一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备及方法，其包括能在隧道内纵向自由移动的监测台车，在监测台车上设有多件与后台处理系统相连的激光射线装置，多件激光射线装置按设定程序协同对支护结构拱顶至拱脚全范围进行相对密集的点激光巡回测量工作，进而通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状；再通过后台处理系统提取监测断面相应特征点的坐标信息并进行坐标换算，可得到施工过程所需要的支护结构变形数据，实现隧道的全方位实时监测及预警。本发明专利技术通操作简便，结构简单，成本低廉，操作灵活性好，可靠性强，功能齐全，推广性高。推广性高。推广性高。

An automatic monitoring and measuring device and method for tunnel based on scatter fitting measurement

【技术实现步骤摘要】
一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备及方法，属于隧道工程建设


技术介绍

[0002]作为隧道新奥法施工的重要手段，隧道监控量测的重要性不言而喻。通过监控量测手段动态监测初期支护的变形情况，可科学了解隧道支护结构与围岩的力学作用关系，掌握初期支护结构的稳定性情况，并为隧道动态设计和信息化施工提供必要的技术资料。可以说，监控量测是隧道建设过程中至关重要的技术手段，也是保证隧道施工安全的信息化武器。目前隧道监控量测工作一般是通过人工使用全站仪、水准仪或收敛计等测量仪器开展的，其在理论上可满足相关的监测要求，但受人为因素影响，不可避免的存在着监测频率过低、监测数据容易失真等现实问题，从而无法有效反映支护结构的动态变形情况。同时，现有监测数据的分析工作大多仍由人工组织开展，因而监测分析结果也受到了人为不确定因素的干扰。此外，当隧道初期支护出现开裂变形情况时，派遣测量人员进入洞内开展变形情况量测工作本身也存在一定的安全风险。
[0003]可以看出，以人工形式开展监控量测工作存在着不容忽视的弊端，而目前市场上现有的隧道自动监控量测系统则存在着设备功能简陋、仪器费用昂贵、实用性较低等诸多问题，导致实际使用效果欠差。鉴于上述考虑，研究一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控量测设备及方法已经成为工程界亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备及方法，可以克服现有技术的不足。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其包括能在隧道内纵向自由移动的监测台车，在监测台车上设有多件激光射线装置，所述激光射线装置与后台处理系统电信相连；所述激光射线装置用于对支护结构拱顶至拱脚全范围进行相对密集的点激光巡回测量工作，采集监测散点的坐标信息，所述后台处理系统用于通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状，并提取相应特征点的坐标信息并进行坐标换算，可得到施工过程所需要的支护结构变形数据，发出对应等级的预警信息。
[0007]前述监测台车包括与隧道轮廓相对应的拱形桁架，拱形桁架底部设有行走机构及振动监测仪器；所述激光射线装置为多件环形布设在拱形桁架的前侧面上，以实现对监测台车前方隧道轮廓的全方位检测。
[0008]前述激光射线装置包括激光射线头，激光射线头通过能实现其横向偏角和竖向偏角两个方向自由度调节的固定架与拱形桁架相连接。
[0009]一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其包括以下步骤：
[0010]s1、根据现场施工需要，在隧道支护结构表面设置多个监测分区；
[0011]s2、通过巡检方式对监测分区进行相对密集的点激光巡回测量工作，采集监测散点的坐标信息，并通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状；
[0012]s3、获取特定监测断面轮廓形状上特定特征点在不同时间点的坐标信息，计算提取出所需要的初期支护变形数据；
[0013]s4、制定相应的支护结构变形风险判定准则，以及相应的预警等级、自动应急措施。
[0014]前述的方法，所述监测分区沿隧道纵向设置多环，每环上的监测分区沿隧道轮廓拱顶至拱脚全范围设置，并且相邻监测分区的纵向位置一一相对，使其构成多条纵向监测区。
[0015]前述的方法，采集隧道测量坐标系以及监测散点的单位坐标系，所述的隧道测量坐标系与项目的施工控制网坐标系保持一致；所述的监测散点的单位坐标系以监测散点所在线位的切线线路方向为y轴的正向，竖直方向为z轴方向，其后根据右手定律确定x轴方向；
[0016]通过免棱镜的测量技术，在后台处理系统内设置相关监测散点的分布规律，采用激光射线装置按相应的分布规律进行点激光巡回测量，得到密集的点坐标，并用其拟合特定断面的隧道轮廓形状，通过多个拟合得到的断面轮廓形状进一步拟合得到三维的隧道空间形状。
[0017]前述的方法，密集点坐标的采集步骤如下：
[0018]s2.1、针对每条纵向监测区，设置与之位置相对的激光射线装置，对各台激光射线装置进行编号，采用全站仪测量得到各台激光射线装置的绝对坐标值(x
Qm
，y
Qm
，z
Qm
)，x
Qm
、y
Qm
、z
Qm
分别为激光射线装置Q在监测台车第m次移动位置上x、y、z坐标值；
[0019]s2.2、监测过程中，有次序的调整激光射线装置的横向偏角β和竖向偏角α，使得监测散点相对均匀的分布在支护结构上；
[0020]s2.3、首先按固定数值调整横向偏角β进行监测分区的一环测点的测量工作，再按不固定角度ζ调整纵向偏角β，使得激光射线装置进入下一环测点位置并进行点激光测量，循环往复，记录激光射线装置Q在监测台车第h移位位置、第m循环监测中，第n环向测线，第k监测散点的监测信息：T
Qhmnk
‑
(x
Qh
+a
Qhmnk
,y
Qh
+b
Qhmnk
，z
Qh
+c
Qhmnk
)；
[0021]s2.4、采用内插的方式，根据前后相邻两条环向测线拟合构建两条环向测线之间特定断面的隧道轮廓形状，使多个拟合的隧道轮廓形状的纵向间距相等；而在隧道轮廓形状上，特定坐标点的坐标信息为前后环向测线上对应监测散点坐标的平均值。
[0022]前述的方法，采用先调整横向角度，后调整纵向角度的监测散点布置方式，可使得相邻监测散点的监测时间差相对最小，具体调控过程为：
[0023](1)初始状态下，纵向角度归零至90度，横向角度调整至所属环向测量分区横向偏角的中间值，并测量巡回监测的测量偏距为D
Q
；
[0024](2)横向角度调整至环向测量分区横向偏角的下限数值，进行点激光测量，其后按固定数值逐步调整横向偏角至环向测量分区横向偏角的上限数值，每个调整点均进行点激光测量工作，此时完成第一纵向角度断面的全部测量工作；再按不固定角度ζ调整纵向偏角至下一个数值，继续进行点激光测量；循环往复
…
[0025](3)当纵向偏角调整到极限值并完成测量后，一次性调整激光射线装置返回初始状态，即纵向角度归零至90度，横向角度归零至环向测量分区横向偏角的下限数值，并继而开始下一巡回监测工作。
[0026]前述的方法，所述横向偏角的调整固定数为1度
‑
5度，根据实际需要由后台程序设定；
[0027]纵向偏角的不固定角度ζ计算公式为：
[0028]ζ1＝arctan(B/D
Q
)
[0029]ζ2＝arctan(2*B/D
Q
)
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其特征在于，包括能在隧道内纵向自由移动的监测台车(1)，在监测台车(1)上设有多件激光射线装置(2)，所述激光射线装置(2)与后台处理系统电信连接；所述激光射线装置(2)用于对支护结构拱顶至拱脚全范围进行相对密集的点激光巡回测量工作，采集监测散点的坐标信息，所述后台处理系统用于通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状，并提取相应特征点的坐标信息并进行坐标换算，可得到施工过程所需要的支护结构变形数据，发出对应等级的预警信息。2.根据权利要求2所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其特征在于：所述监测台车(1)包括与隧道轮廓相对应的拱形桁架(101)，拱形桁架(101)底部设有行走机构(102)；所述激光射线装置(2)为多件环形布设在拱形桁架(101)的前侧面上，以实现对监测台车(1)前方隧道轮廓的全方位检测。3.根据权利要求2所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其特征在于：所述激光射线装置(2)包括激光射线头(201)，激光射线头(201)通过能实现其横向偏角和竖向偏角调节的固定架与拱形桁架(101)相连接。4.一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据现场施工需要，在隧道支护结构表面设置多个监测分区；s2、通过巡检方式对监测分区进行相对密集的点激光巡回测量工作，采集监测散点的坐标信息，并通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状；s3、获取特定监测断面轮廓形状上特定特征点在不同时间点的坐标信息，计算提取出所需要的初期支护变形数据；s4、制定相应的支护结构变形风险判定准则，以及相应的预警等级、自动应急措施。5.根据权利要求4所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：所述监测分区沿隧道纵向设置多环，每环上的监测分区沿隧道轮廓拱顶至拱脚全范围设置，并且相邻监测分区的纵向位置一一相对，使其构成多条纵向监测区。6.根据权利要求5所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：采集隧道测量坐标系以及监测散点的单位坐标系，所述的隧道测量坐标系与项目的施工控制网坐标系保持一致；所述的监测散点的单位坐标系以监测散点所在线位的切线线路方向为y轴的正向，竖直方向为z轴方向，其后根据右手定律确定x轴方向；通过免棱镜的测量技术，在后台处理系统内设置相关监测散点的分布规律，采用激光射线装置按相应的分布规律进行点激光巡回测量，得到密集的点坐标，并用其拟合特定断面的隧道轮廓形状，通过多个拟合得到的断面轮廓形状进一步拟合得到三维的隧道空间形状。7.根据权利要求6所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：密集点坐标的采集步骤如下：s2.1、针对每条纵向监测区，设置与之位置相对的激光射线装置，对各台激光射线装置进行编号，采用全站仪测量得到各台激光射线装置的绝对坐标值(x
Qm
，y
Qm
，z
Qm
)，x
Qm
、y
Qm
、z
Qm
分别为激光射线装置Q在监测台车第m次移动位置上x、y、z坐标值；s2.2、监测过程中，有次序的调整激光射线装置的横向偏角β和竖向偏角α，使得监测散点相对均匀的分布在支护结构上；
s2.3、首先按固定数值调整横向偏角β进行监测分区的一环测点的测量工作，再按不固定角度ζ调整纵向偏角β，使得激光射线装置进入下一环测点位置并进行点激光测量，循环往复，记录激光射线装置Q在监测台车第h移位位置、第m循环监测中，第n环向测线，第k监测散点的监测信息：T
Qhmnk
‑
(x
Qh
+a
Qhmnk
,y
Qh
+b
Qhmnk
，z
Qh
+c
Qhmnk
)；s2.4、采用内插的方式，根据前后相邻两条环向测线拟合构建两条环向测线之间特定断面的隧道轮廓形状，使多个拟合的隧道轮廓形状的纵向间距相等；而在隧道轮廓形状上，特定坐标点的坐标信息为前后环向测线上对应监测散点坐标的平均值。8.根据权利要求7所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：采用先调整横向角度，后调整纵向角度的监测散点布置方式，可使得相邻监测散点的监测时间差相对最小，具体调控过程为：(1)初始状态下，纵向角度归零至90度，横向角度调整至所属环向测量分区横向偏角的中间值，并测量巡回监测的测量偏距为D
Q
；(2)横向角度调整至环向测量分区横向偏角的下限数值，进行点激光测量，其后按固定数值逐步调整横向偏角至环向测量分区横向偏角的上限数值，每个调整点均进行点激光测量工作，此时完成第一纵向角度断面的全部测量工作；再按不固定角度ζ调整纵向偏角至下一个数值，继续进行点激光测量；循环往复
…
(3)当纵向偏角调整到极限值并完成测量后，一次性调整激光射线装置返回初始状态，即纵向角度归零至90度，横向角度归零至环向测量分区横向偏角的下限数值，并继而开始下一巡回监测工作。9.根据权利要求8所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：所述横向偏角的调整固定数为1度
‑
5度，根据实际需要由后台程序设定；纵向偏角的不固定角度ζ计算公式为：ζ1＝arctan(B/D
Q
)ζ2＝arctan(2*B/D
Q
)
‑
ζ1…
ζ
n
＝arctan(n*B/D
Q
)
‑
ζ
(n
‑
1)
式中，B为相邻环监测散点的纵向间距，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡强，李本云，崔炫，李培锋，张安睿，田娇，周刚贵，杨春平，曾仲毅，
申请(专利权)人：贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：