【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工程测量，更具体地说，涉及一种隧道的面变形监测装置及其监测方法，适合于隧道变形监测，包括拱顶下沉与周边收敛的观测与分析。
技术介绍
1、目前三维激光扫描仪用于隧道的超欠挖测量代替以往的隧道断面检测仪，以面测量代替点测量大大提高了隧道断面测量的密度和精度。三维激光扫描仪又分为固定型和移动型，固定型同全站仪或经纬仪一样架在固定位置；移动型可以做成背包外观单人背包使用，或者做成车载和机载使用，在移动中需要利用惯性系统测定设备姿态和gps测定移动的位置，结构复杂价格也贵，精度也不如固定型。
2、隧道的变形监测包括洞内的拱下沉与周边收敛测量，洞外的地表沉降测量。对于洞内的变形监测主要采用全站仪、精密水准仪、收敛计等，目前主要采用精密水准仪或全站仪测量拱顶下沉，全站仪坐标法测量周边收敛。全站仪三维坐标的测量可同时测量隧道的拱顶下沉与周边收敛，但精度不如精密水准和收敛计，为了提高精度都采用多测回法进行测量再取平均值。精密水准仪测量拱顶下沉与收敛计测量周边收敛相结合的方法也是常用的方法，优点是精度高，缺点是需要施工机械如装载机的配合，对于洞内开挖到一定的高度，3m长的水准尺长度不够，采用精密水准法需要挂钢尺代替水准尺，测量精度有所下降，还需要施工机械配合，周边收敛也需要施工机械配合，速度慢、效率低。全站仪三维坐标测量的方法直接测量观测点的三维坐标，再以多测回的三维坐标高程差平均值计算沉降量，周边收敛利用多测回的周边观测点坐标反算斜距或平距计算周边点收敛值。这种方法具有速度快、效率高的优点，但精度有限，需要精度较高的全站
3、以上方法都是点测量的方法，测量点有限，只能测量局部的拱顶下沉与周边收敛，且容易丢失局部变形量异常点位，测量精度和准确性上都有不足，随着测量仪器的发展，生产实践对于隧道的变形监测提出了更高要求。
4、经检索，公开号cn207798023u的专利提供了一种隧道断面变形监测系统，包括主控制器和设置在隧道内的多个子监测装置，子监测装置沿隧道的长度方向布设，子监测装置包括与主控制器通信连接的子控制器、第一激光测距传感器、第二激光测距传感器和存储器；第一激光测距传感器用于监测隧道拱顶的位移，第二激光测距传感器用于监测隧道侧壁的位移，子控制器对隧道拱顶的位移监测值和位移设定值进行比较、对隧道侧壁的位移监测值和隧道侧壁的位移设定值进行比较，为施工提供预警。公开号cn113074653a的专利提供了一种隧道断面变形监测装置，安装座上设有报警单元、处理单元和多个激光测距单元，激光测距单元配套设有多个位于隧道内壁上的反射单元，反射单元沿着隧道径向布设；激光测距单元向反射单元发射测量信号并接收反射回来的回波信号，激光测距单元将回波信号发送至处理单元，处理单元根据回波信号计算距离值；处理单元将第一次计算距离值作为参照值，处理单元将后续计算得到的激光测距单元对应的距离值与对应的参照值作差得到差值，处理单元判断差值是否位于沉降范围内，若否，处理单元向报警单元发送报警信号进行报警。以上方案也涉及到对隧道的面变形监测，但其实践效果仍有待进一步提升。
技术实现思路
1、1.专利技术要解决的技术问题
2、针对现有技术中隧道面变形监测精确性不高、容易丢失局部变形量异常点位的情况，本专利技术拟提供一种隧道的面变形监测装置及其监测方法，该方法采用激光扫描技术使监测工作更能代表隧道开挖面的实际变形情况，消除了点测量中丢失局部变形量异常的部位的缺点；进一步采用了三光激光，利用不同色激光对初支混凝土表面对不同色激光反射强度比估算初支混凝土不同时间的含水量变化，为初支混凝土配合比设计提供参考。
3、2.技术方案
4、为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：
5、本专利技术的一种隧道的面变形监测装置，包括激光扫描仪，激光扫描仪安装于支架上，并通过支架底部的支撑盘固定安装，激光扫描仪的可旋转球面上设有多组测距单元，测距单元在可旋转球面上按惭开线排列形成测距阵列，测距方向为球面点的发线。
6、更进一步地，测距单元采用三种不同波长的激光扫描，包括红色激光测距单元、绿色激光测距单元、蓝色激光测距单元，三种激光测距单元相间沿球面渐开线布置，每一个测距单元都有独立编号“地址”以区别不同的激光色。
7、本专利技术的面变形监测装置，与固定式三维激光扫描仪原理相同，不同的采用了多组三色激光扫描头。内部具有绝对编码的电子水平、竖直度盘，可以利用手机app蓝牙连接本装置查看本装置整平后所在的水平角与竖直角，0方向为本装置激光扫描仪的球心旋转轴沿任意一端，也可以利用app设定为激光扫描仪球心转轴另一端为水平0方向，当转轴水平时的竖角为0度方向。
8、更进一步地，还包括控制点标志，控制点标志为球形反射面，球心三维坐标点的坐标。控制点标志是固定式三维扫描扫描仪的标靶，具体标靶杆与支撑，与全站仪的对中杆一样，只是上部为一反射球，利用全站仪测球心三维坐标，不需要置平对中，没有圆气泡。
9、更进一步地，还包括pc上的数据处理系统与安装于手机内的app系统，激光扫描仪内具有数据通讯装置，激光扫描仪利用数据通讯装置蓝牙接口连接手机app，手机app用于对激光扫描仪的功能进行设定；数据处理系统利用存贮卡读卡器导入数据或利用手机app下载的数据，利用每次测量的控制点标志的中心三维坐标及测量时间，生成各大时间点的隧道断面三维实测模型。
10、本专利技术同时提供一种隧道的面变形监测方法，在隧道内长度方向的左右两侧同时安装多组上述的面变形监测装置，左右两侧同时测量，施工设备从中间行驶，左侧监测装置只遮挡右半部分，右侧监测装置只遮挡左半部分，数据处理时左侧取左侧扫描的半隧道数据模型，右侧的取右侧扫描的半隧道模型，左右重叠部分不少于0.3m；将模型利用控制点标志拼接成整体。
11、三维坐标模型利用专用app后处理生成，app先利用几个控制点标志球心的三维坐标，再利用三维扫描仪所测的相对的点云数据(以扫描仪架设时任意的水平角度、竖直角度与所测的斜距)，利用控制点标志三维坐标所测的水平、竖角角度、斜距加控制点标志球半径和控制点标志三维坐标反算面扫描仪相位中心的三维坐标与0方向(水平与竖角为0度方向)的方位角，再修正所测点云数据的实际方位角与斜距计算点云数据的实际三维坐标生成模型。
12、更进一步地，光的三原色激光测距单元相间排列，每一个测距单元都有独立编号“地址”以区别不同的激光色，利用不同色的激光束在同一气象条件下测距接收相近的三维坐标点反射信号强弱区别初支混凝土的潮湿程度，实际记录的点云数据中包括测距单元激光束色编码和反射信号强度的编码，利用混凝土对不同色相对激光束的反射与吸收量计算混凝土的含水量，以分析多次喷浆位置与范围，从而对面监测模型进行区分。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：包括激光扫描仪，激光扫描仪安装于支架(3)上，并通过支架(3)底部的支撑盘(4)固定安装，激光扫描仪的可旋转球面(2)上设有多组测距单元(1)，测距单元(1)在可旋转球面(2)上按惭开线排列形成测距阵列，测距方向为球面点的发线。
2.根据权利要求1所述的一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：测距单元(1)采用三种不同波长的激光扫描，包括红色激光测距单元(11)、绿色激光测距单元(12)、蓝色激光测距单元(13)，三种激光测距单元相间沿球面渐开线布置，每一个测距单元(1)都有独立编号“地址”以区别不同的激光色。
3.根据权利要求1所述的一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：还包括控制点标志(6)，控制点标志(6)为球形反射面，球心三维坐标点的坐标。
4.根据权利要求3所述的一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：还包括PC上的数据处理系统与安装于手机内的APP系统，激光扫描仪内具有数据通讯装置，激光扫描仪利用数据通讯装置蓝牙接口连接手机APP，手机APP用于对激光扫描仪的功能进行设定；数据处理系统利用存贮卡
5.一种隧道的面变形监测方法，其特征在于：在隧道内长度方向的左右两侧同时安装多组面变形监测装置，左右两侧同时测量，施工设备从中间行驶，左侧监测装置只遮挡右半部分，右侧监测装置只遮挡左半部分，数据处理时左侧取左侧扫描的半隧道数据模型，右侧的取右侧扫描的半隧道模型，左右重叠部分不少于0.3m；将模型利用控制点标志(6)拼接成整体。
6.根据权利要求5所述的一种隧道的面变形监测方法，其特征在于：光的三原色激光测距单元相间排列，每一个测距单元(1)都有独立编号“地址”以区别不同的激光色，利用不同色的激光束在同一气象条件下测距接收相近的三维坐标点反射信号强弱区别初支混凝土的潮湿程度，实际记录的点云数据中包括测距单元激光束色编码和反射信号强度的编码，利用混凝土对不同色相对激光束的反射与吸收量计算混凝土的含水量，以分析多次喷浆位置与范围，从而对面监测模型进行区分。
7.根据权利要求5所述的一种隧道的面变形监测方法，其特征在于：利用控制点标志(6)的坐标进行重定向，将不同时间的模型叠加，模型的交集为不同部位的变形量；系统设定将变形量超过的允许范围进行显示以利于技术人员进行数据的分析。
8.根据权利要求5所述的一种隧道的面变形监测方法，其特征在于：不是整点采样点的时间利用计算机的插值算法生成模型。
...【技术特征摘要】
1.一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：包括激光扫描仪，激光扫描仪安装于支架(3)上，并通过支架(3)底部的支撑盘(4)固定安装，激光扫描仪的可旋转球面(2)上设有多组测距单元(1)，测距单元(1)在可旋转球面(2)上按惭开线排列形成测距阵列，测距方向为球面点的发线。
2.根据权利要求1所述的一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：测距单元(1)采用三种不同波长的激光扫描，包括红色激光测距单元(11)、绿色激光测距单元(12)、蓝色激光测距单元(13)，三种激光测距单元相间沿球面渐开线布置，每一个测距单元(1)都有独立编号“地址”以区别不同的激光色。
3.根据权利要求1所述的一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：还包括控制点标志(6)，控制点标志(6)为球形反射面，球心三维坐标点的坐标。
4.根据权利要求3所述的一种隧道的面变形监测装置，其特征在于：还包括pc上的数据处理系统与安装于手机内的app系统，激光扫描仪内具有数据通讯装置，激光扫描仪利用数据通讯装置蓝牙接口连接手机app，手机app用于对激光扫描仪的功能进行设定；数据处理系统利用存贮卡读卡器导入数据或利用手机app下载的数据，利用每次测量的多个控制点标志(6)的中心三维坐标及测量时间，app系统再利用已知的球面半径加上所测的斜距计算与所测的角度计算面扫描仪相位中心三维坐标与各控制点的方位角，又称后方交会，再利用面扫描仪相位中心的三维坐标与控制点的方位角计...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈曙霞，胡义，肖小刘，李新文，赵国辉，陈波，郝泰，
申请(专利权)人：中国十七冶集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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