CN108931230A - 一种狭长型隧道变形监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种狭长型隧道变形监测方法，适用于对狭长型的隧道进行变形监测，相对于现有的隧道监测方法，本发明通过在测量机器人间设置搭接点组，以两端的基准点组的已知坐标为起算数据，借助搭接点组对所有测量机器人及搭接点组的坐标进行推算，并对推算出的近似坐标利用间接平差原理进行平差，在一些特定的隧道地形中，比如隧道长度过长或隧道弯曲度过大的情况下，仍然能够实现基准点组坐标的获取以及隧道内所有未知坐标点的坐标确定，同时对监测点坐标进行准确获取，从而实现对隧道变形情况更为精确的监测。

Description

一种狭长型隧道变形监测方法

技术领域

本发明属于工程监测领域，主要涉及一种在狭长型隧道内的多搭接点后方交会导线测量 及三角高程高差测量方法。

背景技术

隧道通常埋于地下或是横穿山体，受地质、水文条件的影响大，在外界因素作用下，隧 道可能出现下沉、收敛等变形，影响隧道的正常使用。为了获取隧道变形情况，需对隧道结 构进行变形监测。目前隧道监测工程中，主要采用导线测量和三角高程测量的方式传递坐标 和高差，而导线测量精度及三角高程测量精度不足会影响隧道结构变形监测的准确性。

导线测量及三角高程测量的精度主要取决于方向观测值误差、斜距观测值误差、天顶距 观测值误差、仪器对中误差及大气折光误差。狭长型隧道工程通常为扁平状的建(构)筑物， 横断面窄，或隧道长度长，两端基准点虽能直接通视，但由于布设导线距离过长，受大气折 光误差影响，测量精度难以提高；或隧道出现曲线，两端基准点无法直接通视，且布设导线 距离较短，受仪器对中误差影响，测量精度难以提高。此时，利用现有的监测方法不能准确 获取狭长型隧道变形情况。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种狭长型隧道变形监测方法，通过本发明 中的技术方案，可以借助测量机器人间的搭接点组传递基准点组的坐标，相对于现有的隧道 监测方法，在一些特定的隧道地形中，比如隧道长度过长或隧道弯曲度过大的情况下，仍然 能够实现对监测点三维坐标的准确获取，对监测点进行监测。

本发明采用以下技术方案：

一种狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、在隧道两端非变形区域分别设置第一基准点组和第二基准点组；

在隧道两端之间均匀设置两个或两个以上的测量机器人；最接近隧道两端的两个所述测 量机器人可直接观测到与其邻近的所述第一基准点组或第二基准点组；

在相邻的所述测量机器人间设置搭接点组；所述搭接点组可以被两侧相邻的所述测量机 器人直接观测到；

在隧道变形区域设置监测点；所述第一基准点组和第二基准点组的三维坐标已知；

S2、所有所述测量机器人对其相邻的所述基准点组，所述搭接点组及所述监测点进行测 量得到方向值、天顶距值和斜距值，并对所述方向值、天顶距值和斜距值进行粗差检验；

S3、分别以所述第一基准点组和所述第二基准点组的已知三维坐标为起算数据，根据S2 中得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以所述搭接点组作为坐标的换算中介，以后方交 会方法及三角高程测量方法推算出所有所述测量机器人和所述搭接点组各自的两组近似三维 坐标；利用间接平差原理对每个测量机器人及每个搭接点组的两组近似三维坐标进行平差， 得到所有所述测量机器人和所述搭接点组的准确三维坐标；

S4、所述监测点附近的所述测量机器人以自身的准确三维坐标为起算数据，根据对所述 监测点测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以极坐标方式推算出监测点的三维坐标， 从而实现对监测点的监测。

进一步的，所述步骤S3的具体步骤包括：

S31、以所述第一基准点组的已知三维坐标为起算数据，根据最靠近所述第一基准点组的 所述测量机器人对所述第一基准点组测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以后方交 会方法推算出最靠近所述第一基准点组的所述测量机器人的近似平面坐标，以三角高程测量 方法推算出最靠近所述第一基准点组的所述测量机器人的近似高差，所述近似平面坐标与所 述近似高差组成所述测量机器人的近似三维坐标；最靠近所述第一基准点组的所述测量机器 人再以自身的近似三维坐标为起算数据，通过对相邻的所述搭接点组测量得到的所述方向值、 天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量方法推算出相邻的所述搭接点组的近似 三维坐标；以所述相邻的搭接点组的近似三维坐标为起算数据，通过另一侧相邻的所述测量 机器人对其测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量方 法推算出另一侧相邻的所述测量机器人的近似三维坐标；直至以所述第一基准点组的已知三 维坐标为起算数据，推算出所有所述搭接点组及所述测量机器人的一组近似三维坐标；

同理，以所述第二基准点组的已知三维坐标为起算数据，推算出所有所述搭接点组及所 述测量机器人的另一组近似三维坐标；

S32、利用间接平差原理，对步骤S31中得到的两组三维近似坐标进行平差，得到所有所 述搭接点组及所述测量机器人的准确三维坐标。

进一步的，所述利用间接平差原理对两组近似三维坐标进行平差的具体步骤包括：

根据所述得到的两组近似三维坐标，建立误差方程组，并确定误差方程组的权，以所述 误差方程组建间接平差的法方程；

按照最小二乘原理解算所述法方程得出所述两组近似坐标的改正数，结合所述近似三维 坐标可得到所对应的准确三维坐标。

进一步的，所述测量机器人为高精度智能型全站仪；在所述基准点组，所述搭接点组， 所述监测点放置监测棱镜。

进一步的，所述第一基准点组和所述第二基准点组分别包括不少于3个基准点。

进一步的，所述搭接点组包括设置在隧道单侧或两侧的若干个搭接点。

进一步的，所述搭接点组包括设置在隧道两侧的数量相同的两组搭接点。

进一步的，所述搭接点组包括的两组搭接点数量分别不少于3个。

进一步的，相邻的所述测量机器人间设置的所述搭接点组包括的所述搭接点按一定间隔 均匀分布。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

本发明提供了一种狭长型隧道变形监测方法，适用于对狭长型的隧道进行变形监测，相 对于现有的隧道监测方法，本发明通过在测量机器人间设置搭接点组，借助搭接点组传递基 准点组的坐标，在一些特定的隧道地形中，比如隧道长度过长或隧道弯曲度过大的情况下， 仍然能够实现隧道内监测点三维坐标的准确获取，达到隧道结构变形监测的目的。

附图说明

图1为本发明中实施例中所述的一种狭长型隧道变形监测方法的步骤示意图；

图2为本发明中实施例中所述的隧道变形监测方法的步骤S3的具体实现步骤示意图；

图3为本发明中实施例中所举实例的布局示意图。

具体实施方式

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施方式对本发明 的构思、具体步骤及产生的技术效果作进一步说明。

如图1所示，本实施例公开了一种狭长型隧道变形监测方法，该方法包括以下步骤：

S1、在隧道两端非变形区域分别设置第一基准点组和第二基准点组；

在隧道两端之间均匀设置两个或两个以上的测量机器人；最接近隧道两端的两个测量机 器人可直接观测到与其邻近的第一基准点组或第二基准点组；

在相邻的测量机器人间设置搭接点组；搭接点组可以被两侧相邻的测量机器人直接观测 到；

在隧道变形区域设置监测点；第一基准点组和第二基准点组的三维坐标已知；

采用此布设方法，测量机器人间不需要通视；搭接点间不需要通视；基准点间不需要通 视；基准点只需与最邻近测量机器人通视；测量机器人只需与搭接点通视。点位布设灵活， 能够有效适应狭长型隧道等困难监测环境。

具体的，在实际工程中，需要利用VT检验方法对第一和第二基准点组进行检验，剔除 不稳定基准点，保证测量精度。

具体的，在实际工程中，所使用的测量机器人为高精度智能型全站仪，在第一基准点组 和第二基准点组，搭接点组，监测点放置监测棱镜；高精度智能型全站仪是一种集自动目标 识别、自动照准、自动测角与测距、自动目标跟踪、自动记录于一体的测量平台。由于其具 有的ATR自动目标识别模式，当外业人员粗略瞄准棱镜后，自动全站仪即可自动搜索到目标 并进行瞄准，提高作业效率。

具体的，第一基准点组和第二基准点组分别包括不少于3个基准点，基准点组设置在远 离变形区域的隧道两端，保证了基准点组的稳定程度，同时设置不少于3个基准点也保证了 测量的精确度。

具体的，搭接点组包括设置在隧道单侧或两侧的若干个搭接点。

具体的，搭接点组包括设置在隧道两侧的数量相同的两组搭接点，数量相同的两组搭接 点本身可以提高测量的精度，减少坐标推算传递中的产生的测量误差。

具体的，搭接点组包括的搭接点按一定间隔均匀分布，两组搭接点数量分别不少于3个， 这一数量上的设置是由网型精度评定的结果决定的，变形监测基准网最大点位误差位于整网 的中间测站，单导线最弱点位横向中误差和纵向中误差分别为：

横向中误差：

纵向中误差：

其中，m_β为测角中误差；m_s为距离观测中误差；S为基准网两端基准点直接距离；n为测站数。

对于搭接点组包括的两组搭接点数量分别为1个，2个，3个，4个的情况，分别计算12个周期最弱点点位纵向中误差和横向中误差，得到下表所示数据。根据数据可知，4个搭接点的精度最高。而在实际网型布设过程中，考虑到测量机器人小视场角问题，采取3个搭接点的布设方式即可满足规范要求。

S2、所有测量机器人对其相邻的基准点组，搭接点组及监测点进行测量得到方向值、天 顶距值和斜距值，并对方向值、天顶距值和斜距值进行粗差检验；

实际工程中，对测量得到的方向值、天顶距值和斜距值需进行横向距离闭合检验、角度 闭合检验及闭合环的闭合差检验，降低粗差对数据处理结果的影响。

S3、分别以第一基准点组和第二基准点组的已知三维坐标为起算数据，根据S2中得到的 方向值、天顶距值和斜距值，以搭接点组作为坐标的换算中介，以后方交会方法及三角高程 测量方法推算出所有测量机器人和搭接点组各自的两组近似三维坐标；利用间接平差原理对 每个测量机器人及每个搭接点组的两组近似三维坐标进行平差，得到所有测量机器人和搭接 点组的准确三维坐标；

具体的，如图2所示，步骤S3中的具体步骤包括：

S31、以第一基准点组的已知三维坐标为起算数据，根据最靠近第一基准点组的测量机器 人对第一基准点组测量得到的方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法推算出最靠近第 一基准点组的测量机器人的近似平面坐标，以三角高程测量方法推算出最靠近第一基准点组 的测量机器人的近似高差，近似平面坐标与近似高差组成测量机器人的近似三维坐标；最靠 近第一基准点组的测量机器人再以自身的近似三维坐标为起算数据，通过对相邻的搭接点组 测量得到的方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量方法推算出相邻的 搭接点组的近似三维坐标；以相邻的搭接点组的近似三维坐标为起算数据，通过另一侧相邻 的测量机器人对其测量得到的方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量 方法推算出另一侧相邻的测量机器人的近似三维坐标；直至以第一基准点组的已知三维坐标 为起算数据，推算出所有搭接点组及测量机器人的一组近似三维坐标；

同理，以第二基准点组的已知三维坐标为起算数据，推算出所有搭接点组及测量机器人 的另一组近似三维坐标；

S32、利用间接平差原理，对步骤S31中得到的两组三维近似坐标进行平差，得到所有搭 接点组及测量机器人的准确三维坐标。

具体的，利用间接平差原理对两组近似坐标的具体步骤包括：

根据得到的两组近似三维坐标，建立误差方程组，并确定误差方程组的权，以误差方程 组建间接平差的法方程；

按照最小二乘原理解算法方程得出两组近似三维坐标的改正数，结合近似三维坐标可得 到所对应的准确三维坐标。

具体的，误差方程组包括导线网误差方程和高程网误差方程：

导线网误差方程包括斜距观测值误差方程式和方向观测值误差方程式：

斜距观测值误差方程式如下：

式中：

其中，为k点坐标的近似值，同理得j点。为j,k两点之间距离的近似值。为 斜距观测值误差。

方向观测值误差方程式如下：

其中，为近似坐标方位角；N'_jk为方向观测值；为近似定向角；dα为定向角近似值 的改正数。

高程网误差方程包括高差观测值误差方程式：

其中L_ij＝S_j·cosβ_j-S_i·cosβ_i，为测量机器人至i,j两点的三角高程观测值直接计算的高差。

其中S_i和S_j分别为测量机器人至i,j两点的斜距观测值；β_i和β_j分别为测量机器人观测 i,j两点的天顶距；和为高程近似值的改正数；和为高程近似值。

具体的，误差方程组的权的确定由以下步骤实现：

1、导线网误差方程的权的确定：

斜距观测值S_j(j＝1,2...)的方差为

令：即以测角中误差为导线网平差中的先验单位权中误差，则：

则方向观测值的权p_i＝1；

斜距观测值的权

其中，a,b由所使用的测量机器人决定。

2、高程网误差方程的权的确定：

i,j两点三角高程高差观测值的权值其中C为定权的任意常数。

其中为高差观测值的中误差；

其中，分别为测量机器人对i,j两点的测距中误差；m_βi、m_βj分别为测量机器人 对i,j两点的天顶距观测中误差。

S4、监测点附近的测量机器人以自身的准确三维坐标为起算数据，根据对监测点测量得 到的方向值、天顶距值和斜距值，以极坐标方式推算出监测点的三维坐标，从而实现对监测 点的监测。

接下来以在隧道两端之间设置四个测量机器人为例，其布局示意图如图3所示；单侧隧 道布设4台测量机器人，除去测量机器人1和测量机器人4可以直接观测到基准点组，测量 机器人2和测量机器人3完全不能观测到基准点组，只能通过设置的搭接点组实现相邻测站 坐标系的坐标传递。

测量机器人1以基准点组1的已知三维坐标为起算数据，通过对基准点组1测量得到的 方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量方法推算出自身的近似三维坐 标，接着对搭接点组1进行测量，以自身的近似三维坐标为起算数据，以后方交会方法及三 角高程测量方法推算出搭接点组1的近似三维坐标，测量机器人2以搭接点组1的近似三维 坐标为起算数据，通过对搭接点组1测量得到的方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方 法及三角高程测量方法推算出自身的近似三维坐标，以此类推，直到以基准点组1的已知三 维坐标为起算数据，将所有测量机器人及搭接点组的近似三维坐标推算出。

测量机器人4以基准点组2的已知三维坐标为起算数据，以与上述过程类似的方式，推 算出所有测量机器人及搭接点组的另一组近似三维坐标。

将两组近似三维坐标用以建立误差方程，并确定误差方程的权，以误差方程组建间接平 差的法方程，按照最小二乘原理解算法方程得出近似三维坐标的改正数，结合近似三维坐标 可得到所有搭接点组及所有测量机器人的准确三维坐标。

测量机器人1通过测量基准点组1和搭接点组1实现其视线范围内监测点的测量；测量 机器人2通过测量搭接点组1和搭接点组2实现其视线范围内监测点的测量；测量机器人3 通过测量搭接点组2和搭接点组3实现其视线范围内监测点的测量；测量机器人4通过测量 搭接点组3和基准点组2实现其视线范围内监测点的测量，获取监测点的变形情况。

本发明提供了一种狭长型隧道变形监测方法，适用于对狭长型的隧道进行变形监测，相 对于现有的隧道监测方法，本发明通过在测量机器人间设置搭接点组，借助搭接点组传递基 准点组的坐标，在一些特定的隧道地形中，比如隧道长度过长或隧道弯曲度过大的情况下， 仍然能够，实现隧道内监测点坐标及高差的准确获取，达到隧道结构变形监测的目的，同时 对观测值进行间接平差，避免了仪器对中误差、减弱大气折光误差、方向观测值误差、天顶 距观测值误差及斜距观测值误差的影响。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造 性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本 发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案， 均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、在隧道两端非变形区域分别设置第一基准点组和第二基准点组；

在隧道两端之间均匀设置两个或两个以上的测量机器人；最接近隧道两端的两个所述测量机器人可直接观测到与其邻近的所述第一基准点组或第二基准点组；

在相邻的所述测量机器人间设置搭接点组；所述搭接点组可以被两侧相邻的所述测量机器人直接观测到；

在隧道变形区域设置监测点；所述第一基准点组和第二基准点组的三维坐标已知；

S2、所有所述测量机器人对其相邻的所述基准点组，所述搭接点组及所述监测点进行测量得到方向值、天顶距值和斜距值，并对所述方向值、天顶距值和斜距值进行粗差检验；

S3、分别以所述第一基准点组和所述第二基准点组的已知三维坐标为起算数据，根据S2中得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以所述搭接点组作为坐标的换算中介，以后方交会方法及三角高程测量方法推算出所有所述测量机器人和所述搭接点组各自的两组近似三维坐标；利用间接平差原理对每个测量机器人及每个搭接点组的两组近似三维坐标进行平差，得到所有所述测量机器人和所述搭接点组的准确三维坐标；

S4、所述监测点附近的所述测量机器人以自身的准确三维坐标为起算数据，根据对所述监测点测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以极坐标方式推算出监测点的三维坐标，从而实现对监测点的监测。

2.如权利要求1所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤包括：

S31、以所述第一基准点组的已知三维坐标为起算数据，根据最靠近所述第一基准点组的所述测量机器人对所述第一基准点组测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法推算出最靠近所述第一基准点组的所述测量机器人的近似平面坐标，以三角高程测量方法推算出最靠近所述第一基准点组的所述测量机器人的近似高差，所述近似平面坐标与所述近似高差组成所述测量机器人的近似三维坐标；最靠近所述第一基准点组的所述测量机器人再以自身的近似三维坐标为起算数据，通过对相邻的所述搭接点组测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量方法推算出相邻的所述搭接点组的近似三维坐标；以所述相邻的搭接点组的近似三维坐标为起算数据，通过另一侧相邻的所述测量机器人对其测量得到的所述方向值、天顶距值和斜距值，以后方交会方法及三角高程测量方法推算出另一侧相邻的所述测量机器人的近似三维坐标；直至以所述第一基准点组的已知三维坐标为起算数据，推算出所有所述搭接点组及所述测量机器人的一组近似三维坐标；

同理，以所述第二基准点组的已知三维坐标为起算数据，推算出所有所述搭接点组及所述测量机器人的另一组近似三维坐标；

S32、利用间接平差原理，对步骤S31中得到的两组三维近似坐标进行平差，得到所有所述搭接点组及所述测量机器人的准确三维坐标。

3.如权利要求1或2所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述利用间接平差原理对两组近似三维坐标进行平差的具体步骤包括：

根据所述得到的两组近似三维坐标，建立误差方程组，并确定误差方程组的权，以所述误差方程组建间接平差的法方程；

按照最小二乘原理解算所述法方程得出所述两组近似坐标的改正数，结合所述近似三维坐标可得到所对应的准确三维坐标。

4.如权利要求1所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述测量机器人为高精度智能型全站仪；在所述基准点组，所述搭接点组，所述监测点放置监测棱镜。

5.如权利要求1所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述第一基准点组和所述第二基准点组分别包括不少于3个基准点。

6.如权利要求1所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述搭接点组包括设置在隧道单侧或两侧的若干个搭接点。

7.如权利要求1所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述搭接点组包括设置在隧道两侧的数量相同的两组搭接点。

8.如权利要求8所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，所述搭接点组包括的两组搭接点数量分别不少于3个。

9.如权利要求1所述的狭长型隧道变形监测方法，其特征在于，相邻的所述测量机器人间设置的所述搭接点组包括的所述搭接点按一定间隔均匀分布。