CN102692210B - 定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，采用根据隧道设计轴线和其他相关资料自动计算需观测断面测量点的坐标参数并结合全站仪的马达控制和免棱镜功能实现无需对观测隧道进行外业放样和做标记工作；采用后方交会法定位，必要时结合行走小车进行控制实现全站仪快速定位，减少搬站或不搬站；由于是定点扫描，扫描点不多，速度较快，同时在已有的全站仪上实现成本不高，使得测量速度快、成本不高。

Description

定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，尤其是一种实现定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量的技术。

背景技术

地铁作为新型交通工具正不断改善城市交通拥挤状况和人们出行条件。

在地铁隧道工程的施工中及贯通后，包括运营阶段，均需要对隧道的成型衬砌进行收敛监测和净空测量等工作。目前国内主要采用的传统的测量方法包括人工测量、断面仪施测、类断面仪的全站仪辅助机载软件等方法，在国外，伴随着激光测量技术的发展，对于隧道的断面测量及其他监测工作，出现了采用三维激光扫描仪的方法，其中：

1)人工测量方法

根据需测的断面参数对每个需要观察的隧道断面点进行人工放样，并把隧道的设计线路中心放样到隧道底板上，再采用人工的方法量取断面测点并测定所述断面测点的高程和顶底板高程。

该方法的缺陷很明显，每个观测断面的观测点和隧道设计线路中心均需要进行人工放样外业工作量巨大，由于是采用量取距离的方法所以精度不高。

2)断面仪施测办法

在每个需要观察的隧道断面上，把隧道的设计线路中心放样到隧道底板上，再在放样的隧道设计线路中心点上架设断面仪进行扫描观测，有专门的内业处理软件。

该方法无需对观测断面的观测点进行放样，相比人工测量要简便，但仍然要进行每个观测断面的隧道设计线路中心点的放样，且每个观测断面均需要架站，外业工作量仍然不小。内业由于可以采用相关软件实现，较简便。由于目前的断面仪精度精度均不高，且放样后再架站同样也影响观测精度，因而成果精度一般。

3)全站仪辅助机载断面软件技术

该技术方法的工作原理与断面仪基本一致，全站仪辅助机载软件技术是把部分可程序化的工作通过专有工具编程并录入全站仪，从而辅助测量工作，同时还可结合后处理软件简化数据处理的工作，由于全站仪可以在施工中发挥其他测量作用，而断面仪只能用于测断面，因而相对而言成本低于断面仪，且全站仪的精度要高于断面仪，因而精度较高，但是，搬站次数多、外业工作量大、自动化程度不高。

4)三维激光扫描技术

该技术具有三维测量和快速扫描的特征，成果为点云的形式，单个点的成果精度一般，但由于观测成果海量，结合相应软件可以实现较高精度，且采集数度快、数据完整、外业工作量小、数据后处理方便。但该技术的软硬件成本十分高昂，其单站扫描长度也不宜过长，不然精度衰减的较快，一般50左右就要换站，换站工作量仍然不小。

针对现有技术存在的各种缺陷，本发明需实现的目标主要有：少架站或不架站，可快速自动定位；无需对观测隧道进行外业放样和做标记工作，通过预先输入的数据实现测点的自动查找和测量；定点扫描提高观测速度、在全站仪上开发成本不高；如采用行走小车可实现自动行走，全过程无人干预。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种内外业工作量低、速度快、成本不高的实现隧道断面监测和净空测量方法。

为实现上述技术效果，本发明公开了一种定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量方法，所述测量方法主要包括以下步骤：

a.在初始位置架设一全站仪，基于隧道施工时布设的控制点对所述全站仪进行定位；

b.结合所述全站仪的定位数据与预存的隧道结构数据计算出该初始位置测量点的空间坐标，控制所述全站仪指向所述测量点完成测量；

c.移动所述全站仪至下一测量位置，重复上述步骤a、b；

d.到达终点，完成整个隧道的测量；

所述预存的隧道结构数据包括隧道的DTA数据、设计的管片参数、断面测点的尺寸参数、实际管片偏差尺寸；

其中，上述步骤b进一步包括以下步骤：

给定一测量断面；

查找所述测量断面的里程在隧道中心DTA数据表中的里程位置，根据所述里程及隧道中心DTA数据表计算出所述里程的隧道中心设计坐标及切向方位角；

根据所述测量断面的管片偏差及椭圆度表对所述隧道中心设计坐标进行修正；

把修正后的所述隧道中心设计坐标看成椭圆的中心点，并以所述测量断面的水平轴为横轴建立平面直角坐标系来计算所述测量断面上需观测的所述测量点的放样坐标；

控制所述全站仪指向所述测量点的放样坐标获得所述测量点的实际坐标。

本发明进一步的改进在于，所述全站仪架设于一小车上，在移动中定时采集小车的行进数据，利用惯性制导技术控制小车移动至测量位置，并对所述全站仪进行定位；使用棱镜锁定功能，在所述小车移动中跟踪一个控制点，提高全站仪的定位速度。

本发明进一步的改进在于，所述小车的行进数据包括方位、坡度、滚角变化量、行程。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是：采用根据隧道设计轴线和其他相关资料自动计算需观测断面测量点的坐标参数并结合全站仪的马达控制和免棱镜功能实现无需对观测隧道进行外业放样和做标记工作；采用后方交会法定位，必要时结合行走小车进行控制实现全站仪快速定位，减少搬站或不搬站；由于是定点扫描，扫描点不多，速度较快，同时在已有的全站仪上实现成本不高，使得测量速度快、成本不高。

具体实施方式

为利于对本发明结构的进一步了解，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量系统主要包括一带ATR功能的全站仪、架设全站仪的自动安平装置、一电池驱动小车及安装在所述小车上的陀螺传感器、双轴传感器、PLC模块、微型PC，和复数定位棱镜及无线模块。

本发明的定点扫描式快速隧道断面净空测量及收敛测量系统主要通过以下步骤实现对隧道断面净空测量及收敛测量：

第一步：全站仪自动定位

该步骤为系统的核心步骤之一，是系统能够实现的基础。由于在隧道施工中，已经建立了对于整条隧道都没有盲点的控制点，即在隧道中线任意里程处都至少可以观测到两个控制点，否则将无法正常指导隧道施工。而理论上，带ATR功能的全站仪通过快速全范围搜索功能，只要搜索到空间上两点并测量(控制点高程不相等)，通过与输入系统的控制点坐标表的比对，利用空间关系进行判读，就可以实现全站仪的定位——确定全站仪当前的三维空间坐标和方位。在具体设计中，该步骤又可分为初始定位步骤和动态定位步骤，初始定位是实现系统刚刚进入隧道工作环境的定位，为了保证精度和准确性，要求系统可搜索到的控制点为三个，从而使判读条件充分，甚至冗余。动态定位是在系统行走之后进行的，依据惯性制导的原理，全站仪的坐标和方位都可获取，只是精度较低，此时，只需要在可视范围内搜索到两个目标即可。

其中，全站仪定位的计算如下：

1、控制点比对：

在隧道中线任意里程处建立至少两个控制点，于所述控制点上架设棱镜，根据全站仪在搜索到控制点后，用当前任意坐标系测量出的坐标来计算两控制点的空间边长(假定只搜索到两个控制点)，与所有控制点的空间边长进行比对，并结合控制点的高程信息，就可以准确定所搜索到得控制点的坐标。在初始定位时，规定要搜索三个控制点，是为了避免有两个控制点高程一致的情况。

数学模型为： $s_0=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2+{(z_1-z_2)}^2}$

2、全站仪自由设站及测量三维坐标的算法：

以两后视点自由设站定位的方法为例，三个点的方法类似，只是对结果进行平差处理，两个后视点的自由设站的计算方法。

两个后视测点的坐标为：(X₁，Y₁，Z₁)、(X₂，Y₂，Z₂)，观测的两个边长分别为S₁、S₂，夹角为β，由两个后视点观测的高差分别为h₁、h₂，则两个后视点的自由设站的计算方法如下：

$C=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2+{(Y_1-Y_2)}^2};$ $C^{\text{'}}=\sqrt{(S_1^2+S_2^2-{2S}_1\·S_2\·\cos \mathrm{\β}}$

${\mathrm{\β}}_1=\arcsin \frac{S_1\·\sin \mathrm{\β}}{C};$ ${\mathrm{\β}}_2=\arcsin \frac{S_2\·\sin \mathrm{\β}}{C};$ ${\mathrm{\α}}_0=\arctan \left[\frac{(Y_1-Y_2)}{(X_1-X_2)}\right]$

X₁－X₂＞0        $\left\{\begin{array}{c}{Y}_1-Y_2\&GreaterEqual;0\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_0={\mathrm{\&alpha;}}_0\\ Y_1-Y_2<0\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_0=2\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&alpha;}}_0\end{array}\right.$

X₁－X₂＝0     $\left\{\begin{array}{c}{Y}_1-Y_2\&GreaterEqual;0\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ Y_1-Y_2<0\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_0=\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2}\end{array}\right.$

X₁－X₂＜0        $\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_0=\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&alpha;}}_0$

α₁＝α₀+β₂±π(α₀+β₂>π为-)； ${\mathrm{\&alpha;}}_1={\mathrm{\&alpha;}}_0-{\mathrm{\&beta;}}_1({\mathrm{\&alpha;}}_1<0\&DoubleRightArrow;{\mathrm{\&alpha;}}_1={\mathrm{\&alpha;}}_1+2\mathrm{\&pi;})$

X_测＝(X₁+X₂)+(S₁×cosα₁+S₂×cosα₂)/2；Y_测＝(Y₁+Y₂)/2+(S₁×sinα₁+S₂×sinα₂)/2

Z_测＝(Z₁+Z₂)/2+(h₁+h₂)/2

第二步：断面测点虚拟放样及测量

在该步骤中系统实现断面测点的自动测量工作，由于全站仪的坐标和方位已经确定，且隧道的DTA数据、设计的管片(衬砌)参数、断面测点的尺寸参数、实际管片(衬砌)偏差尺寸等等都预先输入系统数据库中，通过这些数据的结合运算可以得出全站仪需要测量点的空间坐标，这样就可以用指令控制带马达全站仪指向目标点，并用红激光免棱镜功能测量，结果反馈回系统判读，条件可以是计算的里程与需测断面里程的差值，并据差值进行修正后二次虚拟放样测量。

其中，断面测点虚拟放样及测量的计算如下：

以某一个需要测量的断面为例，假定其断面参数表的数据如下：

断面参数表：

注：以断面的右点为0点，沿逆时针角度递增。

该测量断面的管片偏差及椭圆度表如下：

管片偏差及椭圆度表：

环号	管片里程	平偏	高偏	水平直径	垂直直径
						No	k	Δ1	Δ2	2R1	2R2

隧道中心DTA数据表以0.5米为间隔，首先，根据需测断面的里程及隧道中心DTA数据表计算出该里程的隧道中心设计坐标(X₀，Y₀，Z₀)及切向方位角α₀，具体计算方法如下：

先查找到该断面里程在隧道中心DTA数据表中的里程位置，查找条件为：K>K_n且K≤K_n+1，其中里程K_n对应的坐标为(X_n，Y_n，Z_n)，里程K_n+1对应的坐标为(X_n+1，Y_n+1，Z_n+1)，应用内插的方法可以很方便地计算出里程K对应的坐标(X₀，Y₀，Z₀)及切向方位角α₀。

首先，切向方位角的计算如下：

(进行方位角的象限判定，此次略)

Χ₀＝Χ_n+(k-k_n)×cosα₀；Y₀＝Y_n+(k-k_n)×sinα₀

Z₀＝Z_n+(k-k_n)×(Z_n+1-Z_n)/(k_n+1-k_n)

然后再根据管片偏差及椭圆度表对该里程断面的中心点坐标进行修正，修正计算如下：

$X_0=X_0+{\mathrm{\&Delta;}}_1\&times;\cos ({\mathrm{\&alpha;}}_0+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2});$ $Y_0=Y_0+{\mathrm{\&Delta;}}_1\&times;\sin ({\mathrm{\&alpha;}}_0+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2});$ Z₀＝Z₀+Δ₂

然后把施工后的隧道断面形状看成椭圆来计算其断面上需观测点的放样假定坐标。可以把修正后的(X₀，Y₀，Z₀)看成椭圆的中心点，并以断面的水平轴为横轴建立平面直角坐标系，则放样坐标计算如下(仅仅以左上点为例)：

$r=\frac{R_1\&CenterDot;R_2}{\sqrt{R_2^2{\cos }^2{\mathrm{\&alpha;}}_1+R_1^2{\sin }^2{\mathrm{\&alpha;}}_1}};$ s＝r·cosα₁；h＝r·sinα₁

$X=X_0+s\&times;\cos ({\mathrm{\&alpha;}}_0+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2});$ $Y=Y_0+s\&times;\sin ({\mathrm{\&alpha;}}_0+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2});$ Z＝Z₀+h

有了放样坐标就可以控制全站仪对目标进行自动测量，测量的坐标可以直接获取。

第三步：通过计算断面测点的实际坐标与线路中心DTA的偏差得出一测量区域内断面的成果报告。

第四步：自动行走

该步骤为附加步骤，如果隧道较短，隧道内的工况环境较好时，可以人工架站实现，且全站仪激光测距距离较长架站数不多，如果在特别复杂困难的条件下可以采用该功能实现免换站。由于受到通视条件的限制和红激光测距对入射角有要求(当>85°不能测量)，全站仪必须进行移站，可以是人工干预，也可设计采用电瓶驱动小车来完成。作为本发明一较佳实施方式，将全站仪架设于一小车上，为了确定移动中的全站仪坐标及方位，要在小车上加装同轴的陀螺传感器和坡度、滚角双轴传感器及装在轮子上的行程传感器(记录轮子滚动的圈数来计算)，利用惯性制导技术，确定全站仪的实时坐标，同时为全站仪加装自动安平装置，并使用棱镜锁定功能，在行走时跟踪一个控制点，从而提高系统在下一次全站仪定位时的速度。为了解决小车行走方向控制的问题(针对轮式小车，轨道式小车只需要考虑驱动与制动)，必须在小车上加装plc，和转向控制开关和转向装置(有左转、右转、直行三种选择，并且前轮可转动角度是固定)以及微型PC，通过把所有采集数据传输到小车上的PC，可计算出全站仪的实时坐标，并与DTA比对，从而给予小车于控制方向，并在到达设定里程位置制动。

其中，惯性制导方式的计算如下：

当全站仪初始定位好后，可以计算出全站仪坐标及行程小车的方位，通过在行进中定时采集的方位、坡度、滚角变化量、行程，可以定时计算出准确的全站仪坐标和行程小车方位，并不断进行增量累加，采用的数学模型是空间直线坐标方程，这里不进行描述。有了全站仪的坐标结合隧道中心DTA坐标表，就可计算出全站仪相对于隧道轴线的偏离量了。

第五步：数据处理

通过全站仪移站监测完成对整条隧道的监测后，完成系统的所有数据输入、计算、输出，包括有系统数据管理子模块、全站仪定位计算子模块、断面放样测点假定坐标计算子模块、断面成果处理子模块、全站仪与隧道轴线偏差计算子模块等等。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种定点扫描式快速隧道成型衬砌断面净空测量及收敛测量方法，其特征在于所述定点扫描式快速隧道成型衬砌断面净空测量及收敛测量方法主要包括以下步骤：

a.在初始位置架设一全站仪，基于隧道施工时布设的控制点对所述全站仪进行定位；

b.结合所述全站仪的定位数据与预存的隧道结构数据计算出该初始位置测量点的空间坐标，控制所述全站仪指向所述测量点完成测量；

c.移动所述全站仪至下一测量位置，重复上述步骤a、b；

d.到达终点，完成整个隧道的测量；

所述预存的隧道结构数据包括隧道的DTA数据、设计的管片参数、断面测点的尺寸参数、实际管片偏差尺寸；

其中，上述步骤b进一步包括以下步骤：

给定一测量断面；

查找所述测量断面的里程在隧道中心DTA数据表中的里程位置，根据所述里程及隧道中心DTA数据表计算出所述里程的隧道中心设计坐标及切向方位角；

根据所述测量断面的管片偏差及椭圆度表对所述隧道中心设计坐标进行修正；

把修正后的所述隧道中心设计坐标看成椭圆的中心点，并以所述测量断面的水平轴为横轴建立平面直角坐标系来计算所述测量断面上需观测的所述测量点的放样坐标；

控制所述全站仪指向所述测量点的放样坐标获得所述测量点的实际坐标。

2.如权利要求1所述的定点扫描式快速隧道成型衬砌断面净空测量及收敛测量方法，其特征在于：所述全站仪架设于一小车上，在移动中定时采集小车的行进数据，利用惯性制导技术控制小车移动至测量位置，并对所述全站仪进行定位；使用棱镜锁定功能，在所述小车移动中跟踪一个控制点，提高全站仪的定位速度。

3.如权利要求2所述的定点扫描式快速隧道成型衬砌断面净空测量及收敛测量方法，其特征在于：所述小车的行进数据包括方位、坡度、滚角变化量、行程。