CN109269434B

CN109269434B - 一种直贴式岩壁变形激光扫描系统及其使用方法

Info

Publication number: CN109269434B
Application number: CN201811239492.4A
Authority: CN
Inventors: 汪贤良; 张建海; 李志国
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: CN109269434A

Abstract

本发明公开了一种直贴式岩壁变形激光扫描系统及其使用方法。本发明通过在已开挖的地下硐室岩壁上直接粘贴固定激光距离传感器和反光片，通过微电脑控制，自动扫描位移监测点，存储变形数据，最后将变形数据传输到电脑，通过软件分析，可以快速准确的得出监测点的位移‑时间变化曲线，为围岩稳定性分析评价、监测预警和施工、设计、运营等提供最直观有力的依据。由于安装便捷、不需要进行深部钻孔，所以该设备可以在洞室完成开挖后立即进行变形监测，大大减小了变形损失；另外由于采用自动扫描位移监测点，自动采集存储位移数据，因而受人员影响小，本发明较好的解决了目前位移变形监测技术所面临的难题，且经济实惠，易于操作。

Description

一种直贴式岩壁变形激光扫描系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及地下工程围岩变形监测领域，具体涉及一种直贴式岩壁变形激光扫描系统及其使用方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展和西部大开发的深入推进，地下空间的开发和利用进入新的发展阶段。地下工程主要指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物，包括交通运输方面的铁路、道路、运河隧道，以及地下铁道和水底隧道等；工业和民用方面的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程；军用方面的各种国防坑道；水利发电工程方面的地下硐室、发电厂房以及其他各种水工隧洞等。

大型地下硐室因其跨度大、埋深大、变形大而导致施工难、运营维护难，对其的变形监测也因此变得极为重要。目前，地下硐室围岩变形监测要么采用传统测量仪器进行表观位移监测，要么埋设仪器进行深部位移监测，要么人工巡视，这些方法普遍受人工、仪器、时间影响较大。

目前的地下硐室围岩变形监测手段主要包括：①采用全站仪、经纬仪、水准仪等仪器进行表观位移监测，这种方法的缺点是受人为误差、环境、人员素养的影响较大，且耗时耗力；②通过安装钻孔多点位移计、锚杆应力计、锚索应力计等进行深部应变、应力监测，这种方法的缺点是安装时间长，可能在安装仪器的过程中围岩已经发生了较大的变形，而这部分变形却没有监测到；③通过人工巡视进行监测，这种方法只能发现非常明显的变形和破坏。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种直贴式岩壁变形激光扫描系统及其使用方法解决了地下硐室围岩变形测量不准确的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种直贴式岩壁变形激光扫描系统，包括两个激光距离传感器、直贴式监测仪和固定点，所述直贴式监测仪的形状为一长条，所述直贴式监测仪的一面为监测带，所述监测带上等距离设有若干监测点，每个所述监测点上设有反光片，所述直贴式监测仪的另一面为粘贴面，所述粘贴面上设有粘贴胶，所述直贴式粘贴仪通过粘贴胶粘贴在岩壁上，一个所述激光距离传感器设置在直贴式监测仪一端处，所述直贴式监测仪一端为第一发射点，另一个所述激光距离传感器设置在直贴式监测仪的另一端处，所述直贴式检测仪的另一端为第二发射点，所述固定点设置在硐室内的不动点处，两个所述激光距离传感器均与微电脑连接。

进一步地：两个所述激光距离传感器均通过膨胀螺栓固定。

进一步地：两个所述激光距离传感器的型号均为FTM-50。

一种直贴式岩壁变形激光扫描系统的使用方法，包括以下步骤：

S1、将直贴式监测仪粘贴于监测断面的围岩上；

S2、将固定点设置在硐室内的不动点处，将第一发射点和第二发射点分别设置在直贴式监测仪的两端，并在两个发射点分别设置一个激光距离传感器；

S3、通过激光距离传感器扫描固定点，得到发射点到固定点的距离，并计算发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移；

S4、通过微电脑控制激光距离传感器扫描直贴式粘贴仪监测点上的反光片，得到发射点到监测点的距离，并通过发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移计算监测点的竖向绝对位移和横向绝对位移；

S5、通过微电脑根据监测点的横向绝对位移和竖向绝对位移对监测点进行变形分析，并得到围岩的稳定性评价及预警。

进一步地：所述步骤S3中发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移的计算方法为：

S31、计算发射点A变形前后的竖向绝对位移，计算公式为：

AE＝AG-EG

上式中，A为发射点，AE为发射点A变形前后的竖向绝对位移，AG＝CP＝AP·sin∠PAC，其中，CP为变形前固定点P到发射点A所在水平面的距离，AP为变形前发射点A与固定点P之间的距离，∠PAC为变形前发射点A和固定点P之间的连线AP与A所在的水平面之间的夹角，EG＝C'P＝A'P·sin∠PA'C'，其中，C'P为变形后固定点P到发射点A'所在水平面的距离，A'为发射点A变形后的点，A'P为变形后发射点A'与固定点P之间的距离，∠PA'C'为变形后发射点A'和固定点P之间的连线A'P与发射点A'所在的水平面之间的夹角；

S32、计算发射点A变形前后的横向绝对位移，计算公式为：

A'E＝AH-A'I

上式中，A'E为发射点A变形前后的横向绝对位移，AH＝AC·cos∠CAH，AC＝AP·cos∠PAC，其中，∠CAH为变形前AC与AB所在竖直面之间的夹角，AC为变形前发射点A与固定点P在A所在的水平面上的投影C之间的距离，AB为变形前发射点A与监测点B的距离，AP为变形前发射点A与固定点P之间的距离；A'I＝A'C'·cos∠C'A'I，其中，A'C'为变形后A'与P在过A'的水平面上的投影C'之间的距离，∠C'A'I为变形后A'C'与A'B'所在竖直面的夹角，A'C'为变形后发射点A'与固定点P在A'所在的水平面上的投影C'之间的距离，A'B'为变形后发射点A'与监测点B'的距离。

进一步地：所述步骤S4中监测点的横向绝对位移和竖向绝对位移的计算方法为：

S41、计算监测点B变形前后的竖向绝对位移，计算公式为：

BF＝BD-FD

上式中，B为监测点，BF为监测点B变形前后的竖向绝对位移，BD＝AB·sin∠BAD，AB为变形前发射点A与监测点B之间的距离，∠BAD为AB与A所在水平面间的夹角，FD＝B'D'-AE，B'D'为A'B'在过B'且垂直于平面A'B'D'的平面上的投影，B'为监测点B变形后的点，D'为在ABB'A'平面上过A'的水平线与过B'的竖直线的交点，AE为发射点A变形前后的竖向绝对位移；

S42、计算监测点B变形前后的横向绝对位移，计算公式为：

B'F＝AD-A'D'-A'E

上式中，B'F为监测点B变形前后的横向绝对位移，AD＝AB·cos∠BAD，∠BAD为AB与过A点所在水平面的夹角，A'D'＝A'B'·cos∠B'A'D'，A'B'为变形后发射点A'与监测点B'之间的距离，∠B'A'D'为A'B'与过A'点所在水平面的夹角，A'E为发射点A变形前后的横向绝对位移。

本发明的有益效果为：本发明通过在已开挖的地下硐室岩壁上直接粘贴或用膨胀螺栓固定激光距离传感器和反光片，通过微电脑控制，自动扫描位移监测点，存储变形数据，最后将变形数据传输到电脑，通过软件分析，可以快速准确的得出监测点的位移-时间变化曲线，为围岩稳定性分析评价、监测预警和施工、设计、运营等提供最直观有力的依据。

由于安装便捷、不需要进行深部钻孔，所以该设备可以在洞室完成开挖后立即进行变形监测，大大减小了变形损失；另外由于采用自动扫描位移监测点，自动采集存储位移数据，因而受人员影响小，本发明较好的解决了目前位移变形监测技术所面临的难题，且经济实惠，易于操作。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明流程图；

图3为本发明计算示意图；

图4为本发明的使用示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种直贴式岩壁变形激光扫描系统，包括两个激光距离传感器、直贴式监测仪和固定点，所述直贴式监测仪的形状为一长条，所述直贴式监测仪的一面为监测带，所述监测带上等距离设有若干监测点，每个所述监测点上设有反光片，所述直贴式监测仪的另一面为粘贴面，所述粘贴面上设有粘贴胶，所述直贴式粘贴仪通过粘贴胶粘贴在岩壁上，一个所述激光距离传感器设置在直贴式监测仪一端处，所述直贴式监测仪一端为第一发射点，另一个所述激光距离传感器设置在直贴式监测仪的另一端处，所述直贴式检测仪的另一端为第二发射点，所述固定点设置在硐室内的不动点处，两个所述激光距离传感器均与微电脑连接。

在本发明的一个实施例中，两个激光距离传感器均通过膨胀螺栓固定。

在本发明的一个实施例中，两个激光距离传感器的型号均为FTM-50。

如图3所示，A,B,A',B',F,D,H,E,I,D',G位于同一个竖直面，直线PC'C平行于平面ABB'A'，A为发射点，A'为A变形后的点，P为固定点，B为监测点，B'为B变形后的点，F为过B的竖直线与过B'的水平线的交点，D'为过B'的竖直线与过A'的水平线的交点，E为过A的竖直线与过A'的水平线的交点，G为A在过P的水平面上的投影，C为过P的竖直线与过A的水平线的交点，C'为过P的竖直线与过A'的水平线的交点，H为C在平面ABB'A'上的投影，I为C'在平面ABB'A'上的投影。

如图2所示，一种直贴式岩壁变形激光扫描系统的使用方法，包括以下步骤：

S1、如图4所示，将直贴式监测仪粘贴于监测断面的围岩上。

S2、将固定点设置在硐室内的不动点处，将第一发射点和第二发射点分别设置在直贴式监测仪的两端，并在两个发射点分别设置一个激光距离传感器。

S3、通过激光距离传感器扫描固定点，得到发射点到固定点的距离，如图3所示，并计算发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移，计算方法为：

S31、计算发射点A变形前后的竖向绝对位移，计算公式为：

AE＝AG-EG

S32、计算发射点A变形前后的横向绝对位移，计算公式为：

A'E＝AH-A'I

S4、通过微电脑控制激光距离传感器扫描直贴式粘贴仪监测点上的反光片，得到发射点到监测点的距离，如图3所示，并通过发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移计算监测点的竖向绝对位移和横向绝对位移，计算方法为：

S41、计算监测点B变形前后的竖向绝对位移，计算公式为：

BF＝BD-FD

S42、计算监测点B变形前后的横向绝对位移，计算公式为：

B'F＝AD-A'D'-A'E

Claims

1.一种直贴式岩壁变形激光扫描系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将直贴式监测仪粘贴于监测断面的围岩上；

S4、通过微电脑控制激光距离传感器扫描直贴式监测仪监测点上的反光片，得到发射点到监测点的距离，并通过发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移计算监测点的竖向绝对位移和横向绝对位移；

S5、通过微电脑根据监测点的横向绝对位移和竖向绝对位移对监测点进行变形分析，并得到围岩的稳定性评价及预警；

所述步骤S3中发射点的竖向绝对位移和横向绝对位移的计算方法为：

S31、计算发射点A变形前后的竖向绝对位移，计算公式为：

AE＝AG-EG

S32、计算发射点A变形前后的横向绝对位移，计算公式为：

A'E＝AH-A'I

上式中，A'E为发射点A变形前后的横向绝对位移，AH＝AC·cos∠CAH，AC＝AP·cos∠PAC，其中，∠CAH为变形前AC与AB所在竖直面之间的夹角，AC为变形前发射点A与固定点P在A所在的水平面上的投影C之间的距离，AB为变形前发射点A与监测点B的距离，AP为变形前发射点A与固定点P之间的距离；A'I＝A'C'·cos∠C'A'I，其中，A'C'为变形后A'与P在过A'的水平面上的投影C'之间的距离，∠C'A'I为变形后A'C'与A'B'所在竖直面的夹角，A'C'为变形后发射点A'与固定点P在A'所在的水平面上的投影C'之间的距离，A'B'为变形后发射点A'与监测点B'的距离；

所述步骤S4中监测点的横向绝对位移和竖向绝对位移的计算方法为：

S41、计算监测点B变形前后的竖向绝对位移，计算公式为：

BF＝BD-FD

S42、计算监测点B变形前后的横向绝对位移，计算公式为：

B'F＝AD-A'D'-A'E

上式中，B'F为监测点B变形前后的横向绝对位移，AD＝AB·cos∠BAD，A'D'＝A'B'·cos∠B'A'D'，A'B'为变形后发射点A'与监测点B'之间的距离，∠B'A'D'为A'B'与过A'点所在水平面的夹角，A'E为发射点A变形前后的横向绝对位移。

2.根据权利要求1所述的直贴式岩壁变形激光扫描系统的使用方法，其特征在于，所述直贴式岩壁变形激光扫描系统包括两个激光距离传感器、直贴式监测仪和固定点，所述直贴式监测仪的形状为一长条，所述直贴式监测仪的一面为监测带，所述监测带上等距离设有若干监测点，每个所述监测点上设有反光片，所述直贴式监测仪的另一面为粘贴面，所述粘贴面上设有粘贴胶，所述直贴式监测仪通过粘贴胶粘贴在岩壁上，一个所述激光距离传感器设置在直贴式监测仪一端处，所述直贴式监测仪一端为第一发射点，另一个所述激光距离传感器设置在直贴式监测仪的另一端处，所述直贴式监测仪的另一端为第二发射点，所述固定点设置在硐室内的不动点处，两个所述激光距离传感器均与微电脑连接。

3.根据权利要求2所述的直贴式岩壁变形激光扫描系统的使用方法，其特征在于，两个所述激光距离传感器均通过膨胀螺栓固定。

4.根据权利要求2所述的直贴式岩壁变形激光扫描系统的使用方法，其特征在于，两个所述激光距离传感器的型号均为FTM-50。