CN104748695B - 基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于岩土工程中地下洞室变形测量技术范围的一种基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法。首先安装包括激光测量模块，旋转机构，快装板和基座四部分的区段精细测量装置；利用区段精细测量装置对洞室断面关心的部位进行不同历时逐区段精细测量，然后针对不同历时的区段测量数据进行数据拼接并进行直接区段对比计算，得到关心部位的变形向量。本发明可以实现大断面地下洞室早期变形监测，具有小巧，使用简便，无需靶点，不受爆破影响，不需精确对中，可以紧邻掌子面快速安装，尤其适用于钻爆法开挖的地下空间早期变形监测等优点。

Description

基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法

技术领域

本发明属于岩土工程中地下洞室变形测量技术范围，特别涉及一种基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法。

背景技术

地下洞室的设计和施工，需要实时根据开挖岩体的物理力学性能来调整设计参数和施工工艺。而最直接和最有效的识别开挖岩体性能的方法是早期变形监测。实际上，在洞室掌子面开挖之前，围岩已经发生了30％左右的变形；掌子面开挖之后到第一次变形测量之间，又有30％～50％变形发生。所以，为了尽可能多的捕获岩体的变形信息，就迫切需要尽可能早的建立监测断面，进行早期变形监测。

目前，围岩变形测量方法主要包括点点测量方法和点云测量方法。点点测量方法通过在开挖断面轮廓安装一些(通常5个)锚点或者靶点，然后定期测量锚点或靶点的绝对位置或相对位置，进而计算变形(或收敛)值。这类方法包括收敛尺(计)，全站仪等。点云测量方法是通过获取不同历时的大量三维点云数据，并利用全站仪，不动点或者场地不变特征对不同历时的三维点云进行拼接，然后从三维点云剖切出关心的断面并计算变形量。主要方法包括摄影测量法和激光扫描法。CN 101608897 A公开了一种精密杆式收敛计，提供了一种准确稳定可靠造价低廉的测量方法。CN 202074964 U公开一种隧道收敛激光监测系统需要安装靶点，通过控制线缆连接测量按钮进行测量。专利CN 101458069 B公开了一种隧道围岩变形监测方法及其检测系统，通过稳定围岩上的激光器监测不稳定围岩上的光敏位移信号监测器。

以上方法都需要安装锚点或者靶点(点点测量方法)，拼接点，标记点或控制点(点云测量方法)，安装这些标志点容易干扰施工，并且钻爆法开挖的地下洞室，由于爆破飞石和地震波的影响，标志点容易受到破坏，不适宜早期变形的监测。

近年来，许多专家学者进行了大量的研究和探索研究。专利CN 102297661公开一种激光式收敛计装置，实现了无靶点的收敛测量。专利CN 103697827 A公开一种基于激光测距的大断面巷道收敛变形测量装置，实现了原位测量。

虽然这些方法可以进行无反射目标下的变形测量，但是，由于无法精确对中测点，无法保证被测点位不同历时测量部位的一致，尤其在大跨度钻爆法开挖的地下洞室，岩体表面凸凹不平，即使测量角度误差0.05度，就会导致测点偏离真实测量部位多达26mm(测量距离30m)，所以，上述方法无法很好的完成大跨度地下洞室的早期变形监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先，安装区段精细测量装置，该装置包括激光测量模块，旋转机构，快装板和基座四部分；将旋转机构通过锁紧螺丝固定到快装板上，激光测量模块通过其底部的螺钉孔固定到旋转机构的快装板上，这样就组成了可拆卸的测量装置；当洞室掌子面开挖完成后，立即在距离掌子面0.5m，距离底拱1.0m的边墙部位，将岩体表面处理平整，保证岩体表面与洞室轴线平行，使用电锤施作4个钻孔，并用膨胀螺丝将基座水平固定在边墙上；然后，将可拆卸测量装置的快装板通过卡槽固定到基座上；

2)操作旋转机构，将测量模块旋转到待测试的区段部位，针对每一个待测试区段，密集采集一系列测点，针对每一个测点，采用多次测量求取平均值，计算其距离和角度信息；测量结束后，直接将测量机构从卡槽卸下即可；

3)数据处理，针对每一个区段的不同历时的测量数据，首先，按不同历时的测量数据，分别进行椭圆拟合，得到各自的椭圆中心坐标，然后依据不同历时测量数据各自的中心坐标，将不同历时测量数据平移到原点，完成不同历时数据的拼接；其次，针对不同历时拼接后的测量区段数据，逐区段计算测量区段之间的面积S，测量区段的平均长度L，测量区段的平均变形方向向量n，然后，计算不同历时测量区段的平均变形幅值d＝S/L，变形幅值d和变形方向向量n共同组成该区段的变形向量。

所述采集一系列测点为7～10个。

所述基座上设置一对卡槽；快装板上有与基座上相配合的一对卡槽。

本发明有益效果是与现有技术相比，本发明采用区段精细测量装置实现了无靶点的大断面早期变形测量，尤其适用于钻爆法开挖下的地下洞室的早期变形监测。本发明具有小巧，使用简便，数据采集可以实现单人作业，携带方便，无需安装靶点，无需精确对中，不受爆破影响，可以快速安装，测量快速，精度合理；尤其适用于钻爆法开挖下的地下洞室的早期变形监测。

附图说明

图1为变形监测施测示意图。

图2为图1局部放大示意图。

图3为基座示意图。

图4为区段变形计算示意图。

图中：1－基座，2－岩体表面，3－卡槽，4－快装板，5－激光测量模块，6－旋转机构，7－膨胀螺丝，8－激光窗口9－激光束，10－膨胀螺丝孔；20－23为测量区段。

具体实施方式

本发明提供一种基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法，后面结合附图进一步详细描述：

所述大断面地下洞室早期变形监测方法包括如下步骤：

1)首先，安装区段精细测量装置如图1、图2所示，该装置包括激光测量模块5，旋转机构6，快装板4和基座1四部分；其中，旋转机构6通过锁紧螺丝固定到快装板4上，激光测量模块5通过其底部的螺钉孔固定到旋转机构6的快装板4上，这样就组成了可拆卸的测量装置；当洞室掌子面开挖完成后，立即在距离掌子面0.5m，距离底拱1.0m的边墙部位，将岩体表面2处理平整，保证岩体表面2与洞室轴线平行，使用电锤施作4个钻孔，并用膨胀螺丝7穿过基座1的膨胀螺丝孔10(如图3所示)将基座1水平固定在边墙的岩体表面2上；然后，将可拆卸测量装置的快装板4通过卡槽3固定到基座1上；其中，基座上设置一对卡槽；快装板上有与基座上相配合的一对卡槽。

2)操作旋转机构6，将激光测量模块5旋转到待测试的区段部位(如图1中的标号20-23)，针对每一个待测试区段，密集采集7～10个系列测点，针对每一个测点，采用多次测量求取平均值，计算其距离和角度信息；测量结束后，直接将测量机构从卡槽卸下即可；完成以上测量后，就获取了一系列数据点；然后，通过不同历时的测量，就可以获取不同历时下的断面区段精细测量数据。

3)数据处理，针对每一个区段的不同历时的测量数据，首先，按不同历时的测量数据，分别进行椭圆拟合，得到各自的椭圆中心坐标，然后依据不同历时测量数据各自的中心坐标，将不同历时测量数据平移到原点，完成不同历时数据的拼接；其次，针对不同历时拼接后的测量区段数据，逐区段计算测量区段之间的面积S，测量区段的平均长度L，测量区段的平均变形方向向量n，然后，计算不同历时测量区段的平均变形幅值d＝S/L，变形幅值d和变形方向向量n共同组成该区段的变形向量。

两个历时t和t+1的区段变形计算过程如下：

(1)、将区段的数据点(θi,di)转换成直角坐标系下坐标Pi(xi,yi)(如图4所示)，其中坐标系原点为仪器视准轴与水平面的交点，以水平向右为X正向，以铅锤向上为Y轴正向，i＝1,2，…,k+1，k+1为区段测点个数，k为正整数。

(2)、两个历时t和t+1测量数据的拼接

由于基座1在整个观测历时中，实时发生着位移，所以，需要对两个历时t和t+1的测量数据进行拼接，消除基座1位移的影响。拼接方法为：首先，分别将两个历时的数据进行椭圆拟合，得到两个历时数据拟合的椭圆中心坐标(x_t,y_t)和(x_t+1,y_t+1)，其中，椭圆拟合的算法可以按照基于代数距离的最小二乘法或基于几何距离的最小二乘法拟合。然后，依照椭圆中心，将两次历时的观测数据平移到原点位置O(如图4)，完成两个历时数据的拼接。

(3)、两个历时t和t+1逐区段变形向量计算

针对拼接后的两个历时的测量数据，逐区段进行变形向量的计算。两个历时的测量区段围成的面积S可以表示为：

其中，P_i,t，P_i+1,t为测量区段历时t下的测点，P_i,t+1，P_i+1,t+1为测量区段历时t+1下的测点(如图4所示)，P_i,tP_i+1,t，P_i,tP_i,t+1，P_i,t+1P_i+1,t+1，P_i+1,tP_i+1,t+1为测点之间的几何向量。

两个历时的区段平均长度L可以表示为：

两个历时的区段平均变形d为：

两个历时的区段平均斜率v可以表示为：

其中，(x_i,t，y_i,t)，(x_i+1,t，y_i+1,t)，(x_i,t+1，y_i,t+1)，(x_i+1,t+1，y_i+1,t+1)分别为两个历时测点P_i,t，P_i+1,t，P_i,t+1，P_i+1,t+1的直角坐标系下坐标(如图4所示)。

两个历时的区段平均变形方向向量n为：

两个历时的区段变形向量：

至此，两个历时t和t+1之间的区段变形向量计算完毕。

然后，针对不同历时的监测数据按照步骤(1)～(3)进行变形向量计算，就可以获取施测断面关心部位随时间的变形信息。

Claims (3)

1.一种基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)首先，安装区段精细测量装置，该装置包括激光测量模块，旋转机构，快装板和基座四部分；将旋转机构通过锁紧螺丝固定到快装板上，激光测量模块通过其底部的螺钉孔固定到旋转机构的快装板上，这样就组成了可拆卸的测量装置；当洞室掌子面开挖完成后，立即在距离掌子面0.5m，距离底拱1.0m的边墙部位，将岩体表面处理平整，保证岩体表面与洞室轴线平行，使用电锤施作4个钻孔，并用膨胀螺丝将基座水平固定在边墙上；然后，将可拆卸测量装置的快装板通过卡槽固定到基座上；

2)操作旋转机构，将测量模块旋转到待测试的区段部位，针对每一个待测试区段，密集采集一系列测点，针对每一个测点，采用多次测量求取平均值，计算其距离和角度信息；测量结束后，直接将测量机构从卡槽卸下即可；

3)数据处理，针对每一个区段的不同历时的测量数据，首先，按不同历时的测量数据，分别进行椭圆拟合，得到各自的椭圆中心坐标，然后依据不同历时测量数据各自的中心坐标，将不同历时测量数据平移到原点，完成不同历时数据的拼接；其次，针对不同历时拼接后的测量区段数据，逐区段计算测量区段的面积S，测量区段的平均长度L，测量区段的平均变形方向向量n，然后，计算不同历时测量区段的平均变形幅值d＝S/L，变形幅值d和变形方向向量n共同组成该区段的变形向量；针对拼接后的两个历时的测量数据，逐区段进行变形向量的计算；其中，两个历时的测量区段的面积S表示为：

$S=-\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left(\right|P_{i,t}{P}_{i+1,t}\×P_{i,t}{P}_{i,t+1}|+|P_{i,t+1}{P}_{i+1,t+1}\×P_{i+1,t}{P}_{i+1,t+1}\left|\right)$

其中，P_i,t，P_i+1,t为测量区段历时t下的测点，P_i,t+1，P_i+1,t+1为测量区段历时t+1下的测点，P_i,tP_i+1,t，P_i,tP_i,t+1，P_i,t+1P_i+1,t+1，P_i+1,tP_i+1,t+1为测点之间的几何向量；两个历时的区段平均长度L表示为：

$L=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\left(\right|P_{i+1,t}{P}_{i,t}|+|P_{i+1,t+1}{P}_{i,t+1}\left|\right)}{2}$

两个历时的区段平均变形d为：

$d=\frac{S}{L}$

两个历时的区段平均斜率v表示为：

$v=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}(\frac{y_{i+1,t}-y_{i,t}}{x_{i+1,t}-x_{i,t}}+\frac{y_{i+1,t+1}-y_{i,t+1}}{x_{i+1,t+1}-x_{i,t+1}})}{2k}$

其中，(x_i,t，y_i,t)，(x_i+1,t，y_i+1,t)，(x_i,t+1，y_i,t+1)，(x_i+1,t+1，y_i+1,t+1)分别为两个历时测点P_i,t，P_i+1,t，P_i,t+1，P_i+1,t+1的直角坐标系下坐标；

两个历时的区段平均变形方向向量n为：

$\stackrel{\→}{n}=\frac{1}{\sqrt{1+v^2}}(v,-1)$

两个历时的区段变形向量：

至此，两个历时t和t+1之间的区段变形向量计算完毕。

2.根据权利要求1所述基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法，其特征在于，所述采集一系列测点为7～10个。

3.根据权利要求1所述基于区段精细测量的大断面地下洞室早期变形监测方法，其特征在于，所述基座上设置一对卡槽；快装板上有与基座上相配合的一对卡槽。