CN108592875B - 一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明为地下工程技术领域，具体涉及一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，包括以下步骤：(1)设备安装；(2)数据采集；(3)初设最优平面方程；(4)建立优化目标函数；(5)求解最优平面；(6)坐标空间转换。本发明针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立了求取最优监测平面的优化目标函数。并基于所得最优平面，提出将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。本发明所述的计算方法具有实用性强、误差较小的优点。

Description

一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法

技术领域

本发明为地下工程技术领域，具体涉及一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法。

技术背景

当前，围岩硐周位移量测方法主要分为非接触式与接触式两类。非接触式量测方法目前主要有自动化全站仪、三维激光扫描以及近景摄像测量等。其中，自动化全站仪与隧道断面扫描仪投射光斑直径过大，重复测量时无法精准地定位于同一测点，且长期监测时，影响隧洞使用。而三维激光扫描在近些年逐渐被应用于隧道收敛监测，但其所获点云数据的配准、去噪、拼接以及三维建模后的切片等数据处理还存在误差以及可靠性等问题。而近景摄影测量平面转三维的算法尚不成熟，还未进入实际应用阶段。以上非接触性测量方法主要基于光学原理，其测量精度最高仅为毫米级，且受烟雾等环境影响大，从而在花岗岩微小变形条件下无法满足监测要求。

接触式测量方法主要有收敛计、光纤光栅传感技术以及巴塞特收敛测量系统。收敛计目前已可实现全自动化测量，同铟钢丝收敛计一样，精度很高，可以达到0.01mm，但仍然存在对工程施工与运营干扰大等问题。光纤光栅传感技术近年来逐渐被应用于围岩内部位移、盾构隧道管片变形、以及二衬应变等岩土工程施工监测与长期健康诊断中，其主要分为点式、线式以及分布式三种监测方法，但目前光纤传感器在量测围岩收敛变形方面技术尚未成熟，存在铺设难度大、受温度变化影响明显等问题。而巴塞特系统可以实现高精度自动化实时监测的要求，且测量系统主要沿硐周布置，不影响科研与工程活动，因此作为地下实验室隧洞硐周位移监测的首选方法。但同时考虑到其量测设备成本较高且长期监测下不可移动，而地下实验室监测断面很多，因而费用极为昂贵。此外，巴塞特系统的工作原理是通过两个铰接点转角变化与其间的杆件长度来换算围岩变形量，这难免存在假设过多、误差累积的缺陷。隧道断面监测系统测量单元具有较强的通用性，能适用于各种断面形式与断面大小，且对于硐壁表面平整度要求不高，能够满足地下实验室围岩长期变形的高精度、自动化以及实时的稳定测量要求，但由于其收敛计算方法并不成熟，因此在实用性上受到一定能限制。

发明内容

本发明的目的在于克服隧道断面监测系统上述现有技术的不足，提供一种隧道断面监测系统及收敛位移计算方法。

一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，包括以下步骤：

(1)设备安装；

(2)数据采集；

(3)初设最优平面方程；

(4)建立优化目标函数；

(5)求解最优平面；

(6)坐标空间转换。

本发明针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立求取最优监测平面的优化目标函数；并基于所得最优平面，将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。本发明所述的计算方法具有实用性强、误差较小的优点。

优选地，所述设备为隧道断面监测系统。

优选地，步骤(1)中，设备安装的步骤为：a.测点锚头埋设；b.测臂组装；c.采集箱安装；d.传感器与测控软件调试。

优选地，步骤(1)中，测点锚头埋设的步骤为：由高精度全站仪标记出各测点位置和固定电缆的夹钳位置；为传感器和电缆安装钻设固定装置孔，在孔内填入锚固药剂后即刻塞入测点锚头。

优选地，步骤(1)中，测臂组装的步骤为：待全部测点锚头固结稳定后，将关节承轴与传感器分别用螺母固定于相邻锚头的同一侧；再根据相邻测点间的距离截取所需伸缩管长度，而后对其两端进行打磨，并分别插入传感器与关节承轴内，同时拧紧螺栓保证传感器与地面保持垂直；以上为单个测臂组装过程，此后按同样方式于各测点间依次进行，即可将测量单元连接成为整体；在测量部件安装完成后，再利用全站仪测出各锚头实际坐标位置。

优选地，步骤(1)中，采集箱安装的步骤为：使用膨胀螺栓将数据采集箱固定在距量测断面不远的硐壁上，并将各传感器信号线接依次接入数据采集模块；同时，从采集器接出一根数据电缆并延伸至地面与数据中心计算机相连；采集箱通过电缆与地表太阳能电池板相连；将供电线与数据线沿隧洞侧壁分开布置并进行固定与防护。

优选地，步骤(1)中，传感器与测控软件调试的步骤为：调节角度传感器外置转盘，使其箭头标志指向正上方，同时使用微电压读取器检查量测值，设置斜度量程为-25mv～+25mv之间；另外，调节伸缩杆长度，使位移计量程处于600mv～1200mv；在设备全部安装完成后，由数据中心计算机开启数据采集系统，进行测控软件与数据采集器间的调试；确认无误后，设置采集频率为12h/次，进行长期监测试验。

优选地，步骤(2)中，数据采集的方法为：在隧道断面监测系统全部安装完成后，进行初始量测，并记录各测臂角度传感器与位移传感器所输出的初始电压值，再求出倾角与位移的初始值，在隧道断面监测系统正常工作后，将由角度传感器与位移传感器所测倾角θ与位移值L减去各自初始值，即可分别求出相应测臂转角变化量与长度变化量。

优选地，步骤(3)中，初设最优平面方程的为：F(X,Y,Z)_Ω＝0，当最优平面与大地坐标Z轴方向平行时，其方程可表示为a₀+a₁X+a₂Y＝0，式中，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数。

优选地，步骤(4)中，建立优化目标函数是以各测点到平面距离之和的最小值，建立的优化目标函数：

式中，f(X,Y,Z)为目标函数，d_i为任意测点到最优平面的距离，n为除基准点外测点的总个数，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数。

优选地，步骤(5)中，求解最优平面的方法为通过粒子群法或麦夸特法结合全局优化算法。

优选地，步骤(6)中，坐标空间转换的方法是将各测点初始三维坐标转换为该平面内二维坐标，公式为：

式中，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数；(X₀,Y₀,Z₀)为基准点坐标，

为基准点在最优平面的投影点坐标；(X_i,Y_i,Z_i)(i＝0,1,…,n)为各测点大地三维坐标；x_i,y_i为各测点在最优平面内的二维坐标。

优选地，角度传感器的倾角量测以其与输出电压间的多项式关系为基础，即测臂转动的角度θ为：

式中，V_a为角度传感器输出电压；C₀，C₁，…C₅为传感器标定常数；

位移传感器所测位移L与其输出电压呈线性关系，即：

L＝K_dV_d+b

式中，V_d为位移传感器输出电压，K_d与b为传感器标定常数。

优选地，位移传感器测点i第j次量测时的全局坐标为：

式中，

为位移传感器测点i第j次量测时的全局横纵坐标；

与

为测点i初始位置在i-1局部坐标系下的横纵坐标；L_i为点i与i-1间测臂的初始长度；Δθ_ij为测臂转动的角度变化，ΔL_ij为测臂转动的长度变化。

相对于现有技术，本申请取得了以下有益效果：

推导了隧道断面监测系统测量硐周位移的计算公式，表明通过测臂上位移与角度传感器所获取的相邻两测点间沿测杆的位移与角度变化量，可求出测点间的相对位移量，再由基准点起依次叠加后续测点间的相对位移量即可求得其余各测点相对于基准点的位移变化量。

针对实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立了求取最优监测平面的优化目标函数。并基于所得最优平面，提出了将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法。从而求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立了各点的初始二维坐标。

附图说明

图1为隧道断面监测系统测量单元；

图2为新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移计算方法流程图

图3为硐周位移监测试验平面布置图；

图4为硐周位移测点分布图；

图5为隧道断面监测系统安装完成示意图；

图6为全局坐标系下各测点初始坐标；

图7为相邻测点间的局部坐标系；

图8为测点大地三维坐标与最优监测平面；

图9为测点二维坐标转换；

图10为监测断面初始状态；

图11为各测点位移随时间变化关系曲线；

图12为各向累计位移及其拟合曲线；

图13为隧道断面监测系统监测断面轮廓线长期变化示意图；

1、传感器；2、关节承轴；3、伸缩管；4、测点锚头；5、角度传感器；6、位移传感器；31、支护试验段；32、超前管棚支护；33、硐周位移监测断面；34、超前小导管支护；

具体实施方式

实施例1

本发明提供一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法。该系统主要由测量单元与数据采集系统两大部分组成。每个测点与相邻测臂构成一个测量单元，测量单元包括传感器1、关节承轴2、伸缩管3以及测点锚头4，如图1所示。沿隧洞断面一周将测量单元首尾相接，并由传感器测出相邻测点间的相对位移变化，传递至基准点后，即可得到硐周各测点的绝对位移量。相比巴塞特系统，隧道断面监测系统测量单元结构更为简单，且两者的传感原理不同。

隧道断面监测系统测量单元整体作为独立的工作部，根据所需观测点的数量，增减测量单元即可，相邻测点间测臂长短可通过伸缩管3现场进行调节，因而测量单元通用性较强，能适用于各种断面形式与断面大小，且对于硐壁表面平整度要求不高，在未支护的裸岩上亦可进行安装。此外，测量单元拆解后，除作为固定测点的测点锚头4外，均可以重复使用，可实现模块化拼装。

隧道断面监测系统中传感器1主体由角度传感器5与位移传感器6集成。角度传感器5为MEMS(微电子机械系统)传感器，由采用半导体集成电路技术的半导体芯片组成。位移传感器6分为测量线性位移的线性电位计和测量旋转位移的旋转电位计，允许使用高电压，进而保证通过长缆线进行远距离测量。

隧道断面监测系统传感器具体技术规格如表1所示。相比于巴塞特系统，隧道断面监测系统除角度传感器外，还集成了位移传感器，从而在两测点间仅需一个测臂即可完成角度与位移的传递。因此，隧道断面监测系统简化了巴塞特系统的长短双测臂结构，且避免了其运用固定长度的长短臂来计算位移时所引入的误差，进而形成一系列简单有效的测量单元。隧道断面监测系统中角度传感器为电容式传感器，位移传感器为电阻式，两者根据所传感物理量变化，均转化为微电压的变化进行输出。

表1隧道断面监测系统传感器主要技术规格

隧道断面监测系统数据采集系统包括数据采集器与数据处理软件。其中，数据采集器是一款低成本、体积小巧、含差分通道的研究级数据采集器。数据采集器由时钟控制器、测量和控制电路、供电电源、通讯连接设备、存储设备等构成。其受外界干扰性小，且能够解译多种信号类型的传感器，具有高效与灵活性强等优点。由上述测量单元传感器将信号传输至数据采集器，再通过RS-232通讯方式与远程控制计算机相连，经测控软件可实现自动化实时监测。

采用本发明提供的隧道断面监测系统在北山坑探设施岩体破碎带支护段进行现场监测试验。硐周位移监测试验平面位置与测点分布分别如图3与图4所示。

硐周位移监测断面33位于支护试验段31中部，为超前管棚支护32与超前小导管支护34衔接部位。硐周位移监测断面33共布置5个测臂和6个测点。考虑到截面形式为直墙拱形，除0#点设置于地面，作为基准点(参考点)0#外，其余5个测点均布置于拱部，并以拱轴线为中心对称分布。1#与5#点位于直墙起拱处，3#点位于拱顶，而2#与4#测点则位于拱腰部位。此处基准点0#并非不动点，而仅为量测断面内的相对位置参考点。通过其余各测点相对于基准点的位置变化可换算得到任意两测点间的相对位移值，即相当于常规收敛计监测的测线位移。若需获得各测点的绝对位移值，经硐外大地测量的基准点引测至硐内该参考点处，测得监测断面内参考点的绝对位移量，进而根据其余测点相对于参考点的位移，即可得到各测点的绝对位移。现场试验中考虑到用于引测的全站仪精度低于隧道断面监测系统量测精度，所获绝对位移会引入较大误差，因而未进行测点绝对位移值的量测。

利用隧道断面监测系统进行硐周位移监测试验的主要过程为：

1.设备安装；(1)测点锚头埋设

首先由高精度全站仪标记出各测点位置，保证其位于同一监测平面内。同时，还要标记出固定电缆的夹钳位置。为传感器和电缆安装钻设固定装置孔，在孔内填入锚固药剂后即刻塞入测点锚头，以确保锚头与岩壁的锚固效果。此外，由于0#测点为基准点，为保证具有较高的稳定性，将其与隧洞底板进行一体化浇筑。

(2)测臂组装

待全部测点锚头固结稳定后，将关节承轴与传感器分别用螺母固定于相邻锚头的同一侧。再根据相邻测点间的距离截取所需伸缩管长度(测点间距减去传感器与关节承轴实体部位的总长)，而后对其两端进行打磨，并分别插入传感器与关节承轴内，同时拧紧螺栓保证传感器与地面保持垂直。以上为单个测臂组装过程，此后按同样方式于各测点间依次进行，即可将测量单元连接成为整体。在测量部件安装完成后，再利用全站仪测出各锚头实际坐标位置，以便后续数据修正处理。

(3)采集箱安装

使用膨胀螺栓将数据采集箱固定在距量测断面不远的硐壁上，并将各传感器信号线接依次接入数据采集模块。同时，从采集器接出一根数据电缆并延伸至地面与数据中心计算机相连。出于现场试验条件所限，采集箱通过电缆与地表太阳能电池板相连，以保证供电。将供电线与数据线沿隧洞侧壁分开布置并进行固定与防护，以防受到施工活动的干扰。

(4)传感器与测控软件调试

调节角度传感器外置转盘，使其箭头标志指向正上方，同时使用微电压读取器检查量测值，设置斜度量程为-25mv～+25mv之间。另外，调节伸缩杆长度，使位移计量程处于600mv～1200mv。在设备全部安装完成后，由数据中心计算机开启数据采集系统，进行测控软件与数据采集器间的调试。确认无误后，设置采集频率为12h/次，进行长期监测试验。隧道断面监测系统全部安装完成后如图4所示。

2.数据采集

隧道断面监测系统与巴塞特系统一样，为基于测量断面内二维坐标系的硐周收敛位移量测方法。隧道断面监测系统相对于巴塞特系统增加了一个位移传感器，从而简化了测量单元的结构，因此两者的测量原理存在较大差异。隧道断面监测系统中任意相邻的两个监测点均由一个测臂相连，两测点间的相对位置变化会引起其间测臂长度与角度产生相应改变，因而通过测臂上的位移与角度传感器可获取测臂转角变化量与长度变化量，进而能够求出测点间的相对位移量。由于首个测点一般作为基准点，往往认为其位置不发生变化，因此依次递加后续相邻测点间的相对位移即可求得其余各测点相对于基准点的位移变化量。

3.初设最优平面方程；

隧道断面监测系统具体量测原理如下：

假定测点由基准点起，按0,1,2,…顺序进行编号。则在量测平面内的全局坐标系下，各测点初始坐标为

其中，横坐标x的上标G表示全局坐标；第一个下标为测点序号，n表示除基准点外测点的总个数；第二个下标为量测次数，0表示测量前各点的初始位置，如图6所示。

现考察相邻测点间产生相对位移的一般情况。以任意测点i为例，建立相对于点i-1的局部坐标系，如图7所示。实际中，测点i-1与i均发生移动，故以点i-1初始位置为原点，将两点间测臂进行平移，可获得测臂在任意时刻的相对位置。其中，点i与i-1间测臂的初始长度为L_i，θ是测臂转动的角度，在第j次测量时，测臂转动的角度变化为Δθ_ij，长度变化为ΔL_ij。

测点i初始位置的局部坐标为

式中，

与

为测点i初始位置在i-1局部坐标系下的横纵坐标。

同时，可得测臂初始长度为

第j次量测时测臂方向上与初始长度等长的点，在局部坐标下的横坐标为

同理可得，纵坐标为

从而，由测杆臂伸长量ΔL_ij与测臂初始长度L_i的几何关系，可得测点i在第j次量测时的局部坐标为：

而测点i第j次量测时的全局坐标为

式中，

为位移传感器测点i第j次量测时的全局横纵坐标；

与

为测点i初始位置在i-1局部坐标系下的横纵坐标；L_i为点i与i-1间测臂的初始长度；Δθ_ij为测臂转动的角度变化，ΔL_ij为测臂转动的长度变化。

因此，取i＝1可求得测点1在第j次量测时相对于基准点0的坐标

而在构建量测断面内的全局坐标系时，往往认为基准点不发生移动，即

因此，由测点1依次进行递推，即可求得此后各点在第j次量测时的全局坐标。

由各次测量所得全局坐标减去相应的初始全局坐标即为所产生的位移Δx_i,j和Δy_i,j为：

至此，通过各测点的初始全局坐标与角度位移传感器所得测臂变化量，即可求出相应的位移变化。

测臂转角与长度变化量计算方法如下：

角度传感器的倾角量测是以其与输出电压间的多项式关系为基础的，即测臂转动的角度θ为：

式中，V_a为角度传感器输出电压；C₀，C₁，…C₅为传感器标定常数。

位移传感器所测位移L与其输出电压呈线性关系，即

L＝K_dV_d+b (10)

式中，V_d为位移传感器输出电压，K_d与b为传感器标定常数。

因此，在隧道断面监测系统全部安装完成后，需进行初始量测，并记录各测臂角度传感器与位移传感器所输出的初始电压值V_a ⁰与V_d ⁰，再按式(9)与(10)求出倾角与位移的初始值θ₀与L₀。在隧道断面监测系统正常工作后，将由角度传感器与位移传感器所测倾角θ与位移值L减去各自初始值，即可分别求出相应测臂转角变化量Δθ与长度变化量ΔL

结合上述原理可知，隧道断面监测系统基于两个传感器的位移量测，无需单独测量测臂长度，且在数据处理中不存在假定因素，因而较于巴塞特系统，其系统误差更小。

4.建立优化目标函数；

隧道断面监测系统安装完成后使用全站仪所得各测点初始坐标，通常是由工程基准点引测得到的大地坐标系下的三维空间坐标，然而隧道断面监测系统是基于监测断面二维坐标系进行硐周位移的量测，因此，需要将空间三维坐标转换成平面二维坐标。而在钻孔埋设测点锚头时，由于人工操作不可避免地存在误差，故很难保证安装后所有测点都能保持在同一个平面内，从而就带来了如何确定最优监测平面的问题。

实际工程中，隧洞断面所在平面与水平面相垂直，因此各测点大地三维坐标(X_i,Y_i,Z_i)(i＝0,1,…,n)与最优监测断面Ω的位置关系，如图8所示。

假定在大地坐标系下最优平面方程为

F(X,Y,Z)_Ω＝0 (12)

由于最优平面与大地坐标Z轴方向平行，因而其方程可表示为

a₀+a₁X+a₂Y＝0 (13)

式中，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数。

以各测点到平面距离之和的最小值，建立优化目标函数

式中，f(X,Y,Z)为目标函数，d_i为任意测点到最优平面的距离，n为除基准点外测点的总个数。

5.求解最优平面；

进而通过粒子群法或麦夸特法结合全局优化算法即可求解出最优监测平面的方程参数a₀，a₁和a₂。

6.坐标空间转换；

采取上述计算方法确定最优监测平面后，需将测点空间三维坐标转换算成该平面内的二维坐标，即

(X,Y,Z)～(x,y) (15)

由图8可知，最优监测平面垂直于水平面，从而在其中建立的二维坐标系其纵向y轴一般选择与大地坐标系的Z轴平行。因此，对各测点X轴与Y轴坐标进行变换时，仅需考察OXY平面，如图9所示。以基准点(X₀,Y₀,Z₀)在最优平面内的投影点作为其中二维坐标的原点，则投影点三维坐标

由方程组

求得。

因此，由空间向量法可得任意测点在最优平面内的二维坐标为

式中，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数；(X₀,Y₀,Z₀)为基准点坐标，

为基准点在最优平面的投影点坐标；(X_i,Y_i,Z_i)(i＝0,1,…,n)为各测点大地三维坐标；x_i,y_i为各测点在最优平面内的二维坐标。

至此，以上即为基于测点至平面距离之和的优化目标函数求取最优监测平面，以及将各测点初始三维坐标转换为该平面内二维坐标的全部过程。

按上述优化与转换方法，求解现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。经全站仪量测，现场试验各测点大地坐标系下的初始三维坐标如表2所示。表中测点按图4所示方式进行编号。同时考虑到大地坐标系下各测点三维坐标数值均较大，优化运算时，可能会发生数值溢出，而大地坐标系原点位置并不影响最优平面求取与坐标转换。因此，将大地坐标原点平移至点(4524348，360610，1606)，则各测点相应初始三维坐标转换为(X_d,Y_d,Z_d)。

表2隧道断面监测系统各测点初始空间三维坐标

按式(14)目标函数，计算各测点所确定的最优监测平面。鉴于平面方程(13)中参数a₀、a₁和a₂乘以任意非零常数均仍为满足方程等式，即仅需求取平面方程参数相互间的比例关系，因此，不妨令a₁＝1，进而所得平面参数为a₀＝-0.4629，a2＝-0.3531。

再求解式(16)方程组得基准点于最优平面上投影点的三维坐标为

最终由式(17)求得各测点在最优平面内的二维坐标，如表3所示。

表3各测点在最优平面内的二维坐标

将各测点绘于二维坐标系下，则监测断面初始状态如图10所示。

采用隧道断面监测系统对北山坑探设施支护试验段围岩变形进行长期监测试验，目前已获得了84d的监测数据，各测点位移量测结果如图11所示。

图11中x与y方向即为平面内坐标轴方向，测点在各自方向上位移为正值表示同坐标轴方向一致，负值则相反，而测点发生总位移以向隧洞内为正，向隧洞外为负。由图中可以看出，各测点累计总位移随时间的推移而近似线性增长，且均为向隧洞内的收缩位移。其中，测点1和5在y方向上的累计位移值向要远小于x方向，表明硐周左右起拱处主要产生水平方向上的收敛位移。测点3在x方向上的位移在小范围内波动，且数值很小，说明拱顶处主要为竖向沉降位移。比较各测点y方向位移可知，拱部所有测点均发生了竖向移动，且自两侧起拱处往拱顶逐渐增大。84d累计总位移最大发生在拱顶处，为0.78mm，而在起拱处位移值最小，左右两侧分别为0.18mm与0.21mm，拱腰处测点2和4的累计位移量则介于两者之间，分别为0.39mm与0.43mm。

经观察，测点位移曲线均与时间大致呈线性关系，因而利用线性方程分别对各测点在x和y方向位移以及累计总位移进行拟合，所得结果如图12所示。

图中各拟合曲线斜率的绝对值K表示测点位移平均变化速率，因此，通过x与y方向位移变化速率间的比值，可求得各测点总位移的等效方向

式中，

为测点位移与水平方向夹角，K_x与K_y分别为测点在x与y方向上位移平均变化速率。

测点各方向位移变化速率与总位移等效方向角如表4所示。

表4测点位移平均变化速率与方向角

基于上述位移方向角，图13给出了监测断面在架设支护并稳定后20d、40d、60d以及80d轮廓线的变化趋势示意。

Claims (4)

1.一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设备安装；设备安装的步骤为：a.测点锚头埋设；b.测臂组装；c.采集箱安装；d.传感器与测控软件调试；

(2)数据采集；数据采集的方法为：在隧道断面监测系统全部安装完成后，进行初始量测，并记录各测臂角度传感器与位移传感器所输出的初始电压值，再求出倾角与位移的初始值，在隧道断面监测系统正常工作后，将由角度传感器与位移传感器所测倾角θ与位移值L减去各自初始值，即可分别求出相应测臂转角变化量与长度变化量；

(3)初设最优平面方程为：a₀+a₁X+a₂Y＝0，式中，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数；

(4)建立优化目标函数，以各测点到平面距离之和的最小值，建立的优化目标函数：

式中，f(X,Y,Z)为目标函数，d_i为任意测点到最优平面的距离，n为除基准点外测点的总个数，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数；

(5)求解最优平面，通过粒子群法或麦夸特法结合全局优化算法；

(6)坐标空间转换，将各测点初始三维坐标转换为该平面内二维坐标，其计算公式为：

式中，a₀，a₁，a₂均为平面方程参数；(X₀,Y₀,Z₀)为基准点坐标，

为基准点在最优平面的投影点坐标；(X_i,Y_i,Z_i)(i＝0,1,…,n)为各测点大地三维坐标；x_i,y_i为各测点在最优平面内的二维坐标；

针对该新型接触式隧洞收敛监测系统实际监测过程中出现的定位偏差，以各测点到平面距离之和的最小值，建立求取最优监测平面的优化目标函数；并基于所得最优平面，将测点空间三维坐标转换算为该平面内二维坐标的计算方法，求解出现场原位监测试验各测点所对应的最优平面，并建立各点的初始二维坐标。

2.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，所述设备为隧道断面监测系统。

3.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，角度传感器的倾角量测以其与输出电压间的多项式关系为基础，即测臂转动的角度θ为：

式中，V_a为角度传感器输出电压；C₀，C₁，…C₅为传感器标定常数；

位移传感器所测位移L与其输出电压呈线性关系，即：

L＝K_dV_d+b

式中，V_d为位移传感器输出电压，K_d与b为传感器标定常数。

4.根据权利要求1所述的一种新型接触式隧洞收敛监测系统收敛位移的计算方法，其特征在于，位移传感器测点i第j次量测时的全局坐标为：

式中，

为位移传感器测点i第j次量测时的全局横纵坐标；

与

为测点i初始位置在i-1局部坐标系下的横纵坐标；L_i为点i与i-1间测臂的初始长度；Δθ_ij为测臂转动的角度变化，ΔL_ij为测臂转动的长度变化。

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