一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统的制作方法

1.本发明涉及隧道爆破监控技术领域，特别是涉及一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统。


背景技术：

2.钻爆法是隧道开挖施工的重要方法之一，其施工速度快、经济性好，但爆炸所产生的冲击荷载会对周边非爆破目标围岩、建(构)筑物造成不同程度的影响，若爆破方案设计不合理，爆破振动控制不当，则极易出现隧道塌方、地表不均匀沉降、周边建(构)筑物损坏等问题。为此，有必要对隧道开挖过程影响参数展开动态监测，以超前预警，避免事故的发生，及时指导现场施工。隧道开挖监测对象多为围岩及地表的沉降变形，但对于偏压浅埋隧道，洞口段围岩破碎、风化严重，其力学特征复杂，稳定性差，此时由于爆破振动造成的瞬态失稳概率上要大于围岩及地表的沉降变形，对该工况下的隧道工程进行爆破振动监测预警显得更为重要。尤其是浅埋偏压小净距双连拱隧道，除了浅埋偏压的不利因素外，邻近隧道的开挖振动对于既有先行导洞的稳定性也有一定关联影响。
3.隧道爆破振动监测方法常利用振动监测仪固定于特定位置来探测爆破振动速度数据，用于探测振动速度的传感器探头与振动监测仪之间均为传输数据线物理连接，数据的导出可分为有线导出式和无线传出式，有线导出式需技术人员通过传导数据线与现场振动监测仪建立连接，定期操作导出监测数据；无线传出式则一般通过2/3/4g通讯信号无线传输监测数据至技术管理人员处，相比于有线导出式具有方便省时、安全可靠等优势。
4.现有隧道爆破振动监测技术及方法多适用于常规隧道开挖工况，对于浅埋偏压，岩体破碎不稳定的特殊隧道，其对爆破振动受扰敏感，若爆破方案设计不合理，爆破振动控制不当，则极易出现隧道突发性塌方、周边建(构)筑物损坏等问题。常规的振动监测仪缺乏坚固可靠的防护箱体结构，以保护内部监测装置免受落石飞泥及渗水的损坏。
5.更重要的是，传统的振动监测仪与振动传感器探头间的传输数据线物理连接在高频强振动及大变形后易发生损坏，造成监测中断和数据不连续；振动监测仪收集到爆破振动速度数据后，有线导出数据需技术人员手动操作，缺乏安全性且信息的获取存在滞后性；常规的无线传出依托2/3/4g通讯，相较于5g+大数据不具备高效稳定和智能处理的优势，在面对大量现场监测数据时，做不到及时反馈和智能预测。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，以最大程度保证现场施工技术人员安全，降低劳动程度，提高监测有效性和监测准确性，全面掌握隧道开挖爆破振动影响的同时，实现对浅埋偏压等特殊工况隧道的数字智能化开挖，保证其结构安全和稳定。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，包括：防护箱体、无线三轴振动
传感器以及爆破振动大数据中心服务器；所述防护箱体包括壳体以及设置在壳体内部的振动监测仪；
9.所述防护箱体安装在通过膨胀螺丝固定于隧道振动监测点的立柱上；所述无线三轴振动传感器埋置于隧道振动监测点上，所述振动监测仪与所述无线三轴振动传感器通过无线方式连接；所述振动监测仪通过5g通讯传输模块与所述爆破振动大数据中心服务器连接；
10.所述无线三轴振动传感器用于采集隧道振动监测点上的爆破振动速度数据；所述振动监测仪用于将所述无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据与不同预警等级对应的爆破振动速度数据进行比较，并当所述无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据处于预警等级对应的爆破振动速度数据时，输出警报提醒信息；所述爆破振动大数据中心服务器用于将所述振动监测仪上传的警报提醒信息反馈至爆破振动智能监测控制客户端，以使爆破振动智能监测控制客户端发出警报提醒。
11.可选地，所述壳体的内部还安装有供电模块、5g通讯模块以及预警装置；所述供电模块用于为所述无线三轴振动传感器和所述振动监测仪提供电源；所述振动监测仪通过所述5g通信模块与所述预警装置连接；所述预警装置用于当接收到所述振动监测仪输出的警报提醒信息时，发出警报提醒。
12.可选地，所述壳体为圆滑棱角的矩形框架结构；所述壳体的正面边框铰接防护盖，所述正面边框边缘设有防水橡胶。
13.可选地，还包括边缘终端、plc控制设备和主控客户端；所述边缘终端包括通讯接口、处理器、cpu、轻量化综合信息交互模块、光电信号转换模块和光信号处理模块；所述5g通讯传输模块包括光电信号转换模块、5g通讯模块、移动通讯公网和vpn服务端；所述plc控制设备包括plc交换机和plc控制系统；所述主控客户端包括工业电脑、爆破振动智能监测控制客户端和通讯组件；
14.所述边缘终端的光电信号转换模块和所述5g通讯传输模块的光电信号转换模块之间建立虚拟信息通道，所述边缘终端的通讯接口与所述plc控制设备的交换机建立物理连接；所述边缘终端的轻量化综合信息交互模块与所述主控客户端建立联系。
15.可选地，所述5g通讯传输模块还用于通过vpn服务端将爆破振动速度数据实时传输至所述爆破振动大数据中心服务器；所述爆破振动大数据中心服务器用于根据爆破设计参数和大数据技术，对海量爆破振动速度数据进行深度挖掘，确定隧道爆破开挖主动参数优化建议值、被动参数预警信息和形态控制参数建议。
16.可选地，所述轻量化综合信息交互模块用于展示隧道爆破开挖主动参数优化建议值、被动参数预警信息和形态控制参数建议。
17.可选地，预警等级的确定过程为：基于无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据，结合现场岩石取样的振动速度测试结果，划分不同预警等级。
18.可选地，所述供电模块包括蓄电池及用于监测蓄电池的蓄电池监测仪。
19.可选地，所述振动监测仪还用于存储所述无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据。
20.可选地，所述振动监测仪与所述无线三轴振动传感器基于lorawan无线连接实现信号传输的功能。
21.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
22.为合理控制爆破振动危害，本发明提供了一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，包括防护箱体、无线三轴振动传感器以及爆破振动大数据中心服务器；防护箱体包括壳体以及设置在壳体内部的振动监测仪。防护箱体安装在通过膨胀螺丝固定于隧道振动监测点的立柱上，能有效格挡飞石碎砾，防水渗透内部；同时本发明配备有高灵敏的无线三轴振动传感器，将实时采集的爆破振动速度数据通过无线方式传输至振动监测仪，当爆破振动速度数据接近或超过振动速度安全值时，振动监测仪予以警示提醒，并通过5g通讯传输模块将警示提醒上传至爆破振动智能监测控制客户端，以使爆破振动智能监测控制客户端发出警报提醒。本发明以最大程度保证现场施工技术人员安全，降低劳动程度，提高监测有效性和监测准确性，全面掌握隧道开挖爆破振动影响的同时，实现对浅埋偏压等特殊工况隧道的数字智能化开挖，保证其结构安全和稳定。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统的结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的远程监控设备的结构示意图。
26.附图：
27.1-防护箱体，2-立柱，3-固定螺栓板，4-振动监测仪，5-供电模块，6-5g通讯模块，7-预警装置，8-无线三轴振动传感器，9-边缘终端，10-5g通讯传输模块，11-plc控制设备，12-主控客户端，13-爆破振动大数据中心服务器。
具体实施方式
28.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。
29.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
30.针对软弱围岩偏压浅埋环境下小净距双连拱隧道开挖施工，岩体破碎，洞口浅埋不稳定，开挖施工对邻近既有交通建筑以及浅埋偏压隧道自身均会造成显著的扰动影响，从而对周边非爆破目标围岩、建(构)筑物造成不同程度的破坏。
31.为全面且及时掌握隧道开挖爆破振动的变化及影响，提出了一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，根据无线三轴振动传感器传输得到的监测结果和数据挖掘的信息指导浅埋偏压等特殊复杂工况隧道开挖爆破设计，预警开挖爆破过程中邻近安全范围的振动阈值，并根据所采集的振动数据基于随机森林、神经网络、强化机器学习等大数据技
术对海量数据样本进行深度挖掘，研究隧道爆破开挖主动参数优化建议、被动参数预测预警、形态控制等算法模型，保证施工安全的同时兼顾效率和质量，实现对浅埋偏压等特殊复杂工况隧道的数字智能化开挖。
32.本发明为克服现有技术的不足，提出了一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，可以有效保护振动监测仪持续有效采集爆破振动速度数据的同时，基于5g通讯高效稳定传输爆破振动速度数据，实现对爆破振动的智能监测预警，通过大数据处理技术和机器学习深度挖掘数据样本，从而优化隧道爆破开挖参数，预测预警振动影响，提高爆破开挖的安全性和施工效率，保证隧道及周边结构稳定性，指导现场动态施工。
33.如图1所示，本实施例提供的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，包括：防护箱体1、无线三轴振动传感器8以及爆破振动大数据中心服务器13；所述防护箱体1包括壳体以及设置在壳体内部的振动监测仪4。
34.所述防护箱体1安装在通过膨胀螺丝，即固定螺栓版3，固定于隧道振动监测点的立柱2上；所述无线三轴振动传感器8埋置于隧道振动监测点上，所述振动监测仪4与所述无线三轴振动传感器8通过无线方式连接；所述振动监测仪4通过5g通讯传输模块10与所述爆破振动大数据中心服务器13连接。
35.所述无线三轴振动传感器8用于采集隧道振动监测点上的爆破振动速度数据；所述振动监测仪4用于将所述无线三轴振动传感器8采集的爆破振动速度数据与不同预警等级对应的爆破振动速度数据进行比较，并当所述无线三轴振动传感器8采集的爆破振动速度数据处于预警等级对应的爆破振动速度数据时，输出警报提醒信息；所述爆破振动大数据中心服务器13用于将所述振动监测仪4上传的警报提醒信息反馈至爆破振动智能监测控制客户端，以使爆破振动智能监测控制客户端发出警报提醒。
36.在本实施例中，防护箱体1的壳体为圆滑棱角的矩形框架结构，圆滑棱角减少受外界环境影响而造成的应力集中，壳体的正面边框铰接防护盖，正面边框边缘设有防水橡胶，增强壳体闭合时的密实性，保护内部电路模块的安全稳定。
37.在本实施例中，振动监测仪4与无线三轴振动传感器8基于lorawan无线连接实现信号传输的功能，在空间上克服了监测仪与传感器探头间有线连接的局限性，有效避免了隧道施工时因飞石落土或振动传递造成的传输数据线损坏，从而中断影响监测效果。振动监测仪4兼顾数据储存功能，对于由无线三轴振动传感器8传输反馈的爆破振动速度数据，能自动备份储存于振动监测仪4内部，固定的储存空间对于长期海量监测数据能够定期自覆盖。
38.在本实施例中，壳体内部还安装有供电模块5、5g通讯模块6和预警装置7。供电模块5能为振动监测仪4和无线三轴振动传感器8提供稳定电源；供电模块5设置有蓄电池(例如12v阀控铅酸蓄电池)及蓄电池监测仪，可为监测预警系统耗电模块持续稳定供电5～7天，保证爆破振动速度数据的连续性和完整性，同时蓄电池监测仪能监测蓄电池工作状态，采集蓄电池组的电压、电流、环境温度，单电池的电压和内阻，对异常的电池运行情况进行及时报警，报警结束后保存报警信息，给维护人员提供了电池维护的参考。供电模块5的蓄电池及蓄电池监测仪组合系统能为浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统提供稳定的电能来源，并通过智能化监测，消除电池失效带来的隐患。
39.在本实施例中，该远程监控设备不仅包括爆破振动大数据中心服务器13，还包括
边缘终端、plc控制设备和主控客户端，各环节依次相连接如附图2所示，满足隧道爆破振动监测高速有效的数据通讯。
40.边缘终端9包括通讯接口、处理器、高性能cpu、轻量化综合信息交互模块、光电信号转换模块和光信号处理模块；5g通讯传输模块10包括光电信号转换模块、5g通讯模块、移动通讯公网和vpn服务端；plc控制设备11包括plc交换机和plc控制系统；主控客户端12包括工业电脑、爆破振动智能监测控制客户端和通讯组件；爆破振动大数据中心服务器13接收经5g通讯传输模块10传输得到的相关爆破振动速度数据，并结合爆破设计参数，基于随机森林、神经网络、强化机器学习等大数据技术对海量数据样本进行深度挖掘，研究隧道爆破开挖主动参数优化建议值、被动参数预警信息和形态控制参数建议等算法模型。隧道爆破开挖过程中主动参数、被动参数和形态控制参数如表1所示。
41.表1主动参数、被动参数和形态控制参数
[0042][0043]
具体的，在边缘终端9的光电信号转换模块和5g通讯传输模块10的光电信号转换模块之间建立虚拟信息通道，边缘终端9的通讯接口与plc控制设备11的交换机建立物理连接，边缘终端9的轻量化综合信息交互模块与主控客户端12建立联系；5g通讯传输模块10还用于通过vpn服务端将相关爆破振动速度数据实时传输至爆破振动大数据中心服务器13，结合爆破设计参数以及爆破效果进行信息处理。随后，边缘终端9的轻量化综合信息交互模块展示主动参数优化建议值、被动参数预警信息和形态控制参数建议。基于边缘服务轻量化处理隧道爆破振动主动参数优化算法模型库、被动参数预警算法模型库、形态控制算法模型库、模型自适应学习系统和模型自适应智能匹配模块，建立边缘终端客户端离线服务数据库和模型参数特征库。
[0044]
对于无线三轴振动传感器8采集的爆破振动速度数据，结合现场岩石取样的振动速度测试结果，设立爆破振动速度安全界限值，并划分不同预警等级；当无线三轴振动传感器8监测到的爆破振动速度数据未在爆破振动速度安全界限值内，即处于预警等级范围内，则振动监测仪自动发出警报提醒，接着通过5g通讯传输模块10上传至爆破振动大数据中心服务器13，由此经过爆破振动大数据中心服务器13反馈至爆破振动智能监测控制客户端，并发出警报提醒。此外，对于长期监测上传至爆破振动大数据中心服务器13的爆破振动速
度数据，经大数据样本深度挖掘训练，能优化处理隧道爆破开挖过程中主动参数、被动参数和形态控制参数，从而为后续隧道爆破开挖设计提供合理可行的依据，实现对浅埋偏压等特殊复杂工况隧道的数字智能化开挖。
[0045]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0046]
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。

技术特征：
1.一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，包括：防护箱体、无线三轴振动传感器以及爆破振动大数据中心服务器；所述防护箱体包括壳体以及设置在壳体内部的振动监测仪；所述防护箱体安装在通过膨胀螺丝固定于隧道振动监测点的立柱上；所述无线三轴振动传感器埋置于隧道振动监测点上，所述振动监测仪与所述无线三轴振动传感器通过无线方式连接；所述振动监测仪通过5g通讯传输模块与所述爆破振动大数据中心服务器连接；所述无线三轴振动传感器用于采集隧道振动监测点上的爆破振动速度数据；所述振动监测仪用于将所述无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据与不同预警等级对应的爆破振动速度数据进行比较，并当所述无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据处于预警等级对应的爆破振动速度数据时，输出警报提醒信息；所述爆破振动大数据中心服务器用于将所述振动监测仪上传的警报提醒信息反馈至爆破振动智能监测控制客户端，以使爆破振动智能监测控制客户端发出警报提醒。2.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述壳体的内部还安装有供电模块、5g通讯模块以及预警装置；所述供电模块用于为所述无线三轴振动传感器和所述振动监测仪提供电源；所述振动监测仪通过所述5g通信模块与所述预警装置连接；所述预警装置用于当接收到所述振动监测仪输出的警报提醒信息时，发出警报提醒。3.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述壳体为圆滑棱角的矩形框架结构；所述壳体的正面边框铰接防护盖，所述正面边框边缘设有防水橡胶。4.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，还包括边缘终端、plc控制设备和主控客户端；所述边缘终端包括通讯接口、处理器、cpu、轻量化综合信息交互模块、光电信号转换模块和光信号处理模块；所述5g通讯传输模块包括光电信号转换模块、5g通讯模块、移动通讯公网和vpn服务端；所述plc控制设备包括plc交换机和plc控制系统；所述主控客户端包括工业电脑、爆破振动智能监测控制客户端和通讯组件；所述边缘终端的光电信号转换模块和所述5g通讯传输模块的光电信号转换模块之间建立虚拟信息通道，所述边缘终端的通讯接口与所述plc控制设备的交换机建立物理连接；所述边缘终端的轻量化综合信息交互模块与所述主控客户端建立联系。5.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述5g通讯传输模块还用于通过vpn服务端将爆破振动速度数据实时传输至所述爆破振动大数据中心服务器；所述爆破振动大数据中心服务器用于根据爆破设计参数和大数据技术，对海量爆破振动速度数据进行深度挖掘，确定隧道爆破开挖主动参数优化建议值、被动参数预警信息和形态控制参数建议。6.根据权利要求4所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述轻量化综合信息交互模块用于展示隧道爆破开挖主动参数优化建议值、被动参数预警信息和形态控制参数建议。7.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，预警等级的确定过程为：基于无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据，结合现场
岩石取样的振动速度测试结果，划分不同预警等级。8.根据权利要求2所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述供电模块包括蓄电池及用于监测蓄电池的蓄电池监测仪。9.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述振动监测仪还用于存储所述无线三轴振动传感器采集的爆破振动速度数据。10.根据权利要求1所述的一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，其特征在于，所述振动监测仪与所述无线三轴振动传感器基于lorawan无线连接实现信号传输的功能。

技术总结
本发明公开了一种浅埋偏压隧道爆破振动多功能监测预警系统，涉及隧道爆破监控技术领域，该系统包括：防护箱体、无线三轴振动传感器以及爆破振动大数据中心服务器；所述防护箱体包括壳体以及设置在壳体内部的振动监测仪；防护箱体安装在通过膨胀螺丝固定于隧道振动监测点的立柱上；无线三轴振动传感器埋置于隧道振动监测点上，振动监测仪与无线三轴振动传感器通过无线方式连接；振动监测仪通过5G通讯传输模块与所述爆破振动大数据中心服务器连接；本发明能够以最大程度保证现场施工技术人员安全，降低劳动程度，提高监测有效性和监测准确性。确性。确性。


技术研发人员：张永奇 石琦 谢波 赵海斌 赵征 石桥 程玉峰 曹坤鹏 刘敦文
受保护的技术使用者：中交路桥华南工程有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/5