CN105136115A - 一种自动测量隧道断面变形的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动测量隧道断面变形的装置，包括若干节测量杆件和固定座；所述测量杆件的两端通过所述固定座固定在隧道壁上，并连接形成所述隧道断面的折线轮廓；每节测量杆件均设置有倾角传感器；所述测量杆件的长度随所述隧道断面的变形发生改变，测量杆件上设置有位移传感器；通过所述位移传感器测量测量杆件的长度变化。本发明自动测量隧道断面变形的装置和方法；通过可伸缩的测量杆件适应隧道断面的变形；通过位移传感器将测量杆件的长度变化测量出来；通过倾角传感器将测量杆件的三维角度测量出来，根据各节测量杆件得到隧道断面的拟合曲线，监控隧道断面的变形。

Description

一种自动测量隧道断面变形的方法与装置

技术领域

本发明涉及隧道施工工程领域，具体涉及一种在隧道施工期间自动测量隧道断面变形的方法与装置。

背景技术

随着我国经济和社会的不断发展，交通基础设施建设规模逐步扩大，隧道数量和里程逐渐增多。截止2010年，我国已建铁路隧道总长度超过7000km、公路隧道5000km，地铁线路1400km。预计至2020年，我国还将规划建设隧道5000座，总长度9000公里以上。我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。

在隧道施工和运营阶段，隧道变形监测都发挥重要作用。一方面，隧道变形监测是隧道信息化施工的重要组成部分，是反馈围岩和结构动态变化趋势、优化支护参数、保证施工安全的重要手段。另一方面，隧道变形监测也是隧道健康监测的重要组成部分，对于实时评估隧道结构的安全状况，及时实施安全预警，最大限度延长隧道的使用年限具有重要作用。

传统的隧道变形监测方法是在隧道的变形区布设监测点，使用收敛计、全站仪、水准仪和塔尺等测量仪器进行逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1）需要技术人员到现场人工测量，不仅现场操作繁复、耗时费力，而且人为因素对量测精度的影响较大；2）隧道光线微弱，测量场地狭窄、环境复杂，影响因素众多，导致测量的可靠度和灵敏度不高；3）每个断面仅测量有限几个点位，很难准确反映整个断面的变形状态；4）经常干扰隧道正常施工和运营，常发生原有的测线不得不放弃情况，导致测量数据的间断；5）通常采用文件管理和人工计算方式处理现场监测数据，无法实现数据库管理、共享和原始数据追溯，导致分析效率低下，数据真实性得不到保证。因此，传统监测方法已无法满足现代隧道施工及运营对自动化、信息化监控量测技术的需求。

2000年前后我国从国外引进了巴塞特收敛系统（BassettConvergenceSystem），该系统为用于隧道断面变形监测的测量系统。该系统由一串安装在隧道内壁环形断面的、首尾铰接的短臂杆和长臂杆组成，每根杆臂上都装有一只电解质式倾角传感器。当量测断面发生变形时，各臂杆通过协调运动，将断面变形信息转换为臂杆的转角信息，由倾角传感器测量获取。巴塞特收敛系统具有高精度、自动化的特点，但长短臂杆设计机构复杂，造价昂贵，并且过多占用隧道断面的通行面积，很难在实际工程中得到推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构新颖独特，使用方便，并且能够精确监测隧道断面变形的自动测量装置。具体技术方案为：

一种自动测量隧道断面变形的装置，包括若干节测量杆件和固定座；所述测量杆件的两端通过所述固定座固定在隧道壁上，并连接形成所述隧道断面的折线轮廓；每节测量杆件均设置有倾角传感器；所述测量杆件的长度随所述隧道断面的变形发生改变，测量杆件上设置有位移传感器，通过所述位移传感器测量测量杆件的长度变化；所述数据处理单元根据倾角传感单元和测量杆件的长度得到所述隧道断面的拟合曲线，监测隧道断面的变形。

进一步，所述测量杆件的至少一端设置有关节轴承。

进一步，所述装置还包括激光测距仪和旋转支座；所述旋转支座固定在所述隧道断面的两端对应的隧道壁上，所述激光测距仪固定在所述旋转支座上。

进一步，所述激光测距仪和旋转支座均设置为两套，两套所述激光测距仪旋转时发出的激光形成的旋转面位于同一平面内。

进一步，所述测量杆件包括滑动杆、套筒和位移传感器；所述滑动杆在所述套筒内，与所述套筒可滑动连接；所述位移传感器对滑动杆在套筒内的位移进行测量；所述倾角传感器对测量杆件的三维角度进行测量。

进一步，所述倾角传感器为双轴倾角传感器或三轴倾角传感器。

本发明还提供一种自动测量隧道断面变形的方法，所述方法的具体步骤为：

1）选择需要监测的隧道断面，在一侧边墙底部第一激光点，垂直于墙面安装一套激光断面扫描单元；

2）开启该激光断面扫描单元中的激光发射器，水平射向隧道另一侧边墙，激光照射点作为第二激光点；将另一套激光断面扫描单元垂直于墙面安装在第二激光点；

3）开启两套激光断面扫描单元，扫描隧道断面，记录各测点的距离和激光的角度；

4）根据传感器测量的角度和激光测距传感器测量的距离，得到整个隧道断面曲线的初始轮廓；

5）数据处理单元根据所述初始轮廓在隧道断面曲线上设置测量杆件的固定点；并将固定点的位置信息转换为激光断面扫描单元的激光扫描的角度值；

6）根据所述角度值，激光断面扫描单元通过激光在隧道壁上指示所述固定点；在每个测点位置处安装固定座，然后将每个测量杆件的两端固定于相应的固定座上。依次类推，将整个隧道断面布设上若干测量杆件；

7）采集各测量杆件的数据，数据处理单元根据测量杆件的位置和长度以及倾斜角度获得所述隧道断面的拟合曲线数据。

进一步，所述方法还包括步骤8）：

在隧道口外有GPRS信号的地方安装GPRS转接数据采集发射装置，将隧道内采集的数据远传监控中心。

进一步，所述GPRS转接数据采集发射装置与所述数据处理单元通过有线或者无线网络连接。

本发明自动测量隧道断面变形的装置和方法；通过可伸缩的测量杆件适应隧道断面的变形；通过位移传感器将测量杆件的长度变化测量出来；通过倾角传感器将测量杆件的三维角度测量出来，根据各节测量杆件得到隧道断面的拟合曲线，监控隧道断面的变形。该装置及测量方法监测成本低，精度高，安装方便，可重复使用，占用隧道通行面积少，不会造成隧道通行困难。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图；

图2为测量杆件单元的立体图；

图3为测量杆件单元的结构剖面示意图；

图4为倾角传感单元结构示意图；

图5为固定座与测量杆件的连接示意图。

图中：1、激光断面扫描单元；1-1、固定底座；1-2、旋转支架；1-3、激光测距部件；2、隧道断面曲线；3、混凝土壁；4、隧道断面折线轮廓；5、固定座；5-1、销轴；5-2、垫片；6、测量杆件；6-1、球头座杆；6-1.1关节轴承；6-2、倾角传感单元；6-2.1、封装外壳；6-2.2、固定支架；6-2.3、倾角传感器电路板；6-2.4、双向防水插头；6-3、套筒；6-3.1、导块；6-3.2、穿线孔；6-3.3、顶丝孔；6-4、滑动杆；6-4.1、滑块；6-4.2、滑动杆复位弹簧；6-5、球头座套杆；6-5.1、关节轴承；6-6、位移传感器单元；6-6.1、位移传感器固定支架；6-6.2、顶杆；6-6.3、顶杆复位弹簧；6-7、锁紧螺母。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1所示，本实施例中的自动测量隧道断面变形的装置，包括若干节测量杆件6和固定座5；测量杆件6的两端通过固定座5固定在隧道的混凝土壁3的内壁上，并连接形成隧道断面的折线轮廓4，通过该折线轮廓可以拟合隧道断面曲线2；每节测量杆件6均设置有倾角传感单元6-2；测量杆件6的长度随隧道断面的变形发生改变，测量杆件6上设置有位移传感器单元6-6；通过位移传感器单元6-6测量测量杆件6的长度变化。

如图2所示，测量杆件6的两端均设置有球座，球座内安装有关节轴承。当然，也可以仅在一端设置球座和关节轴承，另一端设置与销轴适配的轴承或者销轴孔。通过关节轴承与球座配合，使测量杆件6能够在隧道壁发生变形时，随固定座5的偏移而改变与销轴的角度，避免因机械力受到损伤。

安装时如图5所示，销轴5-1从固定座5的一侧壁穿入，依次穿过两节量杆件6的关节轴承的轴承孔，穿入固定座5的对侧壁；通过螺母或者螺纹等与固定座5固定。两节量杆件6的关节轴承的轴承孔之间，以及关节轴承的轴承孔与固定座5的侧壁之间通过垫片5-2形成间隙，测量杆件6的旋转留有一定的空间。该间隙的大小根据量杆件6的长度和隧道的断面轮廓线长度设计，使得留有足够间隙，避免测量杆件6受损，同时也能保证测量的准确性。

为了测量方便，尽可能使从一个方向计数时，次序为奇数的测量杆件6均在与断面平行的一个平面内；次序为偶数的测量杆件6均在与断面平行的另一个平面内；并且两个平面平行。当然，如果不采用这种方案也可以得到准确的测量结构，只是计算会复杂。

通常隧道断面与路面垂直，不采用与路面垂直的隧道断面也可以。

如图3所示，测量杆件6还包括滑动杆6-4和套筒6-3。滑动杆6-4一端与设置在套筒6-3内的滑块6-4.1连接，另一端穿过导块6-3.2与球头座套杆6-5连接。球头座套杆6-5与滑动杆6-4通过螺纹连接，通过旋转球头座套杆6-5可以改变球头座套杆6-5与滑动杆6-4连接成的组件的长度；调整合适后，通过锁紧螺母6-7将连接位置锁定。位移传感器单元6-6通过顶丝固定在套筒6-3内腔中；具体实施时，可以通过螺纹或者台阶面固定位移传感器。

实施例中的位移传感器包括顶杆6-6.2和顶杆复位弹簧6-6.3；滑动杆6-4也配有滑动杆复位弹簧6-4.2。通过设置顶杆复位弹簧6-6.3和滑动杆复位弹簧6-4.2，可以分别方便顶杆6-6.2和滑动杆6-4复位；同时，通过相对设置的两根弹簧，作用力方向相反，使滑动杆6-4在未受力状态下伸出的长度稳定，便于对测量杆件6的初始长度进行标定。

具体实施时，也可以将滑块6-4.1与顶杆6-6.2连接，仅使用一根弹簧来实现对测量杆件6在未受力状态下的初始长度进行标定。

如图4所示，倾角传感单元6-2固定在套筒6-3外部，当然，如果内腔足够大，也可以将倾角传感单元6-2固定在套筒6-3的内部。实施例中各节测量杆件6的倾角传感单元6-2和位移传感器单元6-6通过防水的航空接头串联，也可以通过无线网络进行连接。

测量杆件6由套筒6-3、滑动杆6-4、连接端头构成。套筒6-3内置位移传感器（如差动变压式位移传感器、振弦式位移传感器、电阻位移传感等直线位移传感器）电路板、传感器固定支架、滑动杆顶块、滑动导套、压缩弹簧。滑动杆一端伸入套筒6-3内部，外套压缩弹簧和滑动导套，通过扣接方式与滑动杆顶块连接。连接端头由关节轴承和球座组成，通过紧缩帽分别与滑动杆端部和套筒6-3端部连接。

倾角传感单元6-2由倾角传感器电路板6-2.3、固定支架6-2.2、封装外壳A、双向防水插头6-2.4构成。倾角传感器电路板内嵌三轴MEMS加速度传感器，固定于传感器固定支架上。封装外壳6-2.1为长方形型金属铝件，其内壁与固定支架6-2.2通过螺钉固定连接，其外壁通过螺栓与测量杆件6的套筒6-3连接为一体。套筒6-3设有穿线孔6-3.2，位移传感器电源数据线由穿线孔6-3.2引入倾角传感单元6-2内部，先与倾角传感器串接，然后与双向防水插头连接；依次连接相邻两测量杆件单元6的双向防水插头6-2.4，以串联方式实现所有测量单元的数据通讯。

本实施例中的装置还包括两套激光断面扫描单元1，激光断面扫描单元1包括固定底座1-1、旋转支架1-2、激光测距部件1-3、倾角测量部件（图中未示出）。倾角测量部件测量激光测距部件1-3的倾角，激光测距部件1-3测量在设定角度时，激光发射头距隧道断面曲线2对应点的距离；数据处理单元根据距离和角度数据进行计算，可以得到较为精确的隧道断面曲线拟合线，视为隧道断面曲线。

数据单元根据上述隧道断面曲线和监测精度，可以选择适合的测量杆件6的长度，并对隧道断面曲线进行拟合，设定合适的测量杆件6的固定点。为了提高精度，可以以隧道断面曲线顶部的中点作为分界线，每套激光断面扫描单元1的扫描区域可以超过分界线，使两套激光断面扫描单元1的扫描区域重叠，获得更好的测量精度，也可以不超过分界线，在达到需要的扫描精度的情况下节省扫描时间。

固定底座1-1由锚固栓头、安装底座和环形接头构成，确保接头牢固安装在布设测点位置处；

为了完成远程监控，本实施例中的装置还可以配备数据采集发送装置。数据处理单元除了必要的硬件还可以包含数据后处理分析软件。数据采集发送装置由Zigbee+GPRS无线数据采集发射装置、安装防护用配电箱、充电供电系统构成。该装置先采用Zigbee无线数据传输方式将数据发送至隧道口外，再采用GPRS无线传输方式将数据发送至监控中心，在无人值守环境下完成数据的实时采集发送；ziggbe与GPRS同时使用结合使得，在施工期隧道内无信号的情况下也可以远程数据传输使用。

数据后处理分析软件由现场测试单机版软件、后台展现BS架构软件构成，可在线完成隧道断面变形监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现等软件功能；使得本装置可以实施自动化监测，远程接收测量数据，在线实时生成断面轮廓曲线与变形图表。

具体工作时按如下：

两套激光断面扫描单元1的固定底座1-1通过膨胀螺栓分别锚固于隧道断面两侧边墙的底部。旋转支架1-2安装在固定底座1-1上，其旋转轴与待测断面垂直，与隧道断面平行。激光测距部件1-3和倾角测量部件安装在旋转支架1-2上，随旋转支架1-2一起旋转。内置于激光测距部件1-3的激光发射器发射激光射线，照射到隧道壁面，支架旋转时形成激光环面，该环面与隧道壁的相交线即为待测断面的轮廓线，该轮廓线可用于固定座5的固定点布设，确保所有固定点位于同一个测量平面内。旋转轴到激光成像点的距离可由激光测距传感器所测量，倾斜角度可由内置于倾角测量部件中的三轴MEMS加速度传感器所测量。基于倾角量与距离量，可绘制隧道断面轮廓形状。

装置中的倾角传感器采用MEMS重力加速度传感器，采用双轴解析单轴的办法，由于双轴之间相互垂直，测量杆件6与两个轴的夹角互为补角；以正弦解析来讲，在一个轴处于大于45度，分辨率降低的情况下，另一个轴则会小于45度，分辨率会升高，采集两个轴的数据，配合使用，从而解决了单轴测量一个方向倾斜导致精度难以满足监测要求的问题。

三轴MEMS加速度传感器放置方式如下：X轴方向沿测量杆件6的轴向延伸方向，与隧道断面平行；Y轴垂直于测量杆件6的轴向延伸方向，与隧道断面平行；Z轴垂直于测量杆件6的轴向延伸方向，与隧道断面垂直。测量杆件单元的倾斜角度θ解算公式为：

其中，A _X,OUT 、A _Y,OUT 、A _Z,OUT 分别为三轴MEMS加速度传感器的X轴、Y轴、Z轴测量输出的加速度值；

将左侧边墙最底部测点设定为第1号测点，与第1号测点连接的测量杆件6设定为第1号杆件。依照测点排列顺序，依次设定隧道断面测点编号。依照测量杆件6排列顺序，依次设定测量杆件6编号。第1号测点设定为参考点，其位移值在监测期间始终定为零。以第1号测点为坐标原点建立直角坐标系，则第n个测点的坐标(X _测点n ,Y _测点n )计算公式为：

其中，L _j 为第j号测量杆件6的测量长度（即，第j-1号测点与第j号测点之间的距离），θ _j 为第j个测量杆件的倾斜角度（即，第j-1号测点、第j号测点连线与水平线之间的倾斜角度）。

具体实施时，也可以采用两个双轴加速度传感器构成三轴加速度传感器。

本发明提供一种自动测量隧道断面变形的方法与装置，通过在无人值守环境下实时测量隧道断面上等间距均匀分布的若干个监测点位置，获取隧道断面轮廓及其形变情况，监测成本低，精度高，安装方便，可重复使用，占用隧道通行面积少，不会造成隧道通行困难。

该装置可以根据隧道断面的情况，任意长度组合的使用，断面变形监测结束后，可以回收所有测量单元，用于下一个待测断面变形监测。这样使得设备的重复利用率更高，也更符合施工期短期监测的使用目的。同时也可以用于隧道运营期的长期监测。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。

Claims (9)

1.一种自动测量隧道断面变形的装置，包括若干节测量杆件、固定座和数据处理单元；所述测量杆件的两端通过所述固定座固定在隧道壁上，并连接形成所述隧道断面的折线轮廓；每节测量杆件均设置有倾角传感单元；其特征在于，所述测量杆件的长度随所述隧道断面的变形发生改变，测量杆件上设置有位移传感器，通过所述位移传感器测量测量杆件的长度变化；所述数据处理单元根据倾角传感单元和测量杆件的长度得到所述隧道断面的拟合曲线，监测隧道断面的变形。

2.如权利要求1所述的自动测量隧道断面变形的装置，其特征在于，所述测量杆件的至少一端设置有关节轴承。

3.如权利要求1所述的自动测量隧道断面变形的装置，其特征在于，所述装置还包括激光测距仪和旋转支座；所述旋转支座固定在所述隧道断面的两端对应的隧道壁上，所述激光测距仪固定在所述旋转支座上。

4.如权利要求3所述的自动测量隧道断面变形的装置，其特征在于，所述激光测距仪和旋转支座均设置为两套，两套所述激光测距仪旋转时发出的激光形成的旋转面位于同一平面内。

5.如权利要求1所述的自动测量隧道断面变形的装置，其特征在于，所述测量杆件包括滑动杆、套筒和位移传感器；所述滑动杆在所述套筒内，与所述套筒可滑动连接；所述位移传感器对滑动杆在套筒内的位移进行测量；所述倾角传感单元对测量杆件的三维角度进行测量。

6.如权利要求5所述的自动测量隧道断面变形的装置，其特征在于，所述倾角传感单元的传感器为双轴倾角传感器或三轴倾角传感器。

7.一种自动测量隧道断面变形的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

1）选择需要监测的隧道断面，在一侧边墙底部第一激光点，垂直于墙面安装一套激光断面扫描单元；

2）开启该激光断面扫描单元中的激光发射器，水平射向隧道另一侧边墙，激光照射点作为第二激光点；将另一套激光断面扫描单元垂直于墙面安装在第二激光点；

3）开启两套激光断面扫描单元，扫描隧道断面，记录各测点的距离和激光的角度；

4）根据传感器测量的角度和激光测距传感器测量的距离，得到整个隧道断面曲线的初始轮廓；

5）数据处理单元根据所述初始轮廓在隧道断面曲线上设置测量杆件的固定点；并将固定点的位置信息转换为激光断面扫描单元的激光扫描的角度值；

6）根据所述角度值，激光断面扫描单元通过激光在隧道壁上指示所述固定点；在每个测点位置处安装固定座，然后将每个测量杆件的两端固定于相应的固定座上；依次类推，将整个隧道断面布设上若干测量杆件；

7）采集各测量杆件的数据，数据处理单元根据测量杆件的位置和长度以及倾斜角度获得所述隧道断面的拟合曲线数据。

8.如权利要求7所述的自动测量隧道断面变形的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤8）：

在隧道口外有GPRS信号的地方安装GPRS转接数据采集发射装置，将隧道内采集的数据远传监控中心。

9.如权利要求8所述的自动测量隧道断面变形的方法，其特征在于，所述GPRS转接数据采集发射装置与所述数据处理单元通过有线或者无线网络连接。