一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法技术方案

本发明专利技术为地下工程技术领域，具体涉及一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，包括以下步骤：(1)设备安装；(2)数据采集；(3)初设最优平面方程；(4)建立优化目标函数；(5)求解最优平面；(6)坐标空间转换。本发明专利技术针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立了求取最优监测平面的优化目标函数。并基于所得最优平面，提出将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。本发明专利技术所述的计算方法具有实用性强、误差较小的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法
本专利技术为地下工程
，具体涉及一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法。技术背景当前，围岩硐周位移量测方法主要分为非接触式与接触式两类。非接触式量测方法目前主要有自动化全站仪、三维激光扫描以及近景摄像测量等。其中，自动化全站仪与隧道断面扫描仪投射光斑直径过大，重复测量时无法精准地定位于同一测点，且长期监测时，影响隧洞使用。而三维激光扫描在近些年逐渐被应用于隧道收敛监测，但其所获点云数据的配准、去噪、拼接以及三维建模后的切片等数据处理还存在误差以及可靠性等问题。而近景摄影测量平面转三维的算法尚不成熟，还未进入实际应用阶段。以上非接触性测量方法主要基于光学原理，其测量精度最高仅为毫米级，且受烟雾等环境影响大，从而在花岗岩微小变形条件下无法满足监测要求。接触式测量方法主要有收敛计、光纤光栅传感技术以及巴塞特收敛测量系统。收敛计目前已可实现全自动化测量，同铟钢丝收敛计一样，精度很高，可以达到0.01mm，但仍然存在对工程施工与运营干扰大等问题。光纤光栅传感技术近年来逐渐被应用于围岩内部位移、盾构隧道管片变形、以及二衬应变等岩土工程施工监测与长期健康诊断中，其主要分为点式、线式以及分布式三种监测方法，但目前光纤传感器在量测围岩收敛变形方面技术尚未成熟，存在铺设难度大、受温度变化影响明显等问题。而巴塞特系统可以实现高精度自动化实时监测的要求，且测量系统主要沿硐周布置，不影响科研与工程活动，因此作为地下实验室隧洞硐周位移监测的首选方法。但同时考虑到其量测设备成本较高且长期监测下不可移动，而地下实验室监测断面很多，因而费用极为昂贵。此外，巴塞特系统的工作原理是通过两个铰接点转角变化与其间的杆件长度来换算围岩变形量，这难免存在假设过多、误差累积的缺陷。隧道断面监测系统测量单元具有较强的通用性，能适用于各种断面形式与断面大小，且对于硐壁表面平整度要求不高，能够满足地下实验室围岩长期变形的高精度、自动化以及实时的稳定测量要求，但由于其收敛计算方法并不成熟，因此在实用性上受到一定能限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服隧道断面监测系统上述现有技术的不足，提供一种隧道断面监测系统及收敛位移计算方法。一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，包括以下步骤：(1)设备安装；(2)数据采集；(3)初设最优平面方程；(4)建立优化目标函数；(5)求解最优平面；(6)坐标空间转换。本专利技术针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立求取最优监测平面的优化目标函数；并基于所得最优平面，将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。本专利技术所述的计算方法具有实用性强、误差较小的优点。优选地，所述设备为隧道断面监测系统。优选地，步骤(1)中，设备安装的步骤为：a.测点锚头埋设；b.测臂组装；c.采集箱安装；d.传感器与测控软件调试。优选地，步骤(1)中，测点锚头埋设的步骤为：由高精度全站仪标记出各测点位置和固定电缆的夹钳位置；为传感器和电缆安装钻设固定装置孔，在孔内填入锚固药剂后即刻塞入测点锚头。优选地，步骤(1)中，测臂组装的步骤为：待全部测点锚头固结稳定后，将关节承轴与传感器分别用螺母固定于相邻锚头的同一侧；再根据相邻测点间的距离截取所需伸缩管长度，而后对其两端进行打磨，并分别插入传感器与关节承轴内，同时拧紧螺栓保证传感器与地面保持垂直；以上为单个测臂组装过程，此后按同样方式于各测点间依次进行，即可将测量单元连接成为整体；在测量部件安装完成后，再利用全站仪测出各锚头实际坐标位置。优选地，步骤(1)中，采集箱安装的步骤为：使用膨胀螺栓将数据采集箱固定在距量测断面不远的硐壁上，并将各传感器信号线接依次接入数据采集模块；同时，从采集器接出一根数据电缆并延伸至地面与数据中心计算机相连；采集箱通过电缆与地表太阳能电池板相连；将供电线与数据线沿隧洞侧壁分开布置并进行固定与防护。优选地，步骤(1)中，传感器与测控软件调试的步骤为：调节角度传感器外置转盘，使其箭头标志指向正上方，同时使用微电压读取器检查量测值，设置斜度量程为-25mv～+25mv之间；另外，调节伸缩杆长度，使位移计量程处于600mv～1200mv；在设备全部安装完成后，由数据中心计算机开启数据采集系统，进行测控软件与数据采集器间的调试；确认无误后，设置采集频率为12h/次，进行长期监测试验。优选地，步骤(2)中，数据采集的方法为：在隧道断面监测系统全部安装完成后，进行初始量测，并记录各测臂角度传感器与位移传感器所输出的初始电压值，再求出倾角与位移的初始值，在隧道断面监测系统正常工作后，将由角度传感器与位移传感器所测倾角θ与位移值L减去各自初始值，即可分别求出相应测臂转角变化量与长度变化量。优选地，步骤(3)中，初设最优平面方程的为：F(X,Y,Z)Ω＝0，当最优平面与大地坐标Z轴方向平行时，其方程可表示为a0+a1X+a2Y＝0，式中，a0，a1，a2均为平面方程参数。优选地，步骤(4)中，建立优化目标函数是以各测点到平面距离之和的最小值，建立的优化目标函数：式中，f(X,Y,Z)为目标函数，di为任意测点到最优平面的距离，n为除基准点外测点的总个数，a0，a1，a2均为平面方程参数。优选地，步骤(5)中，求解最优平面的方法为通过粒子群法或麦夸特法结合全局优化算法。优选地，步骤(6)中，坐标空间转换的方法是将各测点初始三维坐标转换为该平面内二维坐标，公式为：式中，a0，a1，a2均为平面方程参数；(X0,Y0,Z0)为基准点坐标，为基准点在最优平面的投影点坐标；(Xi,Yi,Zi)(i＝0,1,…,n)为各测点大地三维坐标；xi,yi为各测点在最优平面内的二维坐标。优选地，角度传感器的倾角量测以其与输出电压间的多项式关系为基础，即测臂转动的角度θ为：式中，Va为角度传感器输出电压；C0，C1，…C5为传感器标定常数；位移传感器所测位移L与其输出电压呈线性关系，即：L＝KdVd+b式中，Vd为位移传感器输出电压，Kd与b为传感器标定常数。优选地，位移传感器测点i第j次量测时的全局坐标为：式中，为位移传感器测点i第j次量测时的全局横纵坐标；与为测点i初始位置在i-1局部坐标系下的横纵坐标；Li为点i与i-1间测臂的初始长度；Δθij为测臂转动的角度变化，ΔLij为测臂转动的长度变化。相对于现有技术，本申请取得了以下有益效果：推导了隧道断面监测系统测量硐周位移的计算公式，表明通过测臂上位移与角度传感器所获取的相邻两测点间沿测杆的位移与角度变化量，可求出测点间的相对位移量，再由基准点起依次叠加后续测点间的相对位移量即可求得其余各测点相对于基准点的位移变化量。针对实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立了求取最优监测平面的优化目标函数。并基于所得最优平面，提出了将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法。从而求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立了各点的初始二维坐标。附图说明图1为隧道断面监测系统测量单元；图2为新型接触式隧洞收敛监测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设备安装；(2)数据采集；(3)初设最优平面方程；(4)建立优化目标函数；(5)求解最优平面；(6)坐标空间转换；针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立求取最优监测平面的优化目标函数；并基于所得最优平面，将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。

【技术特征摘要】
1.一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设备安装；(2)数据采集；(3)初设最优平面方程；(4)建立优化目标函数；(5)求解最优平面；(6)坐标空间转换；针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立求取最优监测平面的优化目标函数；并基于所得最优平面，将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。2.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，所述设备为隧道断面监测系统。3.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，步骤(1)中，设备安装的步骤为：a.测点锚头埋设；b.测臂组装；c.采集箱安装；d.传感器与测控软件调试。4.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，步骤(2)数据采集的方法为：在隧道断面监测系统全部安装完成后，进行初始量测，并记录各测臂角度传感器与位移传感器所输出的初始电压值，再求出倾角与位移的初始值，在隧道断面监测系统正常工作后，将由角度传感器与位移传感器所测倾角θ与位移值L减去各自初始值，即可分别求出相应测臂转角变化量与长度变化量。5.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，步骤(3)初设最优平面方程为：a0+a1X+a2Y＝0，式中，a0，a1，a2均为平面方程参数。6.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李二兵，高磊，濮仕坤，段建立，王健，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32