一种隧道任意断面姿态确定的方法技术

本发明专利技术提供了一种隧道任意断面姿态确定的方法，包括断面中心位置坐标C(X,Y,Z)计算和断面法向量n(a,b,c)计算，包括以下步骤：根据隧道断面设计图、平曲线要素表和竖曲线要素表等信息，给定隧道区间内任意桩号，判断该桩号所在区间的平曲线类型，计算平面坐标(x,y)及其斜率k，将其换算成隧道断面中心位置坐标(X,Y)；判断给定桩号所在区间的竖曲线类型，计算高程坐标z及其坡度i，根据测设路线与隧道断面中心点偏高H计算隧道断面中心位置高程坐标Z；根据路线斜率k及坡度i计算断面法向量n(a,b,c)。本方法理论严密，便于实现，能够简单的、高效的、精确的确定隧道任意断面姿态信息。

A method for determining the attitude of an arbitrary section of a tunnel

The invention provides a method for determining the attitude of an arbitrary section of a tunnel, including the calculation of C (X, Y, Z) and cross section vector n (a, B, c), including the following steps: according to the information of the tunnel section design, the element table of the flat curve and the element table of the vertical curve, the number of any pile in the tunnel interval is given and the number of the pile is judged. The flat curve type of the interval is calculated, and the plane coordinate (x, y) and its slope k are calculated and converted into the center position coordinates of the tunnel section (X, Y), and the vertical curve type of the given pile number is judged, the elevation coordinate Z and the slope I are calculated, and the elevation of the center position of the tunnel section is calculated according to the height H of the setting route and the central point of the tunnel face. Standard Z; calculate the normal vector n (a, B, c) according to line slope k and slope I. The method is rigorous and easy to implement. It can determine the attitude information of any section of tunnel simply, efficiently and accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种隧道任意断面姿态确定的方法
本专利技术涉及隧道工程安全监测
，特别地，涉及一种隧道任意断面姿态确定的方法。
技术介绍
随着我国经济和社会的不断发展，交通基础设施建设规模逐步扩大，隧道数量和里程逐渐增多。交通运输部发布《2015年交通运输行业发展统计公报》，截止2015年底，我国已建铁路隧道总长度超过13038km、公路隧道12684km，地铁线路4238km。预计至2020年，我国还将规划建设隧道5000座，总长度18000km以上。我国早已成为世界上隧道数量最多、里程最长、施工最复杂、发展最快的国家。在隧道施工和运营阶段，隧道变形监测都发挥重要作用。一方面，隧道变形监测是隧道信息化施工的重要组成部分，是反馈围岩和结构动态变化趋势、优化支护参数、保证施工安全的重要手段。另一方面，隧道变形监测也是隧道健康监测的重要组成部分，对于实时评估隧道结构的安全状况，及时实施安全预警，最大限度延长隧道的使用年限具有重要作用。传统的隧道变形监测方法是在隧道的变形区布设监测点，使用收敛计、全站仪、水准仪和塔尺等测量仪器进行逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1)操作繁复、耗时费力，人为因素对量测精度的影响较大；2)环境复杂，不良因素众多，测量的可靠度和灵敏度不高；3)测量点位有限，很难准确反映整个断面的变形状态；4)干扰隧道正常施工，测线经常被破坏，测量数据不连续；因此，传统监测方法已无法满足现代隧道施工及运营对自动化、信息化监控测量技术的需求。新兴的隧道变形监测方法，如基于三维激光扫描技术的全断面检测法，对隧道进行扫描后，选取某一桩号处的断面进行分析，而从点云数据中提取断面的过程需要知道该断面的姿态信息，即断面中心位置坐标C(X,Y,Z)和断面法向量n(a,b,c)。由此可见，为适应新方法的出现，急需一种能够简单的、高效的、精确的确定隧道任意断面姿态信息，即断面中心位置坐标C(X,Y,Z)和断面法向量n(a,b,c)。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种隧道任意断面姿态确定的方法，以解决传统监测方法无法满足现代隧道施工及运营对自动化、信息化监控测量技术需求的技术问题，帮助实现从点云数据中提取断面。为实现上述目的，本专利技术提供了一种隧道任意断面姿态确定的方法，包括断面中心位置坐标C(X,Y,Z)计算和断面法向量n(a,b,c)计算，具体包括以下步骤：步骤一：收集隧道断面设计图及隧道所在区间的平曲线要素表和竖曲线要素表；步骤二：输入隧道监测断面桩号sn，判断该桩号所在区间的平曲线类型，根据对应的计算方法计算平面坐标(x,y)及其斜率k，根据测设路线与隧道中心线偏距L及路线斜率k将其换算成隧道断面中心位置坐标(X,Y)；步骤三：判断输入的桩号sn所在区间的竖曲线类型，根据对应的计算方法计算高程坐标z及其坡度i，根据测设路线与隧道断面中心点偏高H计算隧道断面中心位置高程坐标Z；步骤四：根据路线斜率k及坡度i计算断面法向量n(a,b,c)。进一步的，所述隧道断面与隧道中心线垂直。进一步的，所述平曲线类型为直线、圆曲线或者缓和曲线。进一步的，所述平曲线类型为直线时，平面坐标(x,y)及其斜率k的计算方法为k＝tanαq,s＝sn-snq式中，αq为线元起点坐标方位角，s为该桩号距线元起点的路线距离，snq为线元起点桩号，(xq,yq)为线元起点坐标；或者，所述平曲线类型为圆曲线时，平面坐标(x,y)及其斜率k的计算方法为式中，R为圆曲线半径，F为符号参数，当曲线左偏时取-1，右偏时取1，下同；或者，所述平曲线类型为缓和曲线时，平面坐标(x,y)及其斜率k的计算方法为式中，l为缓和曲线长度。进一步的，所述的测设路线平面坐标(x,y)与隧道断面中心位置坐标(X,Y)的计算关系为进一步的，所述竖曲线坡度i，当上坡时取正值，下坡时取负值，所述的竖曲线类型为直线、凸曲线或者凹曲线。进一步的，所述竖曲线类型为直线时，高程坐标z及其坡度i的计算方法为z＝zq+s·iq,i＝iq。或者，所述竖曲线类型为凸曲线时，高程坐标z及其坡度i的计算方法为式中，zb为变坡点标高，T为切线长，R为曲线半径；或者，所述竖曲线类型为凹曲线时，高程坐标z及其坡度i的计算方法为进一步的，所述的测设路线高程坐标z与隧道断面中心点高程坐标Z的计算关系为Z＝z+H；当隧道断面中心点在测设路线之上时，H取正值；当隧道断面中心点在测设路线之下时，H取负值。进一步的，所述的路线斜率k、坡度i及断面法向量n(a,b,c)间有如下关系令a＝1，则有由此可以得到，断面法向量本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种隧道任意断面姿态确定的方法，通过收集隧道断面设计图及隧道所在区间的平曲线要素表和竖曲线要素表；然后输入隧道监测断面桩号，判断该桩号所在区间的平曲线类型，根据对应的计算方法计算平面坐标及其斜率，根据测设路线与隧道中心线偏距及路线斜率将其换算成隧道断面中心位置坐标；判断输入的桩号所在区间的竖曲线类型，根据对应的计算方法计算高程坐标及其坡度，根据测设路线与隧道断面中心点偏高计算隧道断面中心位置高程坐标；最后根据路线斜率及坡度计算断面法向量。本专利技术提供的一种隧道任意断面姿态确定的方法理论严密，便于实现，能够简单的、高效的、精确的确定隧道任意断面姿态信息(断面中心位置坐标和断面法向量)，可以为三维激光扫描等全断面隧道监测方法提供重要的技术支撑。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术具体实施方式案例中的某隧道平面净空设计图；图2是本专利技术具体实施方式案例中某隧道K5+800处的断面姿态图；图3是本专利技术具体实施方式案例中某隧道K6+000处的断面姿态图；图4是本专利技术具体实施方式案例中某隧道K6+500处的断面姿态图；图5是本专利技术的方法流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。一种隧道任意断面姿态确定的方法，包括断面中心位置坐标C(X,Y,Z)计算和断面法向量n(a,b,c)计算，具体包括以下步骤：步骤一：收集隧道断面设计图及隧道所在区间的平曲线要素表和竖曲线要素表；步骤二：输入隧道监测断面桩号sn，判断该桩号所在区间的平曲线类型，根据对应的计算方法计算平面坐标(x,y)及其斜率k，根据测设路线与隧道中心线偏距L及路线斜率k将其换算成隧道断面中心位置坐标(X,Y)；步骤三：判断输入的桩号sn所在区间的竖曲线类型，根据对应的计算方法计算高程坐标z及其坡度i，根据测设路线与隧道断面中心点偏高H计算隧道断面中心位置高程坐标Z；步骤四：根据路线斜率k及坡度i计算断面法向量n(a,b,c)。例如，某隧道为长隧道，左、右线分离布设，进出口洞门均采用端墙式洞门。以下根据该隧道右线设计信息进行隧道断面姿态信息计算。该隧道右线起讫桩号为K5+736～K6+820，长度为1084m。右线隧道进口位于R＝1500圆曲线上，出口及洞身段位于直线上，左、右线隧道纵坡均为人字坡。该隧道所在区间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道任意断面姿态确定的方法，其特征在于，包括断面中心位置坐标C(X,Y,Z)计算和断面法向量n(a,b,c)计算，具体包括以下步骤：步骤一：收集隧道断面设计图及隧道所在区间的平曲线要素表和竖曲线要素表；步骤二：输入隧道监测断面桩号sn，判断该桩号所在区间的平曲线类型，根据对应的计算方法计算平面坐标(x,y)及其斜率k，根据测设路线与隧道中心线偏距L及路线斜率k将其换算成隧道断面中心位置坐标(X,Y)；步骤三：判断输入的桩号sn所在区间的竖曲线类型，根据对应的计算方法计算高程坐标z及其坡度i，根据测设路线与隧道断面中心点偏高H计算隧道断面中心位置高程坐标Z；步骤四：根据路线斜率及坡度i计算断面法向量n(a,b,c)。

【技术特征摘要】
1.一种隧道任意断面姿态确定的方法，其特征在于，包括断面中心位置坐标C(X,Y,Z)计算和断面法向量n(a,b,c)计算，具体包括以下步骤：步骤一：收集隧道断面设计图及隧道所在区间的平曲线要素表和竖曲线要素表；步骤二：输入隧道监测断面桩号sn，判断该桩号所在区间的平曲线类型，根据对应的计算方法计算平面坐标(x,y)及其斜率k，根据测设路线与隧道中心线偏距L及路线斜率k将其换算成隧道断面中心位置坐标(X,Y)；步骤三：判断输入的桩号sn所在区间的竖曲线类型，根据对应的计算方法计算高程坐标z及其坡度i，根据测设路线与隧道断面中心点偏高H计算隧道断面中心位置高程坐标Z；步骤四：根据路线斜率及坡度i计算断面法向量n(a,b,c)。2.根据权利要求1所述的一种隧道任意断面姿态确定的方法，其特征在于，所述隧道断面与隧道中心线垂直。3.根据权利要求1所述的一种隧道任意断面姿态确定的方法，其特征在于，所述平曲线类型为直线、圆曲线或者缓和曲线。4.根据权利要求3所述的一种隧道任意断面姿态确定的方法，其特征在于，所述平曲线类型为直线时，平面坐标(x,y)及其斜率k的计算方法为k＝tanαq,s＝sn-snq式中，αq为线元起点坐标方位角，s为该桩号距线元起点的路线距离，snq为线元起点桩号，(xq,yq)为线元起点坐标；或者，所述平曲线类型为圆曲线时，平面坐标(x,y)及其斜率k的计算方法为式中，R...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓东，吴勇生，曾雄鹰，易诞，万建材，
申请(专利权)人：湖南联智桥隧技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43