CN107091616A - 异形隧道衬砌变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异形隧道衬砌变形监测方法，属于隧道施工安全监测技术领域。所述监测方法，利用三维扫描仪对隧道衬砌的测量截面进行轮廓数据采集，并建立隧道衬砌的内表面模型并拟合整个隧道衬砌的内表面模型，然后根据不同时段的隧道内表面模型的某一相同位置的轮廓数据差值，得到该位置的隧道衬砌的变形量。本发明提供的异形隧道衬砌变形监测方法，具有测量精度更高、测量速度更快的优点，而且后期数据处理有电脑软件完成，能够大幅提高工作效率。

Description

异形隧道衬砌变形监测方法

技术领域

本发明涉及一种异形隧道衬砌变形监测方法，属于隧道施工安全监测技术领域。

背景技术

在隧道工程中，为防止围岩变形或坍塌，需要在隧道洞身内修筑衬砌。所谓衬砌，简单来说就是围岩内侧设置的支护结构。在施工中，需要对隧道衬砌的变形量进行监测。

传统隧道衬砌监测方法主要有卡尺法和全站仪解析法。卡尺法适用于圆形隧道，利用圆的对称性，在指定截面进行测量，在选定的测量断面上，先测量隧道内衬顶部与底部之间的高差，再在测量断面选定偶数个测点，测量各测点到设计中线的水平距离，近似得到隧道断面的尺寸。全站仪法使用全站仪三维坐标测量，将仪器置于隧道内的任一个控制导线点上，利用全站仪免棱镜功能按一般坐标测量的方法测量出断面6-8个点位的三维坐标，然后通过成图软件进行细部点连接，最终拟合形成隧道断面。全站仪法一次设站可以进行5环左右测量，提高了施工效率，降低了外业劳动强度。

然而，卡尺法存在精度差、工作量大、效率低的缺点，只能应用于圆形隧道。全站仪法理论上可以适应于各种断面形状，但其测量精度受测点数量控制，故主要应用于圆形和马蹄形隧道，对于需要较多测点的异形截面隧道，若要保证较高精度要求的前提下，需拟合点众多，后续拟合处理工作量极大，效率低下。

发明内容

针对现有技术中卡尺法或全站仪法进行异形隧道衬砌变形监测存在的工作量大、效率低下的问题，本发明提供了一种异形隧道衬砌变形监测方法，利用三维扫描仪对隧道衬砌的测量截面进行轮廓数据采集，然后建立隧道衬砌的内表面模型并拟合整个隧道衬砌的内表面模型，然后根据不同时段的隧道内表面模型的某一相同位置的轮廓数据的差值，得到该位置的隧道衬砌的变形量。本发明提供的异形隧道衬砌变形监测方法，具有测量精度更高、测量速度更快的优点，而且后期数据处理有电脑软件完成，能够大幅提高工作效率。

为解决以上技术问题，本发明包括如下技术方案：

一种异形隧道衬砌变形监测方法，包括如下步骤：

S1.在所述异型隧道的工作井井壁上设定不动点作为测量基准点；

S2.将三维扫描仪测量装置放置于测量截面附近，利用所述测量装置的支撑腿进行初步调平，旋转所述支撑腿的下部支撑杆，并借助水平气泡观察管对测量底盘进行精确调平，然后利用三维扫描仪对测量截面进行扫描，形成测量截面的轮廓数据；

S3.获得所有测量截面的轮廓数据，并建立测量截面的内表面模型，并拟合整个隧道的内表面模型；

S4.根据不同时段的隧道内表面模型的某一相同位置的轮廓数据的差值，得到所述位置的隧道衬砌的变形量。

优选为，所述测量截面处设置十字标靶，对测量截面进行标记。

优选为，步骤4中，在建立内表面模型之前，还包括，对测量截面的轮廓数据进行去噪和数据精简。

进一步，所述测量装置包括三维扫描仪、测量底盘和支撑所述测量底盘的支撑腿；所述三维扫描仪通过连接螺栓与所述测量底盘固定连接；所述测量底盘上设置有水平气泡观察管；所述支撑腿与所述测量底盘铰接，所述支撑腿包括上部支撑杆和下部支撑杆，所述上部支撑杆和下部支撑杆通过螺纹连接，并在连接端对应设置有内螺纹段和外螺纹段。

进一步，异形隧道内设置有两根导轨，所述测量装置设置有四个支撑腿，所述支撑腿底部通过双向万向头连接有滚轮，所述滚轮两两固定于所述导轨上，同一根所述导轨上的两个所述支撑腿之间设置有可调节三角架。

优选为，所述可调节三角架包括板条一、板条二和板条三，其中所述板条一的一端与支撑腿一铰接，另一端与所述板条二的一端铰接，所述板条二的另一端与支撑腿二铰接，所述板条一上设置有若干圆孔，所述板条三的一端设置有卡柱，所述卡柱卡扣在其中一个所述圆孔中，所述板条三的另一端与所述支撑腿二铰接。

优选为，所述测量装置还包括驱动系统，所述驱动系统包括设置于测量底盘上的电源、设置于所述支撑腿上的电机，以及连接所述电机和所述滚轮的传动装置。

优选为，所述滚轮的行走方式为主动轮带动被动轮，所述主动轮通过传动装置与所述电机连接。

优选为，所述测量底盘上还设置有用于测量滚轮行走距离的计距装置。

优选为，所述测量底盘上还设置有照明装置。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)中距三维扫描仪的测量距离可以达到20-30m，长距三维扫描仪的测量距离可以达到30m以上，一次布设可完成多个测量截面轮廓数据的采集，数据精度高、采集速度快；

(2)可以借助软件建立隧道衬砌内表面模型，更加直观形象；

(3)数据去噪、三维建模、模型比对并得出变形量等工作，均可由电脑软件自动完成，大大提高了工作效率；

(4)测量装置上可设置驱动装置和滚轮，利用隧道施工中已有的顶进机械的导轨，实现自动行走，并可省却初步调平的工作环节，测量速度快、施工效率高。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的异形隧道衬砌变形监测方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的异形隧道的结构示意图；

图3为本发明一实施例的三维扫描仪测量装置结构示意图；

图4为本发明一实施例的三维扫描仪测量装置的侧视图。

图中标号如下：

测量装置100；三维扫描仪110；连接螺栓111；测量底盘120；水平气泡观察管131；计距装置132；照明装置133；支撑腿130；上部支撑杆131；下部支撑杆132；导轨140；滚轮150；双向万向头151；可调节三角架160；板条一161、圆孔161a；板条二162；板条三163、卡柱163a；驱动系统170；

隧道衬砌200；十字标靶210；

工作井300；基准点310。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的异形隧道衬砌变形监测方法作进一步详细说明。结合下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参阅图1和图2，本发明提供的异形隧道衬砌200变形监测方法包括如下步骤：

S1.在异型隧道的工作井300井壁上设定不动点作为测量基准点310。基准点310的三维坐标作为隧道衬砌200截面的轮廓数据的参照点。在隧道施工中，会设置竖向的工作井300，通常工作井300井壁的变形较小，可以忽略不计，因此，可以将基准点310设定于工作井300的井壁上。

S2.将三维扫描仪测量装置100放置于测量截面210附近，利用测量装置100的支撑腿进行初步调平，并旋转支撑腿的下部支撑杆，并借助水平气泡观察管对测量底盘进行精确调平，并利用三维扫描仪110对测量截面210进行扫描，形成测量截面210的轮廓数据。三维扫描仪110可以发射激光，通过回波信息来解析测量截面210上各点的三维坐标信息。理论上，利用三维扫描仪测量装置100可以测出整个隧道衬砌200的轮廓数据。为了减少工作量，可以将异型隧道分出多个测量截面210，对于重点监测截面，可以作出标记，并对其进行重点测量，比如提高该截面的测量精度等。三维扫描仪110自动记录并存储扫描的轮廓数据。

S3.获得所有测量截面210的轮廓数据，并建立测量截面210的内表面模型，并拟合整个隧道衬砌200的内表面模型。优选为，在建立内表面模型之前，对测量截面210的轮廓数据进行去噪和数据精简。三维扫描仪110扫描过程中，由于环境因素影响，可能使三维扫描仪110记录的个别数据产生偏差，需要进行分析后，去除孤立突兀的点数据，以及测量中存在的其它物体的数据。

S4.根据不同时段的隧道内表面模型的某一相同位置的轮廓数据的差值，得到位置的隧道衬砌200的变形量。隧道衬砌200内表面模型的建立，以及数据比对工作，均可通过电脑软件进行完成，处理速度快，省去了大量的人工操作，提高了施工效率。作为举例，市场上某款三维扫描仪110可通过第三方软件Polyworks进行数据处理、三维建模等。

优选为的实施方式为，测量截面210处设置十字标靶211，对测量截面210进行标记。由于隧道较长，通过中间设置的十字标靶211，可以在相应位置进行数据符合，避免长距离数据误差积累，导致数据精度降低。十字标靶211处的测量截面210也可以为重点测量截面210，在该处可以提高三维扫描仪110的测量精度。

更优选的实施方式为，三维扫描仪测量装置100下方具有四个支撑腿，支撑腿下方设置有滚轮，并将滚轮架设于隧道内已建的的用于顶进机械运行的导轨上，由于导轨较平整，在一次初步调平并精确调平后，测量装置100在导轨上移动至下一点位时，可以仅进行精确调平即可，省去了初略调平的步骤，提高测量效率。进一步，测量装置100还可以设置驱动装置，包括电源、电机和传动装置，驱动滚轮自动前进，省去测量装置100移动工程中的人工操作，解放了人力并提高了工作效率。

本发明提供的异形隧道衬砌200变形监测方法具有如下优点或有益效果：(1)中距三维扫描仪110的测量距离可以达到20-30m，长距三维扫描仪110的测量距离可以达到30m以上，一次布设可完成多个测量截面210轮廓数据的采集，数据精度高、采集速度快；(2)可以借助软件建立隧道衬砌200内表面模型，更加直观形象；(3)数据去噪、三维建模、模型比对并得出变形量等工作，均可由电脑软件自动完成，大大提高了工作效率；(4)测量装置100上可设置驱动装置和滚轮，利用隧道施工中已有的顶进机械的导轨，实现自动行走，并可省却初步调平的工作环节，测量速度快、施工效率高。

实施例二

参阅图3和图4，本发明还提供了一种异形隧道衬砌变形监测方法中适用的三维扫描测量装置100，包括三维扫描仪110、测量底盘120和支撑腿130。其中，三维扫描仪110通过连接螺栓111与测量底盘120固定连接，作为举例，测量底盘120为长、宽、厚分别30cm×30cm×0.5cm的钢板，测量底盘120中央留有孔洞，孔洞直径比三维扫描仪110连接螺栓111外直径大1-2cm。测量底盘120上设置有水平气泡观察管121，用以判断测量底盘120是否水平。

支撑腿130与测量底盘120铰接，此处为单向铰接，所谓单向铰接是指支撑腿130只能在一个垂直平面内转动。支撑腿130包括上部支撑杆131和下部支撑杆132，上部支撑杆131和下部支撑杆132通过螺纹连接，并在连接端对应设置有内螺纹段和外螺纹段。作为举例，上部支撑杆131采用内直径为15mm的不锈钢钢管，长度为1m，上部支撑杆131下端设置30cm内螺纹段，下部支撑杆132亦可采用不锈钢钢管，在下部支撑杆132上端设置30cm的外螺纹段。通过设置配套的内螺纹段和外螺纹段，可以通过旋转下部支撑杆132调整支撑腿130的长度，从而对测量底盘120进行调平。优选为上部支撑杆131和下部支撑杆132上焊接有耳仔片，方便旋转调平时手部握持。

在测量前，需要对测量底盘120进行调平，先初步调平再精准调平。其中初步调平是通过控制各个支撑腿130的张开角度调整测量底盘120的水平度，精准调平是在初步调平的基础上，通过调整支撑腿130的螺纹段的搭接长度，使水平气泡观察管121内的气泡居中，从而使测量底盘120水平。

为了减少初步调平的工作量，优选为，测量装置100还包括两根导轨140，导轨140可采用隧道施工中顶进机械的导轨140，两根导轨140高度一致，且两根导轨140之间的距离也保持一致。支撑腿130为四个，支撑腿130底部通过双向万向头151连接有滚轮150，滚轮150两两固定于导轨140上。所谓双向万向头151，是指万向头底部与滚轮150通过轴承连接，可保证滚轮150在水平面内实现360°旋转，同时，万向头顶部与支撑腿130底部单向铰接，保证支撑腿130改变张开角度时不受到滚轮150的限制。滚轮150采用H型滚轮150，中间凹部搁置在导轨140上，滚轮150半径和宽度需要与隧道导轨140相匹配，使滚轮150可以沿导轨140自由滚动。优选为，滚轮150上设置止滑橡胶片，防止滚轮150沿导轨140滑动。

为了保证同一根导轨140上的两个支撑腿130之间保持相对姿态，同一根导轨140上的两个支撑腿130之间设置有可调节三角架160。可调节三角架160可锁定同一根导轨140上的两个支撑腿130之间的张开角度，在测量底盘120首次调平后，保证在滚轮150滚动中，四个支撑腿130保持固定形状，从而使测量底盘120保持相对水平，可减少初略调平的步骤，加快测量速度。

如图3和图4所示，可调节三角架160包括板条一161、板条二162和板条三163，其中板条一161的一端与支撑腿一铰接，另一端与板条二162的一端铰接，板条二162的另一端与支撑腿二铰接，板条一161上设置有若干圆孔161a，板条三163的一端设置有卡柱163a，卡柱163a卡扣在其中一个圆孔161a中，板条三163的另一端与支撑腿二铰接。板条一161、板条二162和板条三163组成三角形稳定结构，从而固定同一根导轨140上的两个支撑腿130的张开角度，当张开角度需要调整时，仅需将卡柱163a从圆孔161a中移出，调整好张开角后，再将卡柱163a固定在圆孔161a中即可。需要说明的是，同一根导轨140上前后有两个滚轮150，分别与支撑腿130连接，为方便描述，将其中一个支撑腿130称之为支撑腿一，将另一个称之为支撑腿二。

为了使三维扫描仪测量装置100具备自动行走功能，在测量装置100上还设置有驱动系统170，驱动系统170包括设置于测量底盘120上的电源、设置于支撑腿130上的电机，以及连接电机和滚轮150的传动装置。滚轮150采用主动轮带动被动轮的形式，前方的滚轮150为主动轮，后方的滚轮150为被动轮。主动轮通过传动装置连接电机，通过控制电机运转可以控制滚轮150滚动，从而实现三维扫描仪测量装置100自动行走。

优选为，测量底盘120上还设置有用于测量滚轮150行走距离的计距装置122，可记录测量装置100的相对位置。

优选为，测量底盘120上还设置有照明装置123。作为举例，可在测量底盘120下方焊接灯具固定架或灯具固定盒，用于固定照明灯具。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述监测方法包括如下步骤：

S1.在所述异型隧道的工作井井壁上设定不动点作为测量基准点；

S2.将三维扫描仪测量装置放置于测量截面附近，利用所述测量装置的支撑腿进行初步调平，旋转所述支撑腿的下部支撑杆，并借助水平气泡观察管对测量底盘进行精确调平，然后利用三维扫描仪对测量截面进行扫描，形成测量截面的轮廓数据；

S3.获得所有测量截面的轮廓数据，并建立测量截面的内表面模型，并拟合整个隧道的内表面模型；

S4.根据不同时段的隧道内表面模型的某一相同位置的轮廓数据的差值，得到所述位置的隧道衬砌的变形量。

2.如权利要求1所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述测量截面处设置十字标靶，对测量截面进行标记。

3.如权利要求1所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，步骤4中，在建立内表面模型之前，还包括，对测量截面的轮廓数据进行去噪和数据精简。

4.如权利要求1所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述测量装置包括三维扫描仪、测量底盘和支撑所述测量底盘的支撑腿；所述三维扫描仪通过连接螺栓与所述测量底盘固定连接；所述测量底盘上设置有水平气泡观察管；所述支撑腿与所述测量底盘铰接，所述支撑腿包括上部支撑杆和下部支撑杆，所述上部支撑杆和下部支撑杆通过螺纹连接，并在连接端对应设置有内螺纹段和外螺纹段。

5.如权利要求4所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，异形隧道内设置有两根导轨，所述测量装置设置有四个支撑腿，所述支撑腿底部通过双向万向头连接有滚轮，所述滚轮两两固定于所述导轨上，同一根所述导轨上的两个所述支撑腿之间设置有可调节三角架。

6.如权利要求4所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述可调节三角架包括板条一、板条二和板条三，其中所述板条一的一端与支撑腿一铰接，另一端与所述板条二的一端铰接，所述板条二的另一端与支撑腿二铰接，所述板条一上设置有若干圆孔，所述板条三的一端设置有卡柱，所述卡柱卡扣在其中一个所述圆孔中，所述板条三的另一端与所述支撑腿二铰接。

7.如权利要求5所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述测量装置还包括驱动系统，所述驱动系统包括设置于测量底盘上的电源、设置于所述支撑腿上的电机，以及连接所述电机和所述滚轮的传动装置。

8.如权利要求7所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述滚轮的行走方式为主动轮带动被动轮，所述主动轮通过传动装置与所述电机连接。

9.如权利要求7所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述测量底盘上还设置有用于测量滚轮行走距离的计距装置。

10.如权利要求7所述的异形隧道衬砌变形监测方法，其特征在于，所述测量底盘上还设置有照明装置。