标周边，用于测量隧道倾角；Mini工控机，用于控制伺服系统的运作，还用于收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

本发明综合采用近景摄影测量技术、倾角测量技术、图像处理技术等对隧道进行实时监测，能够快速地获取隧道断面的整体信息，克服了传统监测方法往往不能同一时刻获得全部的测量数据的不足，并且使用非接触式测量，不破坏结构体的物理性，拍摄的图像数据和测量的隧道倾角数据由Mini工控机完成相关处理，整个过程自动化程度高，时效性强，工作量小，操作简单，效率高，方便信息管理与共享，对作业环境要求低，另外在对测量数据分析评价后判断隧道的稳定性，对存在的风险隐患进行预警，不仅可以及时发现问题，预防事故发生，还能够实现动态化、信息化施工和维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的盾构隧道安全状态监测预警装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的编码点的四种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的盾构隧道安全状态监测预警装置的具体实体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的外挂齿槽安装后断面效果示意图；

图5为本发明实施例提供的盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法流程图。

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。

本发明提供一种盾构隧道安全状态监测预警装置，如图1所示，包括：

量测数码相机1，用于对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；

伺服系统2，用于通过机械传动携带量测数码相机在不同的指定位置对同一靶标进行拍摄；

倾角传感器3，固定在隧道侧壁且位于靶标周边，用于测量隧道倾角；

Mini工控机4，用于控制伺服系统的运作，还用于收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

需要注意的是，为了减少Mini工控机4的工作量，加快处理效率，Mini工控机4可以将收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角等监测数据通过有线或无线方式传输至远端数据库服务器，以实现状态监测和分级预警功能。Mini工控机4可以带有本地存储功能，在网络通信中断时，可以进行数据本地存储，以不丢失测量数据。

在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，综合采用近景摄影测量技术、倾角测量技术、图像处理技术等对隧道进行实时监测，能够快速地获取隧道断面的整体信息，克服了传统监测方法往往不能同一时刻获得全部的测量数据的不足，并且使用非接触式测量，不破坏结构体的物理性，拍摄的图像数据和测量的隧道倾角数据由Mini工控机完成相关处理，整个过程自动化程度高，时效性强，工作量小，操作简单，效率高，方便信息管理与共享，对作业环境要求低，另外在对测量数据分析评价后判断隧道的稳定性，对存在的风险隐患进行预警，不仅可以及时发现问题，预防事故发生，还能够实现动态化、信息化施工和维护。

需要说明的是，近景摄影测量技术主要指小于100米的地面上拍摄影像的测量处理技术，使用数码相机等数码产品进行近景摄影测量，具有影像获取速度快；全数字化处理影像、自动化程度高；信息管理、共享方便；作业过程简单，对作业环境要求低等优势，可以满足信息化测绘的要求。本发明通过近景测量的标定后的量测数码相机作为测量相机，构像畸变差较小且稳定，内方位元素已知，所测得的信息以数字影像为载体储存，具有可重复使用的优势，不伤及测量目标、不干扰被测物体自然状态、可在恶劣环境下作业的非接触性测量，并且具有严谨的理论基础，先进的软硬件技术支持，可以提供高精度且可靠的三维数据成果。总的来说，本发明使用量测数码相机具有目标的快速获取、非接触式量测方式和场景再现能力等优势。

由于近景测量需要在不同位置拍摄隧道监测区域的多张照片，其中拍摄点位置越多，拍摄角度越多，像素越高，测量精度也相应提高，本发明通过伺服系统移动量测数码相机，以使量测数码相机在不同位置对同一靶标(即隧道断面上的测点)进行多角度的拍摄，得到该隧道监测区域不同时期的多张照片，经过计算机处理提取照片上的编码点信息。

另外，需要说明的是，为了保证自动检测，本发明中隧道侧壁上所需标记点必须为编码点，在隧道侧壁粘贴固定用于拍摄的靶标作为编码点，该靶标的材质可选用PVC材质不干胶银标。图2示出了四种编码点形状，当然也可以是其他形状，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，如图1和图3所示，伺服系统2可以包括导轨云台系统、伺服控制器和照明光源21；其中，伺服控制器，用于控制导轨云台系统中的导轨22和云台23的运动；导轨云台系统，用于安装和携带量测数码相机1移动到指定位置；照明光源21，用于为量测数码相机1拍摄时提供光源。较佳地，由于地铁隧道中光线极差，为了保证Mini工控机能够识别到拍摄到的照片中的编码点，需要保证编码点有良好的光线，可使用LED灯作为照明光源。

另外，本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置由于有长期监测的需要，在隧道内部无法给装置提供电源的情况下，装置需具备自供电的能力，在具体实施时，如图1所示，装置还可以包括：自供电系统5，用于利用隧道内部行驶车辆产生的活塞风发电，向量测数码相机1、伺服系统2和Mini工控机4供电。

进一步地，具体地，如图1所示，自供电系统5可以包括垂直轴风力发电机、逆变器和蓄电池；其中，垂直轴风力发电机，用于利用隧道内部行驶车辆通过时的活塞风，将风能转换成电能；逆变器，用于通过变压变频将垂直轴风力发电机转换得到的电能存储在蓄电池中。这样的设计充分考虑地铁隧道内部行驶车辆产生活塞风的特点，利用小型风力发电系统实现设备自供电，进而节能减排。

在实际应用中，本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置可以总结为“基于近景测量技术的智能数码摄影+导轨及云台+倾角感知+自供电”综合在线监测预警装置，在控制平台的人员制定、下达监测指令后，该装置可以自动完成预先设定好的数据采集和分析计算。

由于监测预警装置不适宜整个埋设在盾构管片中或粘贴固定在其表面上，为了不破坏盾构管片，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，如图3所示，还可以包括：通过盾构管片纵向连接螺栓安装在隧道侧壁的带挂耳的外挂齿槽6；通过螺母固定在外挂齿槽6相应位置的机柜7；机柜7，用于通过螺钉直接固定Mini工控机4、照明光源21、用于覆盖监测预警装置的透明防风罩8(材质可选用玻璃)，还用于通过万向挂架9固定导轨云台系统。

具体地，如图4所示，利用盾构管片纵向连接螺栓100安装外挂齿槽至隧道侧壁的具体操作可以为：拆卸相邻盾构管片纵向连接螺母两个，利用原有纵向连接螺栓100，固定带挂耳200的外挂齿槽两根。图4还示出了外挂齿槽的槽道300和T型螺栓400。每根齿槽由两个挂耳200固定在一个管片上，每个管片上固定一根齿槽。共两根齿槽需要固定在相邻的两个管片的相应位置。

安装机柜至外挂齿槽的具体操作可以为：在外挂齿槽上的相应位置用螺母固定机柜至挂耳槽。即机柜通过外挂齿槽利用盾构隧道管片既有螺栓固定于隧道侧壁上，此方法具备不破坏盾构管片的优点。

安装监测预警装置至机柜的具体操作可以为：量测数码相机安装在导轨云台系统上，而导轨云台系统再通过万向挂架固定于机柜，这是由于隧道壁拼接结构，跨拼接区域的固定耳可能导致机柜固定后的位置精度差，如果将机柜直接与导轨云台系统连接，因补偿误差导致的变形会影响导轨的正常运动，因此增加通用的万向挂架，用螺钉固定万向挂架至转接板，可以减小装配变形对导轨云台的影响。这样采用外挂齿槽+云台导轨的安装方式，一台量测数码相机就可实现多位置多角度自动拍摄，获得盾构隧道完整360°断面状态信息，同时该安装方式具备快速灵活、不破坏盾构管片的优点。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，自供电系统可以紧靠隧道侧壁放置于地面，与外挂齿槽通过螺栓连接固定。

另外，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，倾角传感器可以粘贴固定在隧道侧壁，倾角传感器与Mini工控机通过串口连接；具体地，倾角传感器通过线缆与Mini工控机连接。而量测数码相机与Mini工控机通过WIFI连接。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置中，上述Mini工控机4，具体可以用于提取量测数码相机拍摄的照片上的编码点信息，通过算法处理编码点信息，得到实际空间中各编码点的相对位置关系，并根据得到的相对位置关系和倾角传感器测量的隧道轴向和径向的倾角，计算变形量，根据计算出的变形量对隧道横截面变形、隧道沉降、隧道轴向和径向的倾角变化进行分析评价。这样通过将多种监测变量有机组合分析，能同时实现严重病害隧道区段的多种隧道病害的在线监测和预警，如隧道沉降、隧道收敛变形、应力和隧道扭转等。

具体地，首先通过共线方程描述摄站点、像点和像点对应的物点之间的解析关系式。考虑摄影物镜畸变差等相关干扰因素的影响，因此引入偏差参数Δx和Δy进行修正，严密的共线方程表达式为：

式中，x₀，y₀，f为相机的内方位元素；(X_s,Y_s,Z_s)为摄站点坐标；(X,Y,Z)为物方空间坐标；(x,y)为相应的像点坐标；a₁,a₂,a₃,b₁,b₂,b₃,c₁,c₂,c₃为摄影测量中常用的旋转角，

ω，κ(Y为主光轴)构成的旋转矩阵中的元素。

利用光束法平差进行迭代求解，结合Levenberg-Marquardt优化算法，得到物方空间坐标(X,Y,Z)，进而得到实际空间中各编码点的相对位置关系。

同时，通过差分倾角传感器监测出隧道轴向α和径向的倾角β。

接下来，通过程序自动对比不同时刻拍摄的同一靶标的径向截面坐标数据值(X,Y)和隧道倾角值(轴向倾角α和径向倾角β)，得到测点数据，包括隧道横截面变形；隧道沉降；隧道轴向和径向的倾角变化。综合分析评价各变量，实现隧道安全状态分级预警。

其中，隧道横截面变形由椭圆度评价，椭圆度计算：由同一截面盾构隧道各测点径向倾角β和纵坐标值Y得到各测点横截面二维坐标值(Z,Y),其中Z＝Y·tanβ；将各测点拟合为椭圆，椭圆方程式为eY²+fYZ+gZ²+hY+jZ+1＝0，其中e、f、g、h、j为参数；计算椭圆长半轴

计算椭圆短半轴

计算椭圆度为λ＝2×(l_a-l_b)。

隧道截面应变为隧道在受到外力作用下会产生的变形，变形的程度称应变，在测试中通过测试标靶的位置变化量(ΔX,ΔY,ΔZ)确定其应变，应力与应变呈正相关关系，根据应力应变曲线得到应力(F_ΔX,F_ΔY,F_ΔZ)。隧道沉降由纵坐标变化量ΔY和轴向倾角变化量Δα综合评价；评价函数设为f(ΔY,Δα)。隧道轴截面变形由横纵坐标变化量ΔX和ΔY综合评价；评价函数为g(ΔX,ΔY)。

最后，在获得各评价结果后，通过将评价结果与阈值表进行比较，根据比较结果实现分级预警。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法，由于该监测预警方法解决问题的原理与前述一种盾构隧道安全状态监测预警装置相似，因此该监测预警方法的实施可以参见盾构隧道安全状态监测预警装置的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法，如图5所示，具体包括以下步骤：

S501、Mini工控机控制伺服系统通过机械传动携带量测数码相机移动到指定位置；

S502、量测数码相机对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；

S503、倾角传感器测量隧道倾角；

S504、Mini工控机收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法中，可以通过执行上述步骤，对隧道进行实时监测，能够快速地获取隧道断面的整体信息，克服了传统监测方法往往不能同一时刻获得全部的测量数据的不足，并且使用非接触式测量，不破坏结构体的物理性，拍摄的图像数据和测量的隧道倾角数据由Mini工控机完成相关处理，整个过程自动化程度高，时效性强，工作量小，操作简单，效率高，方便信息管理与共享，对作业环境要求低，另外在对测量数据分析评价后对存在的风险隐患进行预警，不仅可以及时发现问题，预防事故发生，还能够实现动态化、信息化施工和维护。

需要注意的是，在执行步骤S501之前，需要对量测数码相机进行标定。具体地，对量测数码相机(近景摄像机)的标定主要包括：测定主距与像主点位置；测定光学畸变系数；测定手机相机的偏心常数。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法中，步骤S504中Mini工控机收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，具体可以包括：Mini工控机提取量测数码相机拍摄的照片上的编码点信息，通过算法处理编码点信息，得到实际空间中各编码点的相对位置关系；根据得到的相对位置关系和倾角传感器测量的隧道轴向和径向的倾角，计算变形量；根据计算出的变形量，对隧道横截面变形、隧道沉降、隧道轴向和径向的倾角变化进行分析评价。

关于上述各个步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

综上，本发明实施例提供的一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法，包括：量测数码相机，用于对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；伺服系统，用于通过机械传动携带量测数码相机在不同的指定位置对同一靶标进行拍摄；倾角传感器，固定在隧道侧壁且位于靶标周边，用于测量隧道倾角；Mini工控机，用于控制伺服系统的运作，还用于收集量测数码相机拍摄的照片和倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。本发明综合采用近景摄影测量技术、倾角测量技术、图像处理技术等对隧道进行实时监测，能够快速地获取隧道断面的整体信息，克服了传统监测方法往往不能同一时刻获得全部的测量数据的不足，并且使用非接触式测量，不破坏结构体的物理性，拍摄的图像数据和测量的隧道倾角数据由Mini工控机完成相关处理，整个过程自动化程度高，时效性强，工作量小，操作简单，效率高，方便信息管理与共享，对作业环境要求低，另外在对测量数据分析评价后判断隧道的稳定性，对存在的风险隐患进行预警，不仅可以及时发现问题，预防事故发生，还能够实现动态化、信息化施工和维护。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，包括：

量测数码相机，用于对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；

伺服系统，用于通过机械传动携带所述量测数码相机在不同的指定位置对同一所述靶标进行拍摄；

倾角传感器，固定在所述隧道侧壁且位于所述靶标周边，用于测量隧道倾角；

Mini工控机，用于控制所述伺服系统的运作，还用于收集所述量测数码相机拍摄的照片和所述倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，所述Mini工控机，具体用于提取所述量测数码相机拍摄的照片上的编码点信息，通过算法处理所述编码点信息，得到实际空间中各编码点的相对位置关系，并根据得到的所述相对位置关系和所述倾角传感器测量的隧道轴向和径向的倾角，计算变形量，根据计算出的所述变形量对隧道横截面变形、隧道沉降、隧道轴向和径向的倾角变化进行分析评价。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，还包括：

自供电系统，用于利用隧道内部行驶车辆产生的活塞风发电，向所述量测数码相机、所述伺服系统和所述Mini工控机供电。

4.根据权利要求3所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，所述自供电系统包括垂直轴风力发电机、逆变器和蓄电池；其中，

所述垂直轴风力发电机，用于利用隧道内部行驶车辆通过时的活塞风，将风能转换成电能；

所述逆变器，用于通过变压变频将所述垂直轴风力发电机转换得到的所述电能存储在所述蓄电池中。

5.根据权利要求4所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，所述伺服系统包括导轨云台系统、伺服控制器和照明光源；其中，

所述伺服控制器，用于控制所述导轨云台系统中的导轨和云台的运动；

所述导轨云台系统，用于安装和携带所述量测数码相机移动到指定位置；

所述照明光源，用于为所述量测数码相机拍摄时提供光源。

6.根据权利要求5所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，还包括：

通过盾构管片纵向连接螺栓安装在所述隧道侧壁的带挂耳的外挂齿槽；

通过螺母固定在所述外挂齿槽相应位置的机柜；所述机柜，用于通过螺钉直接固定所述Mini工控机、所述照明光源、用于覆盖所述盾构隧道安全状态监测预警装置的透明防风罩，还用于通过万向挂架固定所述导轨云台系统。

7.根据权利要求6所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，所述自供电系统紧靠所述隧道侧壁放置于地面，与所述外挂齿槽通过螺栓连接固定。

8.根据权利要求7所述的盾构隧道安全状态监测预警装置，其特征在于，所述倾角传感器与所述Mini工控机通过串口连接；

所述量测数码相机与所述Mini工控机通过WIFI连接。

9.一种如权利要求1至8任一项所述盾构隧道安全状态监测预警装置的监测预警方法，其特征在于，包括：

Mini工控机控制伺服系统通过机械传动携带量测数码相机移动到指定位置；

所述量测数码相机对隧道监控区域内固定在隧道侧壁作为编码点的靶标进行拍摄；

同时，倾角传感器测量隧道倾角；

所述Mini工控机收集所述量测数码相机拍摄的照片和所述倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，将评价结果与阈值表作比较，以对隧道安全状态进行分级预警。

10.根据权利要求9所述的监测预警方法，其特征在于，所述Mini工控机收集所述量测数码相机拍摄的照片和所述倾角传感器测量的隧道倾角并进行变形量计算及分析评价，具体包括：

所述Mini工控机提取所述量测数码相机拍摄的照片上的编码点信息，通过算法处理所述编码点信息，得到实际空间中各编码点的相对位置关系；

根据得到的所述相对位置关系和所述倾角传感器测量的隧道轴向和径向的倾角，计算变形量；

根据计算出的所述变形量，对隧道横截面变形、隧道沉降、隧道轴向和径向的倾角变化进行分析评价。

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