CN103090812A

CN103090812A - 一种隧道变形监测系统及方法

Info

Publication number: CN103090812A
Application number: CN2013100080092A
Authority: CN
Inventors: 张向前; 杨伯钢
Original assignee: BEIJING DICE TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO LTD
Current assignee: BEIJING DICE TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO LTD
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提供一种隧道变形监测方法及系统，包括以下步骤：选择数量型号合适的测距仪和棱镜；对需要测量的线路进行布点，并在每个监测点上安装反射棱镜。根据实际需要测量的维度，在稳定的坐标已知的基准点安装不同数量的测距仪，对反射棱镜进行实时测量，利用测量公式，组成多个方程式，解出每个反射棱镜所在监测点的三维空间坐标。通过计算机操作系统设置测距仪的监测频率，并通过无线传输装置将测距仪所得数据准确及时的传输至软件分析系统。软件分析系统通过比较反射棱镜所在监测点的不同时段的三维坐标，即可计算出隧道该监测点在该时段的变形值和变化速率。

Description

一种隧道变形监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种隧道变形监测方法及系统，尤其涉及一种基于精密距离交汇三维变形监测方法及系统。

背景技术

隧道结构变形监测根据隧道结构设计、国家规范和类似工程的变形监测以及当前隧道所处阶段来确定，主要内容包括：垂直位移监测(区间隧道沉降监测和隧道与地下车站沉降差异监测)；水平位移监测(区间隧道水平位移监测和隧道相对地下车站水平位移监测)；隧道断面收敛变形监测等。

对于不同的隧道结构变形监测项目内容，所用监测方法也不相同。

通常，对于隧道垂直位移和水平位移监测，可通过大地测量或者自动化测量的方法利用精密水准仪、精密全站仪或智能全站仪进行；而对于隧道断面收敛变形监测，则要通过物理量测的方法利用收敛仪(计)进行。隧道垂直位移和水平位移监测通过大地测量或者自动化测量成本较高且精度不高。

发明内容

本发明旨在克服上述缺陷，提供一种测量方法精确、实用性强、全自动化、成本低的测绘系统。

具体的，本发明提供一种隧道变形监测系统，其包括测距仪、反射棱镜、计算机操作系统、无线传输系统及软件分析系统，其中：测距仪、反射棱镜、计算机操作系统和软件分析系统之间通过无线传输系统相互连接。

优选的，所述棱镜包括棱镜本体和支架，通过螺钉将棱镜本体固定在监测点。

一种隧道变形监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择数量型号合适的测距仪和棱镜。

(2)对需要测量的隧道进行布点，并在每个监测特征点上安装反射棱镜。

(3)根据实际需要测量的维度，在稳定的坐标已知的基准点安装不同数量的测距仪，对反射棱镜进行实时测量，利用无线传输系统将测得的数据传至计算机操作系统，计算机操作系统通过已知的三角形斜边长，组成相应的方程组，从而解出每个反射棱镜所在监测点的三维空间坐标。其中，其测量距离公式为：

D = \sqrt{S^{2} - H^{2}}

式中D——测线的水平距离(m)；

S——经气象及加、乘常数等改正后的斜距(m)；

h——仪器的发射中心与反光镜的反射中心之间的高差(m)。

(4)通过计算机操作系统设置测距仪的监测频率，并通过无线传输装置将所得监测点坐标数据准确及时的传输至软件分析系统。

(5)软件分析系统通过比较反射棱镜所在监测点的不同时段的三维坐标，即可计算出隧道该监测点在该时段的变形值和变化速率。

优选的，为了监测一维隧道变形，包括垂直位移监测(区间隧道沉降监测和隧道与地下车站沉降差异监测)和水平位移监测(区间隧道水平位移监测和隧道相对地下车站水平位移)，可以在监测特征点布设反射棱镜，并在反射棱镜的竖直方向或水平方向的稳定已知坐标位置安装一个测距仪，通过三角形斜边长计算出隧道的垂直位移或水平位移。

优选的，为了监测二维隧道变形，可在监测特征点布设反射棱镜，并通过在二维隧道空间稳定位置即在监测点的水平与竖直方向同时安装两个测距仪，这两个测距仪的精确坐标已知，通过三角形边长计算得到每次监测点的位置，通过对比相关数据，得到隧道二维位移的变形值和变化速率。

优选的，为了监测三维隧道变形，则要在监测特征点布设反射棱镜，并通过在三维隧道空间不同方向稳定位置布设3个以上测距仪，并且测距仪所在点的坐标已知，通过空间三角形边长测量距离公式，组成方程组，推算监测点的空间坐标，通过对比相关数据，得到三维隧道变形的变形值和变化速率。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)在监测过程中，可以实时监测隧道空间变形。

(2)该监测系统测试方法简单直观，成本低，操作方便，精度高，稳定性好，对安装测试人员没有很强的技术要求。

(3)该监测系统可以实现隧道三维变形的远距离监测，从而有效的节省了人力、物力和财力。

(4)无线传输系统可以及时监控隧道变形值，从而提高了工作效率，并提高了隧道监控的可实施性。

附图说明

图1为测距系统工作示意图。

图2为反射棱镜示意图。

图3是第一实施例的结构示意图。

图4是第二实施例的结构示意图。

图5是第三实施例的结构示意图。

图6为测量点位置示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种隧道变形监测系统，包括测距仪、反射棱镜、计算机操作系统、无限传输系统及软件分析系统。

(1)其中，测距仪采用相位测距法，首先由测距仪的发光二极管发射不同频率的调制光，设测距仪在A点发出的调制光，被B点反射棱镜反射后，又回到d点，所经过的时间为‘t’，为说明方便起见：将反射棱镜B反回的光波在测距方向上展开，则调制光来回经过20的路程。这样便可以计算出反射棱镜所在监测点的距离，从而确定监测点目标，

测量公式为：L＝ct/2

式中：L为待测目标的距离，t为光信号往返所花的时间，c为光传播速度。

(2)如图1所示，通过计算机操作系统可以设定测距仪的监测频率。

(3)如图2所示，反射棱镜包括棱镜本体(2)及支撑架(1)，通过螺钉将棱镜本体固定在监测特征点上，确保棱镜不受周围环境振动的影响。

(4)无线传输系统采用无线传输及时将所得监测点坐标传输至软件分析系统。

(5)如图1所示，软件分析系统通过比较监测点在不同时段的三维坐标，即可计算出隧道该监测点在该时段的变形值和变化速率，同时，软件分析系统应具有观测数据自动检核、超限数据自动处理、不合格数据自动重测，观测目标被遮挡时，可自动延时观测处理和变形数据自动处理、分析、预报和预警等功能。

一种隧道变形监测的方法，本方法包括以下步骤：

(1)选择数量型号合适的测距仪和棱镜。

(2)如图6所示直线段每隔6米，曲线段每隔5米，对需要测量的隧道进行布点，并在每个监测特征点上安装反射棱镜，变形监测点应设立在能反映监测体变形特征的位置或监测断面上，监测特征点一般选取变形区外较稳定的位置。

(3)根据实际需要测量的维度，在稳定的坐标已知的基准点安装不同数量的测距仪，相应的测距仪应该按照断面进行布设，测距仪对反射棱镜进行实时测量，每观测一次，应读数3次，取其平均值作为观测值。如图1所示，通过三角形变长的变化组成一组方程组，通过此方程组即可解出每个维度的位移，从而解出每个反射棱镜所在监测点的三维空间坐标。其中，其测量距离公式为：

D = \sqrt{S^{2} - H^{2}}

式中D——测线的水平距离(m)；

S——经气象及加、乘常数等改正后的斜距(m)；

h——仪器的发射中心与反光镜的反射中心之间的高差(m)。

第一实施例

如图3所示，为了监测一维隧道变形，包括垂直位移监测(区间隧道沉降监测和隧道与地下车站沉降差异监测)和水平位移监测(区间隧道水平位移监测和隧道相对地下车站水平位移)，可以在监测特征点布设反射棱镜，并在反射棱镜的竖直方向或水平方向的稳定已知坐标位置安装一个测距仪，通过三角形斜边长计算出隧道的垂直位移或水平位移。

第二实施例

如图4所示，为了监测二维隧道变形，可在监测特征点布设反射棱镜，并通过在二维隧道空间稳定位置即在监测点的水平与竖直方向同时安装两个测距仪，这两个测距仪的精确坐标已知，通过三角形边长计算得到每次监测点的位置，通过对比相关数据，得到隧道二维位移的变形值和变化速率。

如图5所示，为了监测三维隧道变形，则要在监测特征点布设反射棱镜，一般是在变形区外相对稳定的地方或隧道横洞内，并通过在三维隧道空间不同方向稳定位置布设3个以上测距仪，多个测距仪在三维空间不同方向分布(图中无法显示)，测距仪所在点的坐标已知，通过空间三角形边长组成距离公式，组成方程组，推算出监测点的空间坐标，通过对比相关数据，得到三维隧道变形的变形值和变化速率。

通过本隧道变形监测系统所测出的监测点坐标精度非常高，且成本较低，工作效率高，并已在北京地铁新建10号线二期宋家庄站穿越既有地铁5号线宋家庄站监测项目上进行了应用，并取得了良好效果。此系统以较低的成本，实用性强，全自动化，具有广泛的市场应用前景。

本领域技术人员可以根据本发明公开的内容和所掌握的本领域技术对本发明内容做出替换或变型，但是这些替换或变型都不应视为脱离本发明构思的，这些替换或变型均在本发明要求保护的权利范围内。

Claims

1.一种隧道变形监测系统，其包括测距仪、反射棱镜、计算机操作系统、无线传输系统及软件分析系统，其特征在于：测距仪、反射棱镜、计算机操作系统和软件分析系统之间通过无线传输系统相互连接。

2.按照权利要求1所述的隧道变形监测系统，其特征在于：所述棱镜包括棱镜本体和支架，通过螺钉将棱镜本体固定在相应监测点。

3.一种隧道变形监测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择数量型号合适的测距仪和棱镜；

(2)对需要测量的隧道进行布点，并在每个监测特征点上安装反射棱镜；

(3)根据实际需要测量的维度，在稳定的坐标已知的基准点安装不同数量的测距仪，对反射棱镜进行实时测量，利用无线传输系统将测得的数据传至计算机操作系统，计算机操作系统通过已知的三角形斜边长，组成相应的方程组，从而解出每个反射棱镜所在监测点的三维空间坐标；

(4)通过计算机操作系统设置测距仪的监测频率，并通过无线传输装置将所得监测点坐标数据准确及时的传输至软件分析系统；

4.根据权利要求1-3中所述的一种隧道变形监测系统，其特征在于：为了监测一维隧道变形，包括垂直位移监测(区间隧道沉降监测和隧道与地下车站沉降差异监测)和水平位移监测(区间隧道水平位移监测和隧道相对地下车站水平位移)，可以在监测特征点布设反射棱镜，并在反射棱镜的竖直方向或水平方向的稳定已知坐标位置安装一个测距仪，通过三角形斜边长计算出隧道的垂直位移或水平位移。

5.根据权利要求1-3中所述的一种隧道变形监测系统，其特征在于：为了监测二维隧道变形，可在监测特征点布设反射棱镜，并通过在二维隧道空间稳定位置即在监测点的水平与竖直方向同时安装两个测距仪，这两个测距仪的精确坐标已知，通过三角形边长计算得到每次监测点的位置，通过对比相关数据，得到隧道二维位移的变形值和变化速率。

6.根据权利要求1-3中所述的一种隧道变形监测系统，其特征在于：为了监测三维隧道变形，则要在监测特征点布设反射棱镜，并通过在三维隧道空间不同方向稳定位置布设3个以上测距仪，并且测距仪所在点的坐标已知，通过空间三角形边长测量距离公式，组成方程组，推算监测点的空间坐标，通过对比相关数据，得到三维隧道变形的变形值和变化速率。