本发明涉及管片沉降监测的技术领域，尤其涉及一种盾构机管片沉降监测系统及监测方法。
背景技术：
盾构隧道在施工过程中，既要使开挖面保持稳定，随着隧道的掘进，还必须对隧道开挖面进行衬砌及注浆作业，保证隧道的整个施工过程安全可靠。
现在越来越多的盾构需要穿越复合地层沉降敏感区段，此时盾构机施工过程中对管片沉降的严密监测就显得尤为重要，在盾构施工过程中可能会引起地层位移问题，造成盾构施工沉降，扰动的影响范围和程度取决于很多因素，如施工参数（土仓压力、刀盘扭矩、推力、出土量、注浆量）等施工管理及其他施工条件，故亟需研发一套实时监测管片沉降系统，并针对沉降量超过预警值的部分进行施工补救措施，保证隧道的施工过程安全可靠。
技术实现要素：
针对上述背景技术中的技术问题，本发明提出一种盾构机管片沉降监测系统及监测方法，在管片布置监测点位，可监测出管片沉降量，并在沉降量超过预警值时，及时给出报警信息，施工人员可采取沉降控制措施，确保隧道施工过程中沉降量控制在允许范围之内。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种盾构机管片沉降监测系统，包括若干个均匀布置在管片上的监测点和安装在已拼装完成管片后侧的参考点，监测点安装有第一监测组件，参考点安装有参考组件，第一监测组件和参考组件均与监测机构相配合。
优选地，所述第一监测组件包括监测棱镜，监测棱镜吸附在管片监测点上；所述参考组件包括后视棱镜，后视棱镜安装在参考点上；所述监测机构包括全站仪，全站仪与监测棱镜和后视棱镜相配合，全站仪与上位机相连接。
一种盾构机管片沉降监测系统的监测方法，包括以下步骤：
s1、首先建立原点坐标系01：准备工作时首先建立原点坐标系01（x01、y01、z01，坐标数据实时传输至上位机；
s2、随后建立全站仪坐标系02：以参考点上的后视棱镜为基准点，全站仪扫描后视棱镜进行自身定位，得到全站仪自身坐标系02（x02、y02、z02）；
s3、最后建立管片坐标系03：步骤s1和s2完成后，全站仪扫描管片监测点得到相对于原点坐标系01的管片方位姿态坐标03（x03、y03、z03），同时坐标数据实时传输至上位机，全站仪记录管片方位姿态坐标03作为下一环管片沉降参考点，至此首环管片坐标建立完成；
s4、建立第二环管片坐标系：监测棱镜移动安装到第二环管片上，再次通过全站仪扫描第二环管片上的监测棱镜，得到第二环管片方位姿态坐标04（x04、y04、z04），坐标数据实时传输至上位机；
s5、管片沉降量计算：根据步骤s3和s4，上位机根据第二环管片方位姿态坐标04与第一环管片方位姿态坐标03计算得出两环管片之间的位置差，进而计算得出管片沉降量m1，同时第二环管片方位姿态坐标04作为下一环管片沉降参考点；
s6、建立后续多环管片坐标系：重复步骤s4和s5，依次建立第三环管片坐标系、......、第n 1环管片坐标，同时根据对应管节管片上的多点监测坐标拟合成圆，计算拟合圆半径，并根据拟合圆半径、初始管环半径以及开挖断面半径计算拟合圆与开挖断面之间的二次注浆量；
s7、根据步骤s6中算得出的二次注浆量，上位机根据实时获取的沉降量数据和计算的二次注浆量建立实际沉降变化曲线以及二次注浆量变化曲线；
s8、根据步骤s7，上位机将实际沉降变化曲线与盾构机姿态设计轴线进行比对，当实际沉降变化曲线与盾构机姿态设计轴线之间浮动范围超过设定安全阈值范围时，上位机向中控系统发送报警信息；同时上位机将二次注浆量数据变化曲线传输至中控系统，注浆作业人员观察二次注浆量变化曲线与理论注浆量设计曲线，当二次注浆量变化曲线偏离理论注浆量设计曲线时，改变注浆压力以及注浆速度动态调整二次注浆量。
优选地，所述步骤s6中拟合圆与开挖断面之间的二次注浆量的计算方法，包括以下步骤：
a1、首先计算各拟合圆中心位置坐标：对应管节管片上均包括至少三组监测点，全站仪扫描测量出管片上各监测点坐标数据后传输至上位机，上位机根据对应管节管片上多点坐标数据进行拟合成圆，并分别计算得出第一环拟合圆管片中心位置坐标03（x03、y03、z03）、第二环拟合圆管片中心位置坐标04（x04、y04、z04）、……、第n 1环拟合圆管片0n 1中心位置坐标（x0n 1、y0n 1、z0n 1）；
a2、根据步骤a1中各拟合圆中心坐标与监测点坐标系计算第二环拟合圆管片半径d2，根据第二环管片上监测点坐标与第一环管片上对应位置处的坐标计算第二环拟合圆管片沉降量为d5，以及开挖断面半径d3和第一环管片外径d7；
a3、根据步骤a2计算第二环管片与开挖断面间距d1，d1=d3-d7-d5；计算第二环管片中心与开挖断面中心间距d4，d4=d3-d2-d1；
a4、根据步骤a3第二环管片与开挖断面中心距离d6，d6=d4*tan（arc（d4/d2）），随后计算三角区域s1、第二环管片扇形区域面积s2以及开挖断面扇形区域面积s3，最后计算得出注浆区域面积s4，s4=s3-s2-s1；
a5、根据步骤a3最后计算得出二次注浆量v=s4*h，h为管环宽度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过全站仪配合管片上监测点安装的棱镜，测量出每环管片的沉降量，整体布置简单，无需复杂布线，并且无需对盾构机结构进行改进，适用性强；
2、本发明通过测量出每一环管片上不同位置坐标，计算得出管片上中心位置坐标，根据计算得出的对应管片上中心位置坐标建立管片沉降数据曲线，可间接获得盾构姿态的掘进趋势，便于指导盾构司机及时调整盾构姿态与设计轴线保持一致；
3、本发明通过计算每环管片的沉降量，判断管片沉降趋势，可及时调整掘进参数，控制管片沉降量，规避工程风险，并且通过及时获取不同管节上不同位置的管片沉降量，对施工参数不当引起的风险具有可预见性。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明设备布置示意图。
图2为本发明中原点坐标系建立示意图。
图3为本发明中管片沉降测量示意图。
图4为本发明中管节沉降变化曲线。
图5为本发明中二次注浆截面示意图。
具体实施方式
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付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。
实施例1：如图1所示，一种盾构机管片沉降监测系统，包括若干个均匀布置在管片上的监测点和安装在已拼装完成管片后侧的参考点，本实施例中优选5组监测点，监测点安装有第一监测组件，第一监测组件包括监测棱镜，监测棱镜吸附在管片螺栓上，参考点安装有参考组件，参考组件包括后视棱镜，后视棱镜安装在参考点上，第一监测组件和参考组件均与监测机构相配合，监测机构包括全站仪，全站仪与监测棱镜和后视棱镜相配合，全站仪不断进行跟踪测量棱镜位置，可实时计算出监测点的x、y、z方向上的位移量，全站仪记录每个时段的每个点位的方位位置，可得出掘进位置处的管片沉降量，全站仪与上位机相连接，全站仪测量数据实时传输至上位机。
在使用时，首先，将后视棱镜固定在盾构机已完成管片拼装的后侧位置如图1所示，全站仪设置在棱镜的前方，管片监测点均匀分布在全站仪前方的某个管环处，利用后视棱镜作为参考点，便于找正全站仪坐标系，通过全站仪配合管片上监测点安装的棱镜，测量出每环管片的沉降量，整体布置简单，无需复杂布线，并且无需对盾构机结构进行改进，适用性强。
实施例2：盾构机管片沉降监测系统的监测方法，包括以下步骤：
s1、如图2所示，首先建立原点坐标系01：准备工作时首先建立原点坐标系01（x01、y01、z01），01（x01、y01、z01）作为世界坐标系，坐标数据实时传输至上位机；
s2、随后建立全站仪坐标系02：以参考点上的后视棱镜为基准点，全站仪与后视棱镜存在一个固定的相对位置，全站仪扫描后视棱镜进行自身定位，得到全站仪自身坐标系02（x02、y02、z02）；
s3、最后建立首环管片坐标系03：步骤s1和s2完成后，全站仪具有自动锁定目标棱镜的功能，全站仪瞄准监测棱镜，全站仪扫描管片监测点得到相对于原点坐标系01的管片方位姿态坐标03（x03、y03、z03），管片方位姿态坐标为管片中心位置坐标，同时坐标数据实时传输至上位机，全站仪记录管片方位姿态坐标03作为下一环管片沉降参考点，至此首环管片坐标建立完成；
s4、建立第二环管片坐标系：监测棱镜移动安装到第二环管片上，再次通过全站仪扫描第二环管片上的监测棱镜，得到第二环管片方位姿态坐标04（x04、y04、z04），坐标数据实时传输至上位机；
s5、如图3所示，管片沉降量计算：根据步骤s3和s4，上位机根据第二环管片方位姿态坐标04与第一环管片方位姿态坐标03计算得出两环管片之间的相对位置差，进而计算得出第二环管片沉降量m1，同时第二环管片方位姿态坐标04作为下一环管片沉降参考点；
s6、建立后续多环管片坐标系：重复步骤s4和s5，依次建立第三环管片坐标系、......、第n 1环管片坐标，同时根据对应管节管片上的多点监测坐标拟合成圆，计算拟合圆半径，并根据拟合圆半径、初始管环半径以及开挖断面半径计算拟合圆与开挖断面之间的二次注浆量；拟合圆与开挖断面之间的二次注浆量的计算方法，包括以下步骤：
a1、首先计算各拟合圆中心位置坐标：对应管节管片上均包括至少三组监测点，本实施例中优选5组监测点，全站仪扫描测量出管片上5组监测点坐标数据后传输至上位机，全站仪扫描测量出管片上各监测点坐标数据后传输至上位机，上位机根据对应管节管片上多点坐标数据进行拟合成圆，拟合圆心中心连线可以反应盾构一个姿态趋势，并分别计算得出第一环拟合圆管片中心位置坐标03（x03、y03、z03）、第二环拟合圆管片中心位置坐标04（x04、y04、z04）、……、第n 1环拟合圆管片0n 1中心位置坐标（x0n 1、y0n 1、z0n 1），各管片中心位置坐标为多监测点位置坐标均值，通过计算各管片中心位置坐标，大大提高测量数据准确性，减小测量数据误差，各管片中心坐标可间接获取盾构机姿态调整曲线；
a2、如图5所示，根据步骤a1中各拟合圆中心坐标与监测点坐标系计算第二环拟合圆管片半径d2，根据第二环管片上监测点坐标与第一环管片上对应位置处的坐标计算第二环拟合圆管片沉降量为d5，以及开挖断面半径d3和第一环管片外径d7；
a3、根据步骤a2计算第二环管片与开挖断面间距d1，d1=d3-d7-d5；计算第二环管片中心与开挖断面中心间距d4，d4=d3-d2-d1；
a4、根据步骤a3第二环管片与开挖断面中心距离d6，d6=d4*tan（arc（d4/d2）），随后计算三角区域s1、第二环管片扇形区域面积s2以及开挖断面扇形区域面积s3，根据图5所示，由d3算出大扇形面积s4，d2和β角算出小扇形面积s2，由d4和d6算出小三角形面积s1，最后计算得出注浆区域面积s4，s4=s3-s2-s1；
a5、根据步骤a4最后计算得出二次注浆量v=s4*h，h为管环宽度。步骤s2~s6中，对应管节管片上均包括至少三组监测点，上位机根据对应管节管片上多点数据，利用多点拟合成圆分别计算得出第一环管片中心坐标03（x03、y03、z03）、第二环管片中心坐标04（x04、y04、z04）、……、第n 1环管片0n 1（x0n 1、y0n 1、z0n 1）；
s7、如图4所示，根据步骤s6中计算得出的二次注浆量；同时上位机根据实时获取的沉降量数据和计算的二次注浆量建立实际沉降变化曲线以及二次注浆量变化曲线；
s8、根据步骤s7，上位机将实际沉降变化曲线与盾构机姿态设计轴线进行比对，当实际沉降变化曲线与盾构机姿态设计轴线之间浮动范围超过设定安全阈值范围时，上位机向中控系统发送报警信息；同时上位机将二次注浆量数据变化曲线传输至中控系统，注浆作业人员观察二次注浆量变化曲线与理论注浆量设计曲线，当二次注浆量变化曲线偏离理论注浆量设计曲线时，改变注浆压力以及注浆速度动态调整二次注浆量，通过在管片布置监测点位，可监测出管片沉降量，并在沉降量超过预警值时，及时给出报警信息，施工人员可采取沉降控制措施，确保隧道施工过程中沉降量控制在允许范围之内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
1.一种盾构机管片沉降监测系统，其特征在于，包括若干个均匀布置在管片上的监测点和安装在已拼装完成管片后侧的参考点，监测点安装有第一监测组件，参考点安装有参考组件，第一监测组件和参考组件均与监测机构相配合。
2.根据权利要求1所述的盾构机管片沉降监测系统，其特征在于，所述第一监测组件包括监测棱镜，监测棱镜吸附在管片监测点上；所述参考组件包括后视棱镜，后视棱镜安装在参考点上；所述监测机构包括全站仪，全站仪与监测棱镜和后视棱镜相配合，全站仪与上位机相连接。
3.根据权利要求1或2所述的盾构机管片沉降监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1、首先建立原点坐标系01：准备工作时首先建立原点坐标系01（x01、y01、z01，坐标数据实时传输至上位机；
s2、随后建立全站仪坐标系02：以参考点上的后视棱镜为基准点，全站仪扫描后视棱镜进行自身定位，得到全站仪自身坐标系02（x02、y02、z02）；
s3、最后建立管片坐标系03：步骤s1和s2完成后，全站仪扫描管片监测点得到相对于原点坐标系01的管片方位姿态坐标03（x03、y03、z03），同时坐标数据实时传输至上位机，全站仪记录管片方位姿态坐标03作为下一环管片沉降参考点，至此首环管片坐标建立完成；
s4、建立第二环管片坐标系：监测棱镜移动安装到第二环管片上，再次通过全站仪扫描第二环管片上的监测棱镜，得到第二环管片方位姿态坐标04（x04、y04、z04），坐标数据实时传输至上位机；
s5、管片沉降量计算：根据步骤s3和s4，上位机根据第二环管片方位姿态坐标04与第一环管片方位姿态坐标03计算得出两环管片之间的位置差，进而计算得出管片沉降量m1，同时第二环管片方位姿态坐标04作为下一环管片沉降参考点；
s6、建立后续多环管片坐标系：重复步骤s4和s5，依次建立第三环管片坐标系、......、第n 1环管片坐标，同时根据对应管节管片上的多点监测坐标拟合成圆，计算拟合圆半径，并根据拟合圆半径、初始管环半径以及开挖断面半径计算拟合圆与开挖断面之间的二次注浆量；
s7、根据步骤s6中计算得出的二次注浆量，上位机根据实时获取的沉降量数据和计算的二次注浆量建立实际沉降变化曲线以及二次注浆量变化曲线；
s8、根据步骤s7，上位机将实际沉降变化曲线与盾构机姿态设计轴线进行比对，当实际沉降变化曲线与盾构机姿态设计轴线之间浮动范围超过设定安全阈值范围时，上位机向中控系统发送报警信息；同时上位机将二次注浆量数据变化曲线传输至中控系统，注浆作业人员观察二次注浆量变化曲线与理论注浆量设计曲线，当二次注浆量变化曲线偏离理论注浆量设计曲线时，改变注浆压力以及注浆速度动态调整二次注浆量。
4.根据权利要求3所述的盾构机管片沉降监测系统的监测方法，其特征在于，所述步骤s6中拟合圆与开挖断面之间的二次注浆量的计算方法，包括以下步骤：
a1、首先计算各拟合圆中心位置坐标：对应管节管片上均包括至少三组监测点，全站仪扫描测量出管片上各监测点坐标数据后传输至上位机，上位机根据对应管节管片上多点坐标数据进行拟合成圆，并分别计算得出第一环拟合圆管片中心位置坐标03（x03、y03、z03）、第二环拟合圆管片中心位置坐标04（x04、y04、z04）、……、第n 1环拟合圆管片0n 1中心位置坐标（x0n 1、y0n 1、z0n 1）；
a2、根据步骤a1中各拟合圆中心坐标与监测点坐标系计算第二环拟合圆管片半径d2，根据第二环管片上监测点坐标与第一环管片上对应位置处的坐标计算第二环拟合圆管片沉降量为d5，以及开挖断面半径d3和第一环管片外径d7；
a3、根据步骤a2计算第二环管片与开挖断面间距d1，d1=d3-d7-d5；计算第二环管片中心与开挖断面中心间距d4，d4=d3-d2-d1；
a4、根据步骤a3第二环管片与开挖断面中心距离d6，d6=d4*tan（arc（d4/d2）），随后计算三角区域s1、第二环管片扇形区域面积s2以及开挖断面扇形区域面积s3，最后计算得出注浆区域面积s4，s4=s3-s2-s1；
a5、根据步骤a4最后计算得出二次注浆量v=s4*h，h为管环宽度。
技术总结