[发明专利]一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法

权利要求书

1.一种实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，是利用分布式MEMS倾角传感设备阵列在线监测地下多层次空间地表沉降的绝对变形，包括以下步骤：

(1)进行相对位移的监测，采用涡卷弹簧式离层测量仪，对路面与原状土路基之间的相对位移的监测，光电编码器测量位移量，实时采集，无线传输；

(2)根据开挖的地下空间的工程地质情况，进行多排及多层的沉降理论计算，得到沉降槽曲线，选取曲线的反弯点及陡降段作为测点；

(3)在地下多层次空间地表垂直于对称轴的横截面上，在倾斜角度突变区选择横向测点阵列；

(4)在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，监测区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列；

其中，MEMS倾角传感设备基于地下多层次空间横向沉降槽倾角曲线公式

进行测点布设，式中：L为地下多层次空间之间的中心矩；

具体布设方法如下：1)两只MEMS倾角传感设备布设隧道中心线两侧-L-i和L+i位置处，该处为沉降漏斗的反弯点，具有最大倾斜角度；2)六只MEMS倾角传感设备布设在L-i、L+0.5i、L+1.5i、-L+i、-L-0.5i、-L-1.5i位置处，此六处测点为沉降漏斗的陡降段，具有较大倾斜角度；3)两只MEMS倾角传感设备布设在L+5i、-L-5i位置处，此处位于沉降漏斗变形区域外作为基准点；

(5)在各横向测点阵列、纵向测点阵列位置处开挖一定长、宽、高尺寸的长方形钻孔，将预制保护井放入孔洞中，在其内注入快凝混凝土，并将其表面调整满足MEMS倾角传感设备要求的平整度，待强度满足要求时，将MEMS倾角传感设备放入其中；

(6)各MEMS倾角传感设备自带电源，在无人值守情况下自动测量所在位置处地表土体的倾斜角度，通过Zigbee无线自组网络发送到附近ZigBee中心传输终端；

(7)中心传输终端在无人值守情况下，自动无线接收来自各地表沉降测点的测量数据，解译处理后重新封装，再通过GPRS/4G无线通讯网络，按照TCP/IP协议格式发送给部署在云端的隧道云监测服务器；

(8)服务器在线完成隧道地表沉降变形监测数据的接收、存储、处理、分析、预测、报警、可视化展现功能。

2.根据权利要求1所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，在待开挖地下多层次空间横截面内，选择十处地表倾斜角度变化剧烈位置作为测点，放置MEMS倾角传感设备。

3.根据权利要求2所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，根据地下多层次空间横截面内十处测点位置处的地表倾斜角度测量值，采用最小二乘法拟合单孔隧道横向沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算单孔隧道沉降位移；

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为10个测点的横坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用修正的Peck公式进行表征，即

4.根据权利要求1所述的实时监测地下多层次空间地表沉降变形的方法，其特征在于，在地下多层次空间地表沿对称轴的纵剖面上，开挖初期按纵剖面曲线的反弯点和陡降段布置测点，监测区域进入稳定沉降之后按一定间距均匀布置纵向测点阵列，然后采用最小二乘法拟合隧道纵剖面沉降槽倾角特征曲线公式中系数，以此解算地下多层次空间沉降位移；

最小二乘拟合公式如下：

式中，Xdata^(s)为N个测点的纵坐标，Zdata^(s)为各测点的倾斜角度值；当沉降槽倾角特征曲线公式中系数S_max、i通过最小二乘法标定后，地下多层次空间横向沉降曲线可用Yoshikoshi公式进行表征，即