一种基于LC谐振的隧道围岩绝对位移监测系统及方法与流程

本发明涉及隧道及地下工程围岩变形监测，具体涉及一种基于lc谐振的隧道围岩绝对位移监测系统及方法。

背景技术：

1、在铁路隧道钻爆法施工中，监控量测是保障施工安全的核心环节。现行规范要求对拱顶下沉、周边收敛等项目进行全断面、按间距（ⅲ级围岩30m、ⅳ级10m、ⅴ级5m）布点监测。而现场实际面临以下长期未解的难题：

2、（一）测点存活率低，修复工作量巨大

3、传统测点采用钢筋基座＋反射片直接外露的方式埋设，埋设深度50～70cm。在钻爆法施工中，爆破飞石、施工车辆频繁撞击暴露在外的测点。据统计，测点损坏率普遍超过70%。修复作业需要高空作业车或台架配合，单点修复耗时长，且常因设备调度不及时导致修复滞后，造成监测数据长时间中断。

4、（二）补喷混凝土导致虚假变形与测点失效

5、因初支混凝土表面平整度不满足要求而频繁补喷。补喷层厚度通常为5cm以上，会致使反射片十字丝损坏而精度下降或者被厚厚的混凝土完全覆盖。

6、（三）自动化监测难以落地

7、现有自动化手段存在明显短板：

8、全站仪+棱镜：棱镜成本高，损坏后修复代价大；需要光学通视，受隧道内灰尘、水汽影响严重；

9、机器视觉：依赖靶标和照明，灰尘浓度＞10mg/m3时识别率下降50%以上，且其标靶也会被施工破坏；

10、三维激光扫描：设备昂贵（30～80万元/台），数据后处理复杂，无法区分补喷混凝土增厚与真实变形，且无法实现连续实时监测；

11、有线传感器（如光纤光栅） ：初支混凝土喷射过程中线缆极易被破坏，成活率不足60%，易受隧道内电磁等干扰造成数据失真。

12、（四）规范要求与现场实际矛盾突出

13、规范要求“测点入岩深度不小于30cm”，加上初支厚度及超挖影响，测桩长度不低于55cm，钻孔埋设困难。

14、因此，亟需一种完全不依赖外露部件、能直接测量围岩绝对位移、不受施工干扰、且可全自动运行的新型监测技术。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于lc谐振的隧道围岩绝对位移监测系统及方法，利用参考锚杆建立绝对不动基准，通过固定铁芯与移动线圈的相对运动改变lc谐振频率来测量围岩位移，整个系统完全内藏于一体化保护盒内，无外露部件，彻底避免施工破坏，同时实现传感器模块的循环使用和全自动数据采集。

2、本发明通过以下技术手段解决上述问题：

3、一方面，本发明提供一种基于lc谐振的隧道围岩绝对位移监测系统，包括参考锚杆、铁芯、一体化保护盒、可更换式传感器模块和数据处理平台；

4、所述参考锚杆锚固于围岩钻孔内，其锚固深度超出围岩松动圈范围，端部设有内螺纹接口和防转键槽；

5、所述铁芯一端设有外螺纹接口和防转键槽，与参考锚杆端部的内螺纹接口刚性连接，其外径与可更换式传感器模块内电感线圈的内径匹配，铁芯长度根据预期最大位移量确定，铁芯与参考锚杆连接后，整体固定不动；

6、所述一体化保护盒底部敞开，供铁芯和参考锚杆从底部插入盒内，上盖可翻转，盖体锁紧密封，盖面与初支表面齐平，盒体侧壁设有卡槽或内螺纹孔，用于安装可更换式传感器模块，盒体整体预埋于初支混凝土中，喷浆时混凝土包裹盒体外壁，盒体内部保持空腔；

7、所述可更换式传感器模块包括外壳、电感线圈、谐振电容器、可充电电池、无线通信单元、mcu控制单元和温度传感器；

8、所述外壳侧壁设有卡扣或外螺纹，与一体化保护盒侧壁的卡槽或内螺纹孔匹配，外壳前端开孔，供铁芯插入；

9、所述电感线圈沿外壳内壁轴向绕制，匝数和线径根据设计频率确定，线圈轴线与外壳轴线重合；

10、所述谐振电容器与电感线圈串联形成lc谐振回路；

11、所述温度传感器用于读取当前温度，以便后续进行频率温度漂移补偿；

12、所述mcu控制单元用于读取当前频率；

13、所述无线通信单元用于发送当前频率和当前温度；

14、所述数据处理平台用于接收当前频率和当前温度，根据预先标定的频率-位移曲线和温度补偿系数，将频率偏移量转换为绝对位移。

15、作为优选地，所述数据处理平台还用于生成绝对位移-时间曲线，超限自动报警。

16、作为优选地，所述数据处理平台将频率偏移量转换为绝对位移具体方法为：

17、电感量变化机制：设初始状态下，铁芯插入电感线圈的深度为x0，对应初始电感量l0；当初支向隧道净空方向位移δd时，可更换式传感器模块随初支移动δd，而铁芯固定不动，因此铁芯插入电感线圈的深度变为x = x0±δd，正负号由位移方向决定：当初支向围岩内部移动时，铁芯插入深度增加；向隧道净空方向移动时，插入深度减小；电感线圈的电感量l与铁芯插入深度x之间存在单调函数关系，因此初支位移δd引起铁芯插入深度变化值δx，进而引起电感量变化δl，最终引起频率偏移量δf；

18、lc谐振频率变化：lc谐振电路的基本公式为：，c为谐振电容器的电容量，当电感量l改变时，谐振频率f0发生偏移；频率偏移量δf与铁芯位移δx即初支位移δd之间存在单调映射关系，通过实验标定得到函数δd=φ（δf）；当铁芯在电感线圈内移动毫米级距离时，谐振频率发生数兆赫兹的变化，实现高分辨率位移测量；

19、温度补偿：可更换式传感器模块内置温度传感器实时采集环境温度，根据预标定的温度漂移系数对频率进行修正：fd=ft-α·（tt-t0），其中fd为修正后频率，ft为当前频率，α为温度漂移系数，tt为当前温度，t0为初始温度；

20、绝对位移计算：初始安装时，系统记录初始谐振频率f0和初始温度t0；任一监测时刻t，数据处理平台读取当前频率ft和当前温度tt，经温度修正后得到修正后频率fd，δf=fd- f0，代入标定函数δd=φ（δf）得到当前位移量，该当前位移量即为初支测点相对于绝对不动基准的绝对位移。

21、作为优选地，所述基于lc谐振的隧道围岩绝对位移监测系统还包括基站，所述基站用于转发无线通信单元发送的当前频率和当前温度至数据处理平台。

22、作为优选地，所述基于lc谐振的隧道围岩绝对位移监测系统还包括pvc套管，所述pvc套管套设于参考锚杆杆体上，pvc套管与参考锚杆之间可相对滑动。

23、作为优选地，所述参考锚杆由高强螺纹钢制成，长度根据围岩松动圈深度确定。

24、作为优选地，所述铁芯由高磁导率软磁材料制成圆柱形。

25、作为优选地，所述一体化保护盒采用高强度金属或工程塑料制成，形状为正方体或长方体，盒体尺寸为长宽高各100～150mm，壁厚3～5mm，盒体其他侧壁预留电缆或天线出口，并进行密封处理。

26、作为优选地，所述基站设于隧道二次衬砌安全区或洞口。

27、另一方面，本发明提供一种基于lc谐振的隧道围岩绝对位移监测方法，包括如下步骤：

28、将参考锚杆深锚固于围岩松动圈之外，建立绝对不动的空间基准；铁芯固定于参考锚杆端部；

29、设计一种一体化保护盒，上盖可翻转，预埋于初支混凝土中，盒体底部供铁芯和参考锚杆插入，盒体侧壁设有卡槽或内螺纹孔，用于安装可更换式传感器模块；

30、可更换式传感器模块包括外壳、电感线圈、谐振电容器、可充电电池、无线通信单元、mcu控制单元和温度传感器；外壳侧壁设有卡扣或外螺纹，与一体化保护盒侧壁的卡槽或内螺纹孔匹配，外壳前端开孔，供铁芯插入；电感线圈沿外壳内壁轴向绕制，匝数和线径根据设计频率确定，线圈轴线与外壳轴线重合；谐振电容器与电感线圈串联形成lc谐振回路；温度传感器读取当前温度，以便后续进行频率温度漂移补偿；mcu控制单元读取当前频率；无线通信单元发送当前频率和当前温度；

31、当初支随围岩变形移动时，一体化保护盒和可更换式传感器模块随初支移动，而铁芯固定不动，从而产生相对位移，电感线圈与铁芯的相对位移改变线圈的电感量，引起lc谐振频率变化，数据处理平台接收当前频率和当前温度，根据预先标定的频率-位移曲线和温度补偿系数，将频率偏移量转换为绝对位移。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

33、1、绝对位移测量：通过深锚固参考锚杆建立绝对不动基准，直接输出初支相对于围岩深部的绝对位移，解决了现有方法基准漂移问题。

34、2、完全内藏，抗施工破坏：一体化保护盒预埋于初支混凝土内，传感器模块安装于盒体内部，上盖与初支表面齐平，爆破飞石、施工车辆、补喷混凝土无法破坏测点。测点存活率可达95%以上。

35、3、结构简洁，安装方便：一体化保护盒将预留孔、基座、保护盖三大功能集成于一个预制构件，现场只需预埋盒体即可，无需二次定位，大幅降低施工复杂度。

36、4、高精度：lc谐振频率检测精度可达khz级，对应位移分辨率优于0.1mm，系统综合精度±2~3mm，满足规范要求。

37、5、低功耗长寿命：传感无源，通信间歇唤醒，电池寿命3~5年。

38、6、可回收低成本：传感器模块可循环使用20次以上，设备成本降低95%以上。

39、7、全自动化运行：数据自动采集、无线传输、云端处理、超限报警，无需人工干预。

40、8、操作便捷：上盖可翻转打开，工人无需额外工具即可拆装传感器模块，大幅提高回收效率。