本實用新型涉及拱頂沉降監(jiān)測領域，特別涉及一種基于PSD的隧道運營期有軌自動監(jiān)測裝置。

背景技術：

從隧道短期運營來看，由于微幅振動幅值較小，短期內不會影響結構和周邊環(huán)境的安全，因此該問題長期未受到關注，地鐵設計中也未有效考慮由于長期微振所帶來的危害。隨著我國經濟建設的突飛猛進和城市化程度的不斷提高，地下空間的開發(fā)和利用已大力開展，地鐵運行所帶來的危害日益凸顯，尤為突出的是地鐵運行所引起的土層沉降問題。土體下沉影響隧道的運營安全和地面建筑物的安全，會造成巨大的經濟損失和社會影響，因此需要有相關適用于地鐵長期運營導致隧道拱頂的沉降監(jiān)測，為評估隧道安全性和土層微幅振動下累積沉降問題提供有力技術支撐的相關研究。

技術實現要素：

針對上述背景技術存在的不足和缺陷，本實用新型提供一種基于PSD的隧道運營期有軌自動監(jiān)測裝置。更具體的涉及機械制造技術、單片機控制技術、機械驅動技術、激光測位技術、無線傳輸技術，同時還涉及一種與之配套相適宜的監(jiān)控量測方法，特別適用于對地隧道長期運營的微幅振動導致的隧道拱頂沉降，適合于對監(jiān)控量測精度、自動化程度要求高的工程：城市地鐵隧道長期運營中拱頂沉降監(jiān)控量測。

本實用新型目的是通過以下技術方案來實現的：

一種基于PSD的隧道運營期有軌自動監(jiān)測裝置，包括：測量裝置、測量系統(tǒng)和軌道裝置；

所述軌道裝置包括：傘型軌道和傘型掛鉤；所述傘型掛鉤嵌于傘型軌道內部的中空軌道內；傘型軌道上設置有用于與隧道拱頂連接的固定裝置；

所述的測量裝置設置在傘型掛鉤下端，其包括：激光測量盒和PSD讀數盒；激光測量盒和PSD讀數盒分別設置在不同的傘型掛鉤下端用于對隧道拱頂的進行水準測量；

所述的測量系統(tǒng)驅動傘型掛鉤在傘型軌道內移動并控制測量裝置進行數據采集。

傘型軌道內部為中空的連接空隙，連接空隙內設置有齒輪軌道；所述傘型掛鉤嵌于傘型軌道內部的中空軌道內，傘型掛鉤上設置有轉動齒輪且內置傳動裝置；傘型掛鉤通過轉動齒輪與傘型軌道內的齒輪軌道相嚙合。

所述的測量系統(tǒng)包括：數據傳輸系統(tǒng)、數據管理分析系統(tǒng)、警報系統(tǒng)、中控平臺；

所述的數據傳輸系統(tǒng)分別與激光測量盒和PSD讀數盒無線連接，數據傳輸系統(tǒng)分別連接中控平臺和數據管理分析系統(tǒng)，數據管理分析系統(tǒng)傳輸數據至數據管理分析系統(tǒng)，所述的數據管理分析系統(tǒng)與警報系統(tǒng)。

所述的激光測量盒內部包括：第一控制盒、第一轉盤和兩對第一對開閘門；兩對第一對開閘門設置在第一控制盒的兩側盒面上，第一控制盒包括第一伺服馬達及第一控制電路，第一控制電路集成無線傳輸模塊，第一伺服馬達通過自帶轉軸與第一轉盤相連，第一轉盤上放置激光發(fā)生器。

所述的PSD讀數盒內部包括：第二控制盒、第二轉盤和兩對第二對開閘門；第二對開閘門設置在第二控制盒的兩側盒面上，第二控制盒包括第二伺服馬達及第二控制電路，第二伺服馬達通過自帶轉軸與轉盤相連，第二轉盤上放置PSD感光板，第二控制電路集成無線傳輸模塊并內置信號解碼模塊。

所述的傘型軌道與傘型掛鉤之間填充潤滑劑。

所述的測量裝置通過連接桿設置在傘型掛鉤下端，連接桿上部的螺紋狀與傘型掛鉤下部的螺紋狀通過對接卡口相連，連接桿下端與激光測量盒或PSD讀數盒相連。

所述傘型軌道由多個具有支路的軌道單元拼接組成，軌道單元包括：固定軌道、標準軌道和分叉軌道，其中，兩個分叉軌道相對設置形成具有支路的軌道，具有支路的軌道依次連接標準軌道和固定軌道形成一個軌道單元；各類軌道之間通過軌道連接套筒連接。

所述的固定裝置包括用于與隧道拱頂相粘合的貼壁鐵板和用于吸附隧道拱頂的橡膠吸盤；橡膠吸盤設置在貼壁鐵板外周；貼壁鐵板通過固化劑環(huán)氧樹脂和固化劑與隧道拱頂相粘合。

所述的傘型軌道內部為傘型的連接空隙，外部結構為流線型，所述的傘型掛鉤的形狀與傘型軌道內部連接空隙形狀相匹配。

一種基于PSD的隧道運營期有軌自動監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1)中控平臺發(fā)出監(jiān)測指令傳輸至數據傳輸系統(tǒng)，并由數據傳輸系統(tǒng)將控制信號分別傳輸至激光測量盒中的第一控制電路以控制激光測量盒到傘型軌道的第一位置以及PSD讀數盒中的第二控制電路PSD讀數盒到傘型軌道的第二位置，并控制第一伺服馬達轉動，直至激光測量盒中的激光發(fā)生器的激光對準PSD讀數盒中PSD感光板，并由第二控制電路中信號解碼模塊讀取對應的X、Y坐標，并返回第一坐標數據到數據傳輸系統(tǒng)，結束一次測量；

2)中控平臺發(fā)出監(jiān)測指令傳輸至數據傳輸系統(tǒng)，并由數據傳輸系統(tǒng)控制激光測量盒由第一位置經過第二支路到第三位置，PSD讀數盒中的第二控制電路控制第二伺服馬達轉動PSD感光板角度，直至處于第三位置處的激光測量盒中的激光發(fā)生器的激光對準第二位置處PSD讀數盒中PSD感光板，并讀取對應的X、Y坐標，并返回第二坐標數據到數據傳輸系統(tǒng)，結束第二次測量；

3)中控平臺發(fā)出監(jiān)測指令傳輸至數據傳輸系統(tǒng)，并由數據傳輸系統(tǒng)控制PSD讀數盒由第二位置經過第三支路到第四位置，激光測量盒中的第一控制電路控制第一伺服馬達轉動激光發(fā)生器的激光角度，直至處于第四位置處的激光測量盒中的激光發(fā)生器的激光對準第三位置處PSD讀數盒中PSD感光板，并讀取對應的X、Y坐標，并返回第三坐標數據到數據傳輸系統(tǒng)，結束第三次測量；

4)重復上述交替測量過程，每次測量的結果與上次測量的結果的Y坐標進行對比做差，得到各測點的豎直沉降。

相對于現有技術，本實用新型具有以下優(yōu)點：

本實用新型的自動監(jiān)測裝置通過在隧道拱頂設置軌道裝置，軌道裝置通過特殊的傘型軌道和傘型掛鉤的設計，傘型軌道由多個具有支路的軌道單元拼接組成，保證了測試行走依靠其內部的齒輪卡著軌道上的輪印行走，行走穩(wěn)定性好，定位的穩(wěn)定性高。將測量系統(tǒng)安裝在軌道裝置底部進行水準測量；并且通過測量裝置進行遠程控制，通過上位機的遠程控制輔之以有軌測量設備，實現了自動化監(jiān)測，節(jié)省了人力和費用，操作方便和快捷，效率大大提高。實現了隧道長期運營微幅振動影響下的拱頂長期沉降的監(jiān)測，一次安裝后長期穩(wěn)定使用，大大節(jié)約了人力操作的費用和人為可能導致的誤差。采用本實用新型能夠大大提高監(jiān)測的自動化水平，提高監(jiān)控量測頻率及時反饋監(jiān)測數據反映隧道運營狀態(tài)，大大降低人力成本，節(jié)約資金。

進一步，傘型軌道外部設計成流線型，能夠最大限度的降低隧道洞內風對其影響，其上部的貼壁鐵板方便軌道安裝和拆卸，橡膠吸盤保護了貼壁鐵板與襯砌之間環(huán)氧樹脂混合液凝固直接暴露在空氣下，大大提升了軌道的使用壽命。軌道內部的傘型設計充分考慮到了軌道長期使用導致的灰塵卡死軌道和潮濕空氣對軌道的腐蝕氧化作用，把軌道保護在其內側，最小程度的間隙其與空氣的接觸。

針對傘型軌道特別設計了固定軌道、標準軌道、分叉軌道等不同的軌道形式，且不同的形式軌道可通過軌道連接套筒相互連接，利于在監(jiān)測節(jié)點處將1、2裝置二者分離開行動，相互不影響。

進一步，傘型掛鉤的設計充分考慮了其與傘型軌道的拼裝組合，受力性能良好，行走依靠其內部的四個小齒輪卡著軌道上了輪印行走，行走穩(wěn)定性好，定位的穩(wěn)定性高。且其與軌道間的空隙填滿潤滑油，利于軌道長期穩(wěn)定使用。掛鉤下端設置螺紋可以通過對接卡口與連接桿連接，便于連接桿下的盒子安裝和檢修。

進一步，PSD讀數盒和激光測量盒都設有對開閘門，利于內部的設備保護。且，二者的控制盒都集成了伺服馬達和控制電路，其中控制電路集成數據采集模塊便于與上位的數據傳輸系統(tǒng)進行信息傳輸和指令實施。其二者內部的伺服馬達轉動精度高，轉動速度快，并且每次轉動的角度都可以由上位機控制，保證了每次測量都與上次測量角度相同，提高監(jiān)測效率。

進一步的，監(jiān)測系統(tǒng)中數據傳輸系統(tǒng)可以實現隧道內部的無線通信，避免了繁瑣的線路搭接問題，檢測到的數據都可以第一時間通過數據管理分析系統(tǒng)處理，并反饋給報警系統(tǒng)和中控平臺。交互性好、即時性強，能夠便于工作人員實時查看隧道拱頂變形情況。

本實用新型的監(jiān)測方法，該裝置通過中控平臺發(fā)出的指令，通過數據傳輸系統(tǒng)傳輸到隧道中的激光測量盒和PSD讀數盒，并通過內置的無線通信模塊和單片機控制激光測量盒和PSD讀數盒的移動達到自動監(jiān)測的目的，其測量原理與普通的水準測量類似，但是輔助以無線控制技術、激光測量技術等現代化的手段，實現了隧道長期運營微幅振動影響下的拱頂長期沉降的監(jiān)測，一次安裝后長期穩(wěn)定使用，大大節(jié)約了人力操作的費用和人為可能導致的誤差。采用本實用新型能夠大大提高監(jiān)測的自動化水平，提高監(jiān)控量測頻率及時反饋監(jiān)測數據反映隧道運營狀態(tài)，大大降低人力成本，節(jié)約資金。

【附圖說明】

圖1是有軌自動監(jiān)測裝置；

圖2是激光發(fā)射盒示意圖；

圖3是PSD測量盒示意圖；

圖4a是固定軌道的側視圖；圖4b是固定軌道的正視圖；圖4c是固定軌道的俯視圖；

圖5a是傘型軌道的標準軌道圖；圖5b是傘型軌道的分叉軌道圖；圖5c是傘型軌道的連接套筒圖；

圖6是傘型軌道連接圖；

圖7是隧道拱頂軌道安裝示圖；

圖8是測量原理示意圖；

圖9是監(jiān)測系統(tǒng)原理圖；

圖中：1.激光測量盒、2.PSD讀數盒、3.連接桿、4.對接卡口、5.傘型軌道、6.傘型掛鉤、7.連接空隙、8.轉動齒輪、9.齒輪軌道、10.齒輪軸、11.貼壁鐵板、12.橡膠吸盤、13.第一對開閘門、14.第一控制盒、15.第一轉盤、16.激光發(fā)射器、17.第一伺服馬達、18.第一控制電路、13’.第二對開閘門、14’.第二控制盒、15’.第二轉盤、17’.第二伺服馬達、18’.第二控制電路、19.PSD感光板、20.軌道連接套筒、21.數據傳輸系統(tǒng)、22.數據管理分析系統(tǒng)、23.警報系統(tǒng)、24.中控平臺、25.固定軌道、26.標準軌道、27.分岔軌道。

【具體實施方式】

下面結合附圖，對本實用新型的具體實施方式進行詳細闡述，但本實用新型不限于該實施例。為了使公眾對本實用新型有徹底的了解，在以下本實用新型優(yōu)選施例中詳細說明具體的細節(jié)。

如圖9所示，本實用新型一種基于PSD的隧道運營期有軌自動監(jiān)測裝置，包括：測量裝置A、測量系統(tǒng)B和軌道裝置C。軌道裝置C包括：傘型軌道5和傘型掛鉤6；測量裝置A包括：激光測量盒1、PSD讀數盒2；測量系統(tǒng)B包括：數據傳輸系統(tǒng)21、數據管理分析系統(tǒng)22、警報系統(tǒng)23和中控平臺24。

如圖4a～4c所示，傘型軌道5上設有齒輪軌道9和連接空隙7，特別地，固定軌道25、分叉軌道27上特定部位含有表面粗糙的貼壁鐵板11和橡膠吸盤12。固定軌道25、分叉軌道27上部貼壁鐵板11與隧道拱頂相粘合，使軌道安裝在隧道拱頂，此外，橡膠吸盤12壓縮后起到吸附隧道拱頂作用。傘型軌道5內部為雨傘型，力學性能良好，穩(wěn)定性強，同時防止灰塵進入導致的軌道卡死失靈等故障。其上部突出的部分為貼壁鐵板11，其曲率與隧道拱頂處相同，便于與隧道貼合。與隧道粘合采用環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂固化劑(環(huán)氧樹脂與隧道襯砌直接接觸，故采用如多胺、雙氰雙胺等堿性固化劑)混合的辦法，保護襯砌混凝土、保證粘合速度、便于安裝固定，同時保證粘合的質量和耐久性。其上部的橡膠吸盤12用于軌道安裝過程中貼壁鐵板11涂抹混合劑后吸附隧道襯砌，利于軌道安裝，且保證混合劑粘合和使用過程中灰塵進入對粘合劑效果的影響，增強使用壽命。在拆卸裝置過程中可以首先讓橡膠吸盤12內進入空氣，然后橡膠吸盤12注入環(huán)氧樹脂溶劑，便于盛放溶劑與凝固后的環(huán)氧樹脂反應，避免送機灑落對人損害和和隧道內環(huán)境破壞，該設計利于裝置拆卸維修。其下部設有齒輪軌道9，便于傘型軌道5運動。

如圖5a～5c所示，傘型軌道5內部中空如傘，外部設計成流線型，由熱膨脹系數小的材料制作而成。所述傘型軌道5由多個具有支路的軌道單元拼接組成，傘型軌道5內部為中空的連接空隙7，連接空隙7內設置有齒輪軌道9；軌道單元包括：固定軌道25、標準軌道26和分叉軌道27，其中，兩個分叉軌道27相對設置形成具有支路的軌道，具有支路的軌道依次連接標準軌道26和固定軌道25形成一個軌道單元；各類軌道之間通過軌道連接套筒20連接。

如圖4a～4c所示，傘型掛鉤6嵌于傘型軌道5內部，形態(tài)與后者內部空隙形狀相似，傘型掛鉤6包括：轉動齒輪8、齒輪軸10且內置傳動裝置，其下部呈螺紋狀。如圖1所示，傘型掛鉤6通過轉動齒輪8與傘型軌道5的齒輪軌道9相連。傘型軌道5與傘型掛鉤6之間采用潤滑劑填充。傘型掛鉤6包括：轉動齒輪8、齒輪軸10且內置傳動裝置，其下部呈螺紋狀，便于與下部的連接桿3通過對接卡口4連接，傘型掛鉤設置成傘型增強了受力穩(wěn)定性，其形態(tài)與傘型軌道5內部空隙形狀相似，且嵌于其內部，增強了與傘型軌道5的貼合性。傘型掛鉤6通過轉動齒輪8與傘型軌道5的齒輪軌道9相連，傘型掛鉤6下設有4個轉動齒輪8(前后各兩個)，增強傘型掛鉤6運動穩(wěn)定性。

傘型軌道5包括：固定軌道25、標準軌道26、分叉軌道27。如圖6所示，各類軌道之間通過軌道連接套筒20連接。

如圖1和圖3所示，連接桿3上部的螺紋狀與傘型掛鉤6下部的螺紋狀通過對接卡口4相連。連接桿3下端與激光測量盒1或PSD讀數盒2相連。方便其下部的激光測量盒1或PSD讀數盒2安裝與拆卸檢修。其中，激光測量盒1包括：兩對對開閘門13、控制盒14轉盤15、激光器16。所述對開閘門13安設在控制盒的兩側盒面上，所述控制盒14包括伺服馬達17、控制電路18，控制電路18集成無線傳輸模塊，可與上位機數據傳輸。伺服馬達17通過自帶轉軸與轉盤15相連，轉盤15上放置激光發(fā)生器16。

激光測量盒1兩對對開閘門13可以接收控制盒14的指令，在監(jiān)測工作進行的時候保持打開狀態(tài)，便于工作且減少不必要光線攝入影響PSD感光板19工作，在監(jiān)測工作結束的時候保持閉合狀態(tài)，加強對激光測量盒1的防塵土、隔濕保護?？刂坪?4內把伺服馬達17與控制電路18集成，控制電路18接收中控平臺24的指令并通過內置單片機執(zhí)行傘型掛鉤6即激光測量盒1的運動，并在到指定的位置后精確停下來，并能夠保證每次停留下來的位置與前次相同。所述伺服馬達17受控制電路18控制轉盤15轉動，從而帶動激光器16轉動到指定的方向，所述伺服馬達17可把電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制，轉動精度高轉動速度快，并且控制電路18可以記錄并存儲轉動角度，以便后續(xù)操作，控制電路18集成無線傳輸模塊便于數據交流。

PSD讀數盒2與所述激光測量盒1大體相似，不同的是在所述PSD讀數盒2的轉盤15上放置PSD感光板19，同時其控制電路18’還特別地內置了信號解碼模塊。具體地，PSD讀數盒2內部包括：第二控制盒14’、第二轉盤15’和兩對對開第二閘門13’；第二閘門13’設置在第二控制盒14’的兩側盒面上，第二控制盒14’包括第二伺服馬達17’及第二控制電路18’，第二伺服馬達17’通過自帶轉軸與轉盤15’相連，第二轉盤15’上放置PSD感光板19，第二控制電路18’集成無線傳輸模塊并內置信號解碼模塊。PSD感光板19可根據實際的要求選擇一維的PSD-2534、PSD-0375等或者二維的PSD-2121、PSD-2727、PSD-6060等型號，并在控制電路18中配備相對應的數據采集卡，以便對環(huán)境中的光源進行處理，并識別電信號的數據。激光測量盒1發(fā)射的激光照準在PSD讀數盒2中PSD感光板19上，可以立即反饋出此時光斑的X、Y坐標，并傳輸至數據管理分析系統(tǒng)22，多次測量對比做差可以得到隧道長期運營過程中的拱頂沉降情況。

數據傳輸系統(tǒng)21可以接收中控平臺24的指令并將其無線傳輸至激光測量盒1和PSD讀數盒2中的控制電路18中去，同時接收激光測量盒1和PSD讀數盒2中的反饋數據，并傳輸至數據管理分析系統(tǒng)22，數據管理分析系統(tǒng)22負責對數據傳輸系統(tǒng)21傳輸的數據進行處理分析，并根據數據的情況可以自動生成各項數據的歷史變化量、日變化量、周變化量、月變化量、季變化量數據，并與預設的閾值相比。各數據以表格和折線圖的形式顯示出來，也可以根據用戶要求輸出相應內容，通過軟件預設可以將指定數據發(fā)送給工作人員。系統(tǒng)可以把數據以*.Txt和*.xls等格式導出，工作人員也可以導出制定的數據。系統(tǒng)也可以將做好的*.Txt和*.xls格式文件導入，并進行分析處理。分析處理的結果通過警報系統(tǒng)23，根據返回的數據判斷是否發(fā)生危險并發(fā)出警報，并根據危險程度將警報分級為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。警報內容包括：警報等級、危險斷面位置、部分實測數據、初步的預判警報原因和處理意見。警報分為語音和文字倆種方式：語音警報將響鈴以提示危險發(fā)生；文字報警以郵件、手機短信等形勢向監(jiān)測部門和各個相關部門的電腦、手機終端顯示。隧道運營正常無警報發(fā)出時，監(jiān)測部門和各管理部門可以通過電腦、手機終端登陸該系統(tǒng)查看實時監(jiān)控數據，包括拱頂沉降曲線、沉降最大值、襯砌安全系數和歷史警報等信息。

一種免鉆孔安裝的隧道拱頂傘型軌道裝置的安裝方法，包括以下步驟：

1)確定安裝固定軌道25和分叉軌道27的位置并做隧道拱頂清灰處理。為保證軌道受力性能良好，原則上1-2m可以安裝一個固定軌道25或分叉軌道27，以使軌道固定。

2)在固定軌道25和分叉軌道27的貼壁鐵板11上涂抹環(huán)氧樹脂和固化劑，采用多胺、雙氰雙胺等堿性固化劑。

3)涂抹環(huán)氧樹脂和固化劑的11固定軌道和13分叉軌道分別粘在確定的位置，同時向上頂壓橡膠吸盤，讓吸盤吸附隧道襯砌。

4)固定軌道25和分叉軌道27端頭安裝軌道套筒20。

5)將預制好對應長度的標準軌道26安裝在兩個固定點的軌道套筒20上，安裝完畢。

參見圖8和圖9，一種基于PSD的隧道運營期有軌自動監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1)中控平臺24發(fā)出監(jiān)測指令傳輸至數據傳輸系統(tǒng)21，并由數據傳輸系統(tǒng)將控制信號分別傳輸至激光測量盒1中的控制電路18以控制激光測量盒1到位置P1以及PSD讀數盒2中的控制電路18’PSD讀數盒2到位置P2，并控制伺服馬達17轉動，直至激光測量盒1中的激光發(fā)生器16的激光對準PSD讀數盒2中PSD感光板19，并由控制電路18’中信號解碼模塊讀取對應的X、Y坐標，并返回到數據傳輸系統(tǒng)21中去，此結束一次測量。

2)中控平臺24發(fā)出監(jiān)測指令傳輸至數據傳輸系統(tǒng)21，并由數據傳輸系統(tǒng)分別控制激光測量盒1由位置P1經過支路L2到位置P3和PSD讀數盒2中的控制電路18’控制伺服馬達17’轉動PSD感光板19角度，直至處于位置P3處的激光測量盒1中的激光發(fā)生器16的激光對準位置P2處PSD讀數盒2中PSD感光板19，并讀取對應的X、Y坐標，并返回到數據傳輸系統(tǒng)21中去，此結束第二次測量。

3)中控平臺24發(fā)出監(jiān)測指令傳輸至數據傳輸系統(tǒng)21，并由數據傳輸系統(tǒng)分別控制PSD讀數盒2由位置P2經過支路L3到位置P4和激光測量盒1中的控制電路18控制伺服馬達17轉動激光發(fā)生器16的激光角度，直至處于位置P4處的激光測量盒1中的激光發(fā)生器16的激光對準位置P3處PSD讀數盒2中PSD感光板19，并讀取對應的X、Y坐標，并返回到數據傳輸系統(tǒng)21中去，此結束第三次測量。

4)重復上述交替測量過程，每次測量的結果與上次測量的結果的Y坐標進行對比做差，可以得到各測點的豎直沉降，X坐標可以輔助判定1、2中的伺服馬達17需要微調的角度。

本實用新型能解決監(jiān)控量測技術人員過多而造成的較高的人力成本問題；能解決受自動化水平低而導致的監(jiān)控量測頻率低的問題；能解決監(jiān)控量測精準度不理想導致的測量數據不理想的問題；可以真實精準的反映隧道長期在微幅振動下的拱頂長期沉降問題。采用本實用新型能夠大大提高監(jiān)測的自動化水平，提高監(jiān)控量測頻率及時反饋監(jiān)測數據隧道運營情況，大大降低人力成本，節(jié)約資金。

以上，僅為本實用新型的較佳實施例，并非僅限于本實用新型的實施范圍，凡依本實用新型專利范圍的內容所做的等效變化和修飾，都應為本實用新型的技術范疇。