本发明涉及隧道监测预警，特别涉及一种隧道拱顶下沉自动监测预警装置及下沉量测方法。
背景技术：
1、在公路隧道施工过程中，隧道拱顶下沉监测是施工过程中的必测项目，其要求精度为0.5mm(预留变形量不大于30mm时)或1mm(预留变形量大于30mm时)，在隧道施工过程中通过预置装置和量测仪器对围岩和支护衬砌变形、受力状态进行监测，根据量测信息，预警险情，以便及时采取措施，避免事故。因此，隧道变形量测是否准确和及时直接关系到隧道施工的安全与进度。
2、现阶段我国隧道变形监测常用的仪器包括：全站仪、激光位移传感器、静力水准仪、无线雷达以及超声波，而受监测精度和隧道施工复杂环境的限制，激光位移传感器和静力水准仪实施困难，无线雷达和超声波传感器在测量时虽然能够实现自动化监测，但会受到隧道环境中的磁场干扰以及噪声、振动等复杂因素影响，测量误差较大，导致拱顶下沉是最难以实现自动化监测的项目之一，进而监控量测仍然依靠专人采用水准仪或全站仪完成监测工作。而通过专人采用仪器进行监测的方式不仅加大了工作量，且无法满足实时监测的需求。
技术实现思路
1、本发明基于目前的监控量测模式，提出了一种满足规范要求的隧道拱顶下沉自动监测预警装置及下沉量测方法，可简便地实现拱顶下沉自动监测，建设期和运营期均可使用，促进监控量测项目自动化技术的发展进程，其经济效益显著。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种隧道拱顶下沉自动监测预警装置，它包括监测传感单元、信息采集传输单元和连接机构，所述监测传感单元包括一个以上的振弦拉线位移传感器，所述信息采集传输单元包括多通道信息采集仪，多通道信息采集仪通过线缆与振弦拉线位移传感器的电路相连，所述的连接机构包括感应线和两个以上衬砌连接杆，衬砌连接杆沿隧道拱顶长度方向与隧道衬砌顶部相连，所述的振弦拉线位移传感器通过感应线连接在两衬砌连接杆之间。
4、进一步地，所述连接机构还包括用于调节振弦拉线位移传感器预拉伸长度的伸缩调节器，所述伸缩调节器串接在感应线上。
5、进一步地，在感应线上设有辅助调节平直度的附着式水平调节气泡。
6、进一步地，所述衬砌连接杆包括长度固定的固定点膨胀螺杆和长度可调的可升降螺杆，所述的固定点膨胀螺杆安装在隧道的最端部衬砌上，可升降螺杆安装在其他设定的隧道衬砌上。
7、进一步地，所述的可升降螺杆采用手动式丝杆升降机构，在固定点膨胀螺杆和可升降螺杆的下端设有用于连接感应线的套管，在套管上设有固线螺杆，感应线穿过对应套管后通过固线螺杆固定。
8、进一步地，所述多通道信息采集仪设置在机箱内，在机箱内设有与多通道信息采集仪相连的电池，所述机箱设置在隧道内壁上，在机箱内还设有与多通道信息采集仪电路连接的无线传输lora模块，在机箱顶部设有报警器，所述报警器通过继电器与多通道信息采集仪电路连接。
9、进一步地，所述电池通过线缆与外接电源相连，所述外接电源通过充放电控制器与电池相连，在所述报警器与充放电控制器之间通过整流器相连，且整流器通过线缆分别与无线传输lora模块、多通道信息采集仪相连。
10、利用隧道拱顶下沉自动监测预警装置进行隧道拱顶下沉的下沉量测方法，其特征在于，它包括以下步骤：
11、s1、隧道拱顶下沉自动监测预警装置的安装
12、s1.1在稳定的隧道衬砌上设置一个固定点膨胀螺杆，并命名为固定点o，在可能发生沉降变形的隧道衬砌上依次设置监测点a、b......n，并在监测点a、b......n上设置可升降螺杆，利用感应线将伸缩调节器和振弦拉线位移传感器连接在固定点膨胀螺杆与可升降螺杆之间及两相邻的可升降螺杆之间；
13、s1.2调节伸缩调节器使得振弦拉线位移计和感应线绷紧成为直线状态，调节可升降螺杆使感应线初步水平，调节后振弦拉线位移传感器预拉伸5cm～8cm，伸缩调节器的调控空间在中间刻度位置；
14、s1.3连续读取振弦拉线位移传感器的初始值10次以上，若10次读数变化接近水平线，则进行下一步工作，若波动较大应重新检查设备状态和安装的合理性；
15、s1.4根据附着式水平调节气泡调节可升降螺杆，使感应线精平，并将振弦拉线位移传感器的读数调零、单位为mm；
16、s2、各检测点之间绝对水平距离的确定
17、s2.1将固定点o至监测点a、监测点a至监测点b……监测点n-1至监测点n的距离分别记为s1和s2......sn；
18、s2.2通过调节可升降螺杆降低其中一个监测点高度，使其分别下移1cm、2cm、3cm，并分别记录3次振弦拉线位移传感器的读数d1、d2、d3，单位为mm，调节完后反向调节恢复精平；
19、s2.3将要确定的s1、s2.....或sn的设为ⅹ1，通过x1以及沉降读数d1、d2、d3，通过勾股定理则可算出任意两点绝对水平距离ⅹ1，以三个沉降读数下计算的均值为各检测点之间绝对水平距离的校准值si，所述校准值si基于下述公式计算：
20、((x1+d1))2＝x12+12 (a)
21、(x2+d2 2)＝x22+22 (b)
22、(x3 +d3 2)＝x3 2+32 (c)
23、
24、s2.4、根据步骤s2.3推导出任意两段连续拱顶下沉监测点之间的绝对水平距离校准值si，完成校准；
25、s3、对监测点沉降检测及沉降量计算：
26、s3.1、一个固定点一个监测点的监测段沉降计算，该固定点记为o，监测点记为a，则固定点o与监测点a的绝对沉降为ha，通过任意时刻振弦拉线位移传感器读数s，则可得监测点a的绝对沉降值ha，所述绝对沉降值ha通过下述公式计算：
27、
28、s3.2、两个监测点的监测段沉降计算，利用步骤s3.1算出前一个检测点的绝对沉降值ha，将与之相邻监测点的该段沉降段记为hb，该段监测段的绝对水平距离为s2，该段振弦拉线位移传感器读数为dab,则可推导出该段监测段的绝对沉降hb，所述hb通过下述公式计算：
29、(s2+dab)2-s22＝(ha-hb)2 (g)
30、
31、进一步地，在步骤s3中，所述步骤s3.1中的绝对沉降ha存在大于、等于或小于步骤s3.2中的绝对沉降hb，在振弦拉线位移传感器上设置倾角测量器，通过倾角测量器确定步骤s3.2中公式(h)的正负号。
32、本发明的有益效果是：
33、在隧道走向方向，两监测断面的拱顶下沉监测点之间的相对下沉变形规律总是从直线向直角三角形变化，故只需测出两测量点之间形变三角形的斜距变化，即可换算出两点的相对下沉值，若已知水平测线的起始端点为固定点，则可测出被测点及其多个延伸测点的绝对拱顶下沉值。本套装置及方法，提出了一套能够协同测量两拱顶下沉点之间的斜距变化测量的装置及方法，由监测传感单元、信息采集传输单元、下沉量测方法3个部分组成。传感系统由振弦拉线位移传感器、感应线、辅助器件等组成；采集传输系统由多通道数据采集模块、lora传输模块等组成；下沉量测方法由5种变形模型计算方法组成。该套装置及方法可以实时准确地感应到拱顶下沉变形量，获得相应的变形关系曲线，同时可实现数据实时采集和预警。感应装置可避免隧道施工环境及运营环境的影响，监测精度可控制在1mm以内。该装置及方法安装简单，为拱顶下沉监测项目提供了一套较为可靠的自动化监测预警方案。本发明还具有以下优点：
34、1、本装置可实现智能监测与预警，与激光收敛位移器组合可较好地实现自动化监控量测项目，可大幅度降低繁琐的测量工作量，以及解决监测数据不及时等问题；
35、2、装置不受隧道施工和运营的影响，传感器精度高、性能好，测量数据真实、可靠，基本能够满足隧道拱顶下沉监测要求；
36、3、装置能够自动采集数据、自动报警、自动推送信息；
37、4、装置安装简单，所需耗材价格低廉，建设期和运营期均可使用。
38、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
1.一种隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：它包括监测传感单元、信息采集传输单元和连接机构，所述监测传感单元包括一个以上的振弦拉线位移传感器(7)，所述信息采集传输单元包括多通道信息采集仪(12)，多通道信息采集仪(12)通过线缆(8)与振弦拉线位移传感器(7)的电路相连，所述的连接机构包括感应线(4)和两个以上衬砌连接杆，衬砌连接杆沿隧道拱顶长度方向与隧道衬砌(1)顶部相连，所述的振弦拉线位移传感器(7)通过感应线(4)连接在两衬砌连接杆之间。
2.根据权利要求1所述的隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：所述连接机构还包括用于调节振弦拉线位移传感器预拉伸长度的伸缩调节器(6)，所述伸缩调节器(6)串接在感应线(4)上。
3.根据权利要求2所述的隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：在感应线(4)上设有辅助调节平直度的附着式水平调节气泡(9)。
4.根据权利要求3所述的隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：所述衬砌连接杆包括长度固定的固定点膨胀螺杆(2)和长度可调的可升降螺杆(10)，所述的固定点膨胀螺杆(2)安装在隧道的最端部衬砌上，可升降螺杆(10)安装在其他设定的隧道衬砌上。
5.根据权利要求4所述的隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：所述的可升降螺杆(10)采用手动式丝杆升降机构，在固定点膨胀螺杆(2)和可升降螺杆(10)的下端设有用于连接感应线(4)的套管(3)，在套管(3)上设有固线螺杆(301)，感应线(4)穿过对应套管(3)后通过固线螺杆(301)固定。
6.根据权利要求1所述的隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：所述多通道信息采集仪(12)设置在机箱(17)内，在机箱(17)内设有与多通道信息采集仪(12)相连的电池(20)，所述机箱(17)设置在隧道内壁上，在机箱(17)内还设有与多通道信息采集仪(12)电路连接的无线传输lora模块(13)，在机箱(17)顶部设有报警器(15)，所述报警器(15)通过继电器(14)与多通道信息采集仪(12)电路连接。
7.根据权利要求6所述的隧道拱顶下沉自动监测预警装置，其特征在于：所述电池(20)通过线缆与外接电源(19)相连，所述外接电源(19)通过充放电控制器(18)与电池(20)相连，在所述报警器(15)与充放电控制器(18)之间通过整流器(16)相连，且整流器(16)通过线缆分别与无线传输lora模块(13)、多通道信息采集仪(12)相连。
8.利用隧道拱顶下沉自动监测预警装置进行隧道拱顶下沉的下沉量测方法，其特征在于，它包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的隧道拱顶下沉的下沉量测方法，其特征在于：在步骤s3中，所述步骤s3.1中的绝对沉降ha存在大于、等于或小于步骤s3.2中的绝对沉降hb，在振弦拉线位移传感器(7)上设置倾角测量器(21)，通过倾角测量器(21)确定步骤s3.2中公式(h)的正负号。
