一种公路隧道变形情况监测预警系统及方法与流程

1.本发明涉及隧道技术领域，具体为一种公路隧道变形情况监测预警系统及方法。


背景技术：

2.公路隧道是专供汽车运输行驶的通道。随着社会经济和生产的发展,高速公路大量出现，对道路的修建技术提出了较高的标准,要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等。因此在道路穿越山区时,过去盘山绕行的方案多改为隧道方案。隧道的修建在改善公路技术状态、缩短运行距离、提高运输能力、减少事故等方面起到重要的作用。
3.受温度、湿度、隧道结构等因素的因素，公路隧道会出现变形情况，如果不及时对隧道变形出进行检修，有可能会影响公路隧道的运行情况，设置有可能会发生安全事故。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种公路隧道变形情况监测预警系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种公路隧道变形情况监测预警系统，所述监测预警系统包括衬砌划分模块、图像采集模块、图像分析模块、监测点设置模块和变形判断模块，所述衬砌划分模块用于预先沿着隧道轴线方向将隧道的衬砌划分成m段宽度相等的分衬砌，m为自然数，所述图像采集模块用于采集各段分衬砌的表面图像为第一图像，所述图像分析模块对第一图像进行分析，并从中选取分衬砌为监测段，所述监测点设置模块用于在监测段上设置沉降监测点，在监测段上设置沉降监测点，间隔预设时间段获取沉降监测点的沉降值，所述变形判断模块用于判断沉降值与沉降阈值的关系，在沉降值大于等于沉降阈值，传输信息对该监测段进行检修。
6.进一步的，所述图像分析模块包括裂缝信息提取模块、裂缝指数计算模块、裂缝指数比较模块和监测段选取模块，所述裂缝信息提取模块用于从各段分衬砌所对应的第一图像中提取各条裂缝信息，所述裂缝指数计算模块计算某段分衬砌的裂缝指数像中提取各条裂缝信息，所述裂缝指数计算模块计算某段分衬砌的裂缝指数其中，n为该段分衬砌的裂缝的条数，n为所有分衬砌的裂缝的条数之和，l为分衬砌沿着隧道断面方向上的长度，k为分衬砌沿着隧道轴线方向上的宽度，l
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为第i条裂缝在沿着隧道断面方向上的长度，k
i
为第i条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，其中，隧道轴线方向与隧道断面方向垂直，所述裂缝指数比较模块将某段分衬砌的裂缝指数与裂缝阈值进行比较，在裂缝指数大于裂缝阈值时，令监测段选取模块判断与该段分衬砌两侧相邻的分衬砌的裂缝指数是否均大于裂缝阈值，如果均大于裂缝阈值，那么选取该段分衬砌为监测段。
7.进一步的，所述图像分析模块还包括裂缝类型获取模块和斜向裂缝处理模块，所述裂缝类型获取模块用于获取各条裂缝的裂缝类型，所述裂缝类型包括纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝，所述斜向裂缝处理模块用于在某条裂缝的裂缝类型为斜向裂缝时，对该条裂缝在隧道轴线方向上投影得到该条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，在隧道断面方向
上进行投影得到该条裂缝沿着隧道断面方向上的长度。
8.进一步的，所述监测预警系统还包括纵向裂缝分析模块，所述纵向裂缝分析模块包括监管裂缝选取模块、观测衬砌选取模块和裂缝连续性采集评估模块，所述监管裂缝选取模块用于从各个分衬砌的裂缝中筛选出纵向裂缝，并采集各个分衬砌上的各条纵向裂缝的长度，在某条纵向裂缝的长度大于等于长度阈值时，选取该条纵向裂缝为监管裂缝，所述观测衬砌选取模块用于判断隧道的衬砌中是否存在连续的分衬砌均为第一分衬砌，并在存在时设连续为第一分衬砌的分衬砌的整体为观测衬砌，设观测衬砌中第一分衬砌的连续个数为b个，其中，当检测到某个分衬砌上存在监管裂缝时，该分衬砌为第一分衬砌，所述裂缝连续性采集模块用于采集观测衬砌中的相连的分衬砌上的裂缝之间的距离，并据此判断是否要对该隧道进行检修。
9.一种公路隧道变形情况监测预警方法，所述监测预警方法包括以下步骤：
10.预先沿着隧道轴线方向将隧道的衬砌划分成m段宽度相等的分衬砌，m为自然数，采集各段分衬砌的表面图像为第一图像，对第一图像进行分析，从中选取分衬砌为监测段；
11.在监测段上设置沉降监测点，间隔预设时间段获取沉降监测点的沉降值，如果沉降值大于等于沉降阈值，那么传输信息对该监测段进行检修。
12.进一步的，所述对第一图像进行分析包括：
13.从某段分衬砌所对应的第一图像中提取各条裂缝信息，
14.计算某段分衬砌的裂缝指数其中，n为该段分衬砌的裂缝的条数，n为所有分衬砌的裂缝的条数之和，l为分衬砌沿着隧道断面方向上的长度，k为分衬砌沿着隧道轴线方向上的宽度，l
i
为第i条裂缝在沿着隧道断面方向上的长度，k
i
为第i条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，其中，隧道轴线方向与隧道断面方向垂直。
15.如果某段分衬砌的裂缝指数大于裂缝阈值，判断与该段分衬砌两侧相邻的分衬砌的裂缝指数是否均大于裂缝阈值，如果均大于裂缝阈值，那么该段分衬砌为监测段，或者直接选取分衬砌的裂缝指数大于裂缝阈值的分衬砌为监测段也可以，但是这种方式选取的监测段较多，监测点较多。
16.进一步的，所述计算某段分衬砌的裂缝指数中还包括：
17.获取各条裂缝的裂缝类型，所述裂缝类型包括纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝，
18.当某条裂缝的裂缝类型为纵向裂缝时，该条裂缝在沿着隧道断面方向上的长度为0，即沿着隧道表面方向上的长度为0；
19.当某条裂缝的裂缝类型为环向裂缝时，该条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度为0；
20.当某条裂缝的裂缝类型为斜向裂缝时，对该条裂缝在隧道轴线方向上投影得到该条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，在隧道断面方向上进行投影得到该条裂缝沿着隧道断面方向上的长度，即在隧道表面上与隧道轴线方向垂直的方向上进行投影得到该条裂缝沿着隧道表面方向上的长度。
21.进一步的，所述对第一图像进行分析后还包括对纵向裂缝的进一步分析，所述对纵向裂缝的进一步分析包括：
22.步骤s1：从各个分衬砌的裂缝中筛选出纵向裂缝，采集各个分衬砌上的各条纵向
裂缝的长度，如果某条纵向裂缝的长度大于等于长度阈值，那么该条纵向裂缝为监管裂缝，转步骤s2；
23.步骤s2：判断该隧道的衬砌中是否存在连续的分衬砌均为第一分衬砌，如果存在，设连续为第一分衬砌的分衬砌的整体为观测衬砌，设观测衬砌中第一分衬砌的连续个数为b个，其中，当检测到某个分衬砌上存在监管裂缝时，该分衬砌为第一分衬砌，转步骤s3；
24.步骤s3：设置i的初始值为1，di的初始值为0，转步骤s4；
25.步骤s4：沿着隧道轴线方向选取观测衬砌中的第i个分衬砌中的监管裂缝为延伸裂缝，设置j的初始值为1，转步骤s5；
26.步骤s5：设第j 1个分衬砌上某个监管裂缝上的端点与第j个第一分衬砌上的延伸裂缝的端点之间的距离为考察距离，
27.如果第j 1个分衬砌上存在某个监管裂缝相应的考察距离小于关联距离，选取第j 1个分衬砌相应的监管裂缝为延伸裂缝，那么令j的值加1，di的值加1，转步骤s5；
28.如果第j 1个分衬砌上所有监管裂缝相应的考察距离均大于等于关联距离,那么令i的值加1，如果此时i的值大于等于b，转步骤s6，如果此时i的值小于b，转步骤s4；
29.步骤s6：分别获取各个观测衬砌所对应的di，如果某个观测衬砌中存在di/m的值大于等于警惕值，那么传输信息对该隧道进行检修。
30.进一步的，所述在监测段上设置沉降监测点还包括：
31.所述沉降监测点设置于监测段的两侧拱脚位置。
32.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过采集分析隧道衬砌的裂缝的情况，选取相应的监测位置来监测隧道的沉降情况，根据监测位置的沉降情况判断隧道是否变形，从而不需要在各个地方都设置监测位置，减少了监测成本，同时本技术中还对衬砌中的纵向裂缝的关联延伸情况进行分析，提升公路隧道的安全性。
附图说明
33.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
34.图1是本发明公路隧道变形情况监测预警系统的模块示意图。
具体实施方式
35.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。
36.请参阅图1，本发明提供技术方案：一种公路隧道变形情况监测预警系统，所述监测预警系统包括衬砌划分模块、图像采集模块、图像分析模块、监测点设置模块和变形判断模块，所述衬砌划分模块用于预先沿着隧道轴线方向将隧道的衬砌划分成m段宽度相等的分衬砌，m为自然数，所述图像采集模块用于采集各段分衬砌的表面图像为第一图像，所述图像分析模块对第一图像进行分析，并从中选取分衬砌为监测段，所述监测点设置模块用于在监测段上设置沉降监测点，在监测段上设置沉降监测点，间隔预设时间段获取沉降监
测点的沉降值，所述变形判断模块用于判断沉降值与沉降阈值的关系，在沉降值大于等于沉降阈值，传输信息对该监测段进行检修。
37.所述图像分析模块包括裂缝信息提取模块、裂缝指数计算模块、裂缝指数比较模块和监测段选取模块，所述裂缝信息提取模块用于从各段分衬砌所对应的第一图像中提取各条裂缝信息，所述裂缝指数计算模块计算某段分衬砌的裂缝指数其中，n为该段分衬砌的裂缝的条数，n为所有分衬砌的裂缝的条数之和，l为分衬砌沿着隧道断面方向上的长度，k为分衬砌沿着隧道轴线方向上的宽度，l
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为第i条裂缝在沿着隧道断面方向上的长度，k
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为第i条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，其中，隧道轴线方向与隧道断面方向垂直，所述裂缝指数比较模块将某段分衬砌的裂缝指数与裂缝阈值进行比较，在裂缝指数大于裂缝阈值时，令监测段选取模块判断与该段分衬砌两侧相邻的分衬砌的裂缝指数是否均大于裂缝阈值，如果均大于裂缝阈值，那么选取该段分衬砌为监测段。
38.所述图像分析模块还包括裂缝类型获取模块和斜向裂缝处理模块，所述裂缝类型获取模块用于获取各条裂缝的裂缝类型，所述裂缝类型包括纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝，所述斜向裂缝处理模块用于在某条裂缝的裂缝类型为斜向裂缝时，对该条裂缝在隧道轴线方向上投影得到该条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，在隧道断面方向上进行投影得到该条裂缝沿着隧道断面方向上的长度。
39.所述监测预警系统还包括纵向裂缝分析模块，所述纵向裂缝分析模块包括监管裂缝选取模块、观测衬砌选取模块和裂缝连续性采集评估模块，所述监管裂缝选取模块用于从各个分衬砌的裂缝中筛选出纵向裂缝，并采集各个分衬砌上的各条纵向裂缝的长度，在某条纵向裂缝的长度大于等于长度阈值时，选取该条纵向裂缝为监管裂缝，所述观测衬砌选取模块用于判断隧道的衬砌中是否存在连续的分衬砌均为第一分衬砌，并在存在时设连续为第一分衬砌的分衬砌的整体为观测衬砌，设观测衬砌中第一分衬砌的连续个数为b个，其中，当检测到某个分衬砌上存在监管裂缝时，该分衬砌为第一分衬砌，所述裂缝连续性采集模块用于采集观测衬砌中的相连的分衬砌上的裂缝之间的距离，并据此判断是否要对该隧道进行检修。
40.一种公路隧道变形情况监测预警方法，所述监测预警方法包括以下步骤：
41.预先沿着隧道轴线方向将隧道的衬砌划分成m段宽度相等的分衬砌，m为自然数，采集各段分衬砌的表面图像为第一图像，对第一图像进行分析，从中选取分衬砌为监测段；
42.所述对第一图像进行分析包括：
43.从某段分衬砌所对应的第一图像中提取各条裂缝信息，
44.计算某段分衬砌的裂缝指数其中，n为该段分衬砌的裂缝的条数，n为所有分衬砌的裂缝的条数之和，l为分衬砌沿着隧道断面方向上的长度，k为分衬砌沿着隧道轴线方向上的宽度，l
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为第i条裂缝在沿着隧道断面方向上的长度，k
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为第i条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，其中，隧道轴线方向与隧道断面方向垂直；本实施例中，l是指隧道断面的弧长，l
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就是第i条裂缝沿着隧道断面的表面的弧长，本技术中某段分衬砌的裂缝指数其实是由化简而来，本技术的裂缝指数不仅考
虑了裂缝的长度情况，还考虑了裂缝的条数情况，从而使得选取的监测位置更加准确。
45.如果某段分衬砌的裂缝指数大于裂缝阈值，判断与该段分衬砌两侧相邻的分衬砌的裂缝指数是否均大于裂缝阈值，如果均大于裂缝阈值，那么该段分衬砌为监测段。通过衬砌表面裂缝的情况来选取隧道中用来监测隧道下沉变形的位置，从而使得监测位置更加具有针对性，提升了监测的效率；
46.所述计算某段分衬砌的裂缝指数中还包括：
47.获取各条裂缝的裂缝类型，所述裂缝类型包括纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝，
48.当某条裂缝的裂缝类型为纵向裂缝时，该条裂缝在沿着隧道断面方向上的长度为0；
49.当某条裂缝的裂缝类型为环向裂缝时，该条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度为0；
50.当某条裂缝的裂缝类型为斜向裂缝时，对该条裂缝在隧道轴线方向上投影得到该条裂缝在沿着隧道轴线方向上的宽度，在隧道断面方向上进行投影得到该条裂缝沿着隧道断面方向上的长度。
51.所述对第一图像进行分析后还包括对纵向裂缝的进一步分析，所述对纵向裂缝的进一步分析包括：
52.步骤s1：从各个分衬砌的裂缝中筛选出纵向裂缝，采集各个分衬砌上的各条纵向裂缝的长度，如果某条纵向裂缝的长度大于等于长度阈值，那么该条纵向裂缝为监管裂缝，转步骤s2；隧道上的纵向裂缝危害性相对于环向裂缝、斜向裂缝的危害性醉倒，容易导致隧道掉拱，边墙断裂甚至隧道塌方，因此对纵向裂缝进行进一步的检测，通过对各个分衬砌上的纵向裂缝之间的距离的检测，提前进行预警，防止隧道事故发生；
53.步骤s2：判断该隧道的衬砌中是否存在连续的分衬砌均为第一分衬砌，如果存在，设连续为第一分衬砌的分衬砌的整体为观测衬砌，设观测衬砌中第一分衬砌的连续个数为b个，其中，当检测到某个分衬砌上存在监管裂缝时，该分衬砌为第一分衬砌，转步骤s3；
54.步骤s3：设置i的初始值为1，di的初始值为0，转步骤s4；
55.步骤s4：沿着隧道轴线方向选取观测衬砌中的第i个分衬砌中的监管裂缝为延伸裂缝，设置j的初始值为1，转步骤s5；
56.步骤s5：设第j 1个分衬砌上某个监管裂缝上的端点与第j个第一分衬砌上的延伸裂缝的端点之间的距离为考察距离，
57.如果第j 1个分衬砌上存在某个监管裂缝相应的考察距离小于关联距离，选取第j 1个分衬砌相应的监管裂缝为延伸裂缝，那么令j的值加1，di的值加1，转步骤s5；
58.如果第j 1个分衬砌上所有监管裂缝相应的考察距离均大于等于关联距离,那么令i的值加1，如果此时i的值大于等于b，转步骤s6，如果此时i的值小于b，转步骤s4；
59.步骤s6：分别获取各个观测衬砌所对应的di，如果某个观测衬砌中存在di/m的值大于等于警惕值，那么传输信息对该隧道进行检修。
60.例如：某个观测衬砌中第一分衬砌的连续个数为3个，第1个分衬砌的监管裂缝的条数为2条，第2个分衬砌的监管裂缝的条数为1条，第3个分衬砌的监管裂缝的条数为1条，那么从第1个分衬砌开始，d1＝0，第1个分衬砌上的2条监管裂缝为延伸裂缝，分别判断这2条延伸裂缝的端点与第2个分衬砌上的那一条监管裂缝的端点之间的距离为考察距离，
61.如果第1个分衬砌上2条延伸裂缝的端点中2条延伸裂缝的端点与第2个分衬砌上的那一条监管裂缝的端点之间的距离均大于等于关联距离，则d1＝0，d1结束，接着从第2个分衬砌开始，d2＝0，第2个分衬砌上的那条监管裂缝为延伸裂缝，判断该条延伸裂缝的端点与第3个分衬砌上的那一条监管裂缝的端点之间的距离为考察距离是否小于关联距离，如果小于关联距离，那么d2＝1，d2结束，如果大于等于关联距离，d2＝0，d2结束；
62.如果第1个分衬砌上2条延伸裂缝的端点中有一条延伸裂缝的端点与第2个分衬砌上的那一条监管裂缝的端点之间的距离小于关联距离，那么第2个分衬砌上的那一条监管裂缝为延伸裂缝，d1＝1，继续判断第2个分衬砌上的那一条延伸裂缝与第3个分衬砌的监管裂缝的端点之间的距离是否小于关联距离，如果小于关联距离，那么d1＝2，d1结束，后面跟上文中d1结束后的内容相同，接着从第2个分衬砌开始。
63.在监测段上设置沉降监测点，沉降监测点设置于监测段的两侧拱脚位置，间隔预设时间段获取沉降监测点的沉降值，如果沉降值大于等于沉降阈值，那么传输信息对该监测段进行检修。在对沉降监测点进行沉降监测时，可以通过精密水准仪进行沉降监测。如果两侧拱脚位置中只要有一侧的下沉沉降值大于等于沉降阈值，那么便判断隧道变形情况相对较重，传输信息对该隧道进行细致的检查修补。
64.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。
65.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。