CN110360983A - 基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置及其测量方法 - Google Patents

基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置。它包括对中基盘、调平基座、定位盘和高精度测距仪；所述调平基座连接固定于所述对中基盘上；所述调平基座包括位于上端的水平结构，位于所述水平结构上的调平结构，和位于所述水平结构上的调平显示结构；水平结构中部设有第一通孔；所述定位盘位于所述第一通孔内；所述定位盘中部设有接口，所述高精度测距仪位于所述接口内。本发明具有高效率、高精度、低成本的优点。本发明还公开了所述基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置的测量方法。

Description

基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及隧道工程测量技术领域，更具体是它是基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置。更具体地说它是基于精密激光测距仪的隧道运行期拱顶沉降的测量装置。本发明还涉及基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置的测量方法。
背景技术
拱顶沉降是隧道施工及运营中监测围岩与隧道结构稳定的重要项目，为了保证工作质量、防止安全事故发生，对隧道内部拱顶进行沉降监测具有重要意义。传统拱顶沉降测量方法主要分为水准仪配合因瓦挂尺法、水准仪悬挂钢尺法、水准仪倒尺测量和全站仪结合反光片靶标法。
水准仪配合因瓦挂尺法、水准仪悬挂钢尺法或水准仪倒尺测量法需要在拱顶顶部安装悬挂水准尺的挂钩，工作量较大；另外在测量时，需要作业人员将水准尺举起，同时还需要双眼紧盯圆气泡，不仅费时费力，还影响观测精度。
全站仪结合反光片靶标法同样需要先在拱顶顶部布设反光片，增加了布点工作量。另外，由于隧道内光线较暗，增加了对准难度，效率不高，同时观测成本较高。
上述拱顶沉降测量方法均无法满足地铁隧道运营期短时间天窗点作业需求。
现有申请号为：201110393055.X，专利名称为《一种隧道拱顶沉降及净空收敛的监测方法》，其应用于隧道拱顶沉降监测(可全线布点)；其主要设备为测距仪、固定支架、带反光片的反光圆盘；其测量的是斜距，不是真实的拱顶沉降值；其优点为：简单，成本低；缺点为：由于其只能安装在隧道拱腰相对稳定的基岩上，而地铁的拱腰本身存在变形，故该方法无法应用到地铁运营期监测。
现有申请号为：201810077197.7，专利名称为《一种用于实时测量隧道拱顶沉降的监测系统及方法》，其应用于隧道拱顶沉降监测(只能布设在变形较严重的区域，布点范围有限)；其主要设备为：反光片、激光测距仪(测边、测角)、数据传送单元、数据处理单元；其测量的是相对拱顶沉降值；其优点：效率高，精度高；缺点：设备贵, 成本高，无法适用于有几十公里长度的地铁运营期拱顶沉降监测，且无法获取绝对拱顶沉降值。
现有申请号为：201811517142.X，专利名称为《隧道变形实时监测装置及方法》，其应用于隧道拱顶沉降监测(只能布设在变形较严重的区域，布点范围有限)；其主要设备为：水准仪、激光测距仪、数据采集装置、数据基站；其测量的是相对拱顶沉降值；其优点：效率高，精度高；缺点：成本高，无法适用于有几十公里长度的地铁运营期拱顶沉降监测，且无法获取绝对拱顶沉降值(激光测距仪在此专利方法中只用于测净空收敛，不参与拱顶沉降测量)。
由于拱顶沉降是隧道施工及运营中监测围岩与隧道结构稳定的重要项目，为了保证工作质量、防止安全事故发生；因此，现亟需开发一种高效率、高精度、低成本的地铁运营期拱顶沉降测量装置及其测量方法。
发明内容
本发明的第一目的是为了提供一种基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，效率高，操作简单，安全可靠，精度高，成本低，能应用于铁运营期拱顶沉降的测量。
本发明的第二目的是为了提供所述基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置的测量方法。
为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，其特征在于：包括对中基盘、调平基座、定位盘和高精度测距仪；
所述调平基座连接固定于所述对中基盘上；
所述调平基座包括位于上端的水平结构，位于所述水平结构上的调平结构，和位于所述水平结构上的调平显示结构；
水平结构中部设有第一通孔；所述定位盘位于所述第一通孔内；
所述定位盘中部设有接口，所述高精度测距仪位于所述接口内。
在上述技术方案中，所述对中基盘包括第一结构和第二结构；所述第一结构固定于所述第二结构中部、且上端垂直向上伸出所述第二结构；
所述调平结构中部设有固定孔；
所述第一结构与所述固定孔对应连接。
在上述技术方案中，所述第一结构为圆柱形结构；所述第二结构为圆盘形结构；所述第一结构固定于所述第二结构下端、且固定于所述第二结构的圆心上。
在上述技术方案中，所述第一通孔和所述定位盘均为圆形结构；
所述接口为方形结构；所述接口的尺寸与所述高精度测距仪下端的尺寸相配合。
为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：首先，将对中基盘埋设在隧道稳定道床的两根轨枕中间，并通过水平器保证对中基盘埋设水平；
步骤二：其次，将第一结构与固定孔固定连接，从而将调平基座与对中基盘连接固定，并通过调平显示和调平结构将调平基座调平；
步骤三：接着，先用量距尺量取定位盘的高度，然后再将定位盘放入第一通孔内；将高精度测距仪下端置于接口内；
步骤四：再次观察调平显示是否有偏离，若调平显示显示有偏离，通过调平结构将调平基座调平；
步骤五：开机测量前，通过高精度差面尺量取调平基座到对中基盘的高度；
步骤六：开机观测，高精度测距仪的激光束垂直打在隧道拱顶，测出高精度测距仪至隧道拱顶的垂直距离；
步骤七：最后，计算出对中基盘表面至隧道拱顶的距离，
由公式h＝h1+h3-h2计算得出；
其中：h为对中基盘表面至隧道拱顶的距离；
h1为调平基座到对中基盘的高度；
h2为定位盘的高度；
h3为高精度测距仪至隧道拱顶的垂直距离；
步骤八：重复步骤一～步骤六，两次不同时间测量对中基盘表面至拱顶的距离，即可获取隧道拱顶沉降变化量。
所述调平基座和所述高精度测距仪均为现有技术。
本发明具有如下优点：
(1)本发明结构简单、成本低，效率高，可获取地铁运行期隧道拱顶沉降的绝对值，特别针对地铁运营期监测而设计，且布设的测点还可替代地铁运行期监测中的沉降测点，一物两用(可以替代沉降测量装置)，可大大节约监测成本；
(2)本发明只需在隧道道床上布设对中基盘，无需按照传统测量方式在拱顶顶部布设挂钩或者反光片，降低了安装成本和安装难度；
(3)本发明测量作业时，只需一人携带调平基座、定位盘和高精度测距仪即可完成作业，大大节约了人力成本和降低了测量难度；
(4)本发明只需一个激光测距仪即可完成对隧道拱顶沉降的测量，本发明通过对中基盘和可调平基座，保证激光点能垂直打到地铁运营期隧道拱顶顶部，获取隧道拱顶沉降量，监测作业简单方便，且精度高、效率高；
(5)本发明的监测精度较高，为0.5mm～0.7mm，与高精度全站仪的监测测精度相当。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为图1中不包括高精度测距仪的左视结构示意图。
图3为本发明对中基盘立体结构示意图。
图4为图3的左视结构示意图。
图5为图3的俯视结构示意图。
图6为本发明定位盘立体结构示意图。
图7为本发明调平基座立体结构示意图。
图8为图7的俯视结构示意图。
图9为图7的左视结构示意图。
图10为本发明实施例工作结构示意图。
图10中，E为钢轨顶面，F为线路中心线；G为拱顶沉降监测点； H为道床沉降监测点。
图中1-对中基盘,1.1-第一结构,1.2-第二结构,2-调平基座,2.1-水平结构,2.2-调平结构,2.21-固定孔,2.3-调平显示,3-定位盘,3.1-接口,4-高精度测距仪。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，包括对中基盘1、调平基座2、定位盘3和高精度测距仪4；
所述调平基座2通过第一结构1.1连接固定于所述对中基盘1 上；对中基盘1可保证测点平面位置不变，对中基盘1上部球头可代替沉降观测点，从而可以测量绝对拱顶沉降量；
所述调平基座2包括位于上端的水平结构2.1，位于所述水平结构2.1上的调平结构2.2，和位于所述水平结构2.1上的调平显示2.3 结构；调平基座2可保证高精度测距仪激光束铅直；
水平结构2.1中部设有第一通孔2.11；所述定位盘3位于所述第一通孔2.11内；
所述定位盘3中部设有接口3.1，所述高精度测距仪4位于所述接口3.1内(如图1、图2所示)；定位盘3可保证高精度测距仪激光线在平面上的投影位置不变；高精度测距仪4可保证拱顶测量精度。
所述对中基盘1包括第一结构1.1和第二结构1.2；所述第一结构1.1固定于所述第二结构1.2中部、且上端垂直向上伸出所述第二结构1.2；(如图3、图4、图5、图6所示)；
所述调平结构2.2中部设有固定孔2.21；
所述第一结构1.1与所述固定孔2.21对应连接(如图5、图7、图8、图9所示)；第一结构1.1为螺柱结构，固定孔1.21为螺孔结构，第一结构1.1与固定孔1.21通过螺纹连接固定，从而连接固定调平基座2和对中基盘1。
所述第一结构1.1为圆柱形结构；所述第二结构1.2为圆盘形结构；所述第一结构1.1固定于所述第二结构1.2下端、且固定于所述第二结构1.2的圆心上。
所述第一通孔2.11和所述定位盘3均为圆形结构；
所述接口3.1为方形结构；所述接口3.1的尺寸与所述高精度测距仪4下端的尺寸相配合(如图1、图2所示)；高精度测距仪4下端紧固安装在接口3.1内，从而将高精度测距仪4固定在定位盘3上，提高监测精度；防止高精度测距仪4移动、影响监测精度。
参阅附图可知：所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置的测量方法，包括如下步骤，
步骤一：首先，将对中基盘1(即第一结构1.1)埋设在隧道稳定道床的两根轨枕中间，并通过调平装置调平对中基盘1；将调平装置放置在对中基盘1上端调平对中基盘1，保证对中基盘1埋设的水平性；
步骤二：其次，将第一结构1.1与固定孔2.21固定连接，从而将调平基座2与对中基盘1连接固定，并通过调平基座2上的调平显示2.3和调平结构2.2将调平基座2调平；
步骤三：接着，先用量距尺量取定位盘3的高度h2(如图6所示)，然后再将定位盘3放入调平基座2上的第一通孔2.11内；将高精度测距仪4下端置于接口3.1内，并通过定位盘3上针对高精度测距仪4加工的接口3.1，将高精度测距仪4固定在定位盘3内；
步骤四：再次观察调平基座2上的调平显示2.3是否有偏离，若调平显示2.3显示有偏离，通过调平结构2.2将调平基座2调平；如果有偏离再对其进行微调，保证整套装置系统严格水平；
步骤五：高精度测距仪4开机测量前，通过高精度差面尺量取调平基座2到对中基盘1的高度h1(如图1所示)；
步骤六：开机观测，高精度测距仪4的激光束垂直打在隧道拱顶，测出高精度测距仪4至隧道拱顶的垂直距离h3；
步骤七：最后，对中基盘1底部(即：第二结构1.2；也即：地面)至拱顶的距离，由公式h＝h1+h3-h2计算得出；
其中：h为对中基盘表面至隧道拱顶的距离；
h1为调平基座到对中基盘的高度；
h2为定位盘的高度；
h3为高精度测距仪至隧道拱顶的垂直距离；
步骤八：重复步骤一～步骤六，两次不同时间测量对中基盘表面至拱顶的距离，即可获取隧道拱顶沉降变化量。
实施例
现以本发明应用于某地地铁地铁运营期隧道拱顶沉降的测量为实施例进行详细说明，对本发明应用于其他地铁地铁运营期隧道拱顶沉降的测量同样具有指导作用。
全线布点，范围三十五公里，拱顶沉降监测点每30米布设一个，和道床沉降监测点对应布置；拱顶沉降监测点布设在整体道床上，并位于线路中心线上的两根轨枕中间，具体埋设位置可根据现场实际情况适当进行调整。具体布设示意图如图10所示。
1)首先，将对中基盘埋设在布设的拱顶沉降监测点上(即为：隧道稳定道床的两根轨枕中间)，并通过调平气泡保证埋设的水平性；
2)其次，位于对中基盘中部的第一结构通过螺纹连接于调平基座中部的固定孔2.21中，从而连接固定对中基盘与调平基座，并通过调平基座上的对中气泡将基座调平；
3)接着，先用量距尺量取定位盘的高度h2，然后再将定位盘放入调平基座内；并通过定位盘上针对高精度测距仪加工的接口，将高精度测距仪固定在定位盘内；
4)再次观察调平基座气泡是否有偏离，如果有偏离再对其进行微调，保证整套装置系统严格水平；
5)开机测量前，通过高精度差面尺量取可调平基座到对中基盘的高度h1；
6)开机观测，高精度测距仪的激光束垂直打在拱顶，测出高精度测距仪至拱顶的垂直距离h3；
7)最后，调平基座底部(地面)至拱顶的距离h，由公式 h＝h1+h3-h2计算得出；
通过不同期的拱顶测量值比较即可获取隧道拱顶沉降变化量；
8)完成该拱顶监测点测量后，按照上述步骤开展下一拱顶监测点的测量，依次类推，直至完成整个隧道区间的拱顶沉降监测。
结论：采用本发明测量某地地铁地铁运营期隧道的拱顶沉降，效率高，操作简单，安全可靠，成本低，精度高(监测精度为0.5mm)。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置及其测量方法与现有技术装置及其测量方法相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
由上表可知，本发明所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置及其测量方法与现有技术装置及其测量方法相比，测量精度与高精度全站仪测量法的测量精度相当，本发明测量成本及测量效率高于高精度全站仪测量法；本发明的测量精度和测量效率均高于现有技术的其他测量方法，装置成本和观测成本均低于现有技术的其他测量方法(水准仪配合因瓦挂尺法、水准仪悬挂钢尺法、水准仪倒尺测量法、全站仪结合反光片靶标法)。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (5)

1.基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，其特征在于：包括对中基盘(1)、调平基座(2)、定位盘(3)和高精度测距仪(4)；
所述调平基座(2)连接固定于所述对中基盘(1)上；
所述调平基座(2)包括位于上端的水平结构(2.1)，位于所述水平结构(2.1)上的调平结构(2.2)，和位于所述水平结构(2.1)上的调平显示(2.3)结构；
水平结构(2.1)中部设有第一通孔(2.11)；所述定位盘(3)位于所述第一通孔(2.11)内；
所述定位盘(3)中部设有接口(3.1)，所述高精度测距仪(4)位于所述接口(3.1)内。
2.根据权利要求1所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，其特征在于：所述对中基盘(1)包括第一结构(1.1)和第二结构(1.2)；所述第一结构(1.1)固定于所述第二结构(1.2)中部、且上端垂直向上伸出所述第二结构(1.2)；
所述调平结构(2.2)中部设有固定孔(2.21)；
所述第一结构(1.1)与所述固定孔(2.21)对应连接。
3.根据权利要求2所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，其特征在于：所述第一结构(1.1)为圆柱形结构；所述第二结构(1.2)为圆盘形结构；所述第一结构(1.1)固定于所述第二结构(1.2)下端、且固定于所述第二结构(1.2)的圆心上。
4.根据权利要求3所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置，其特征在于：所述第一通孔(2.11)和所述定位盘(3)均为圆形结构；
所述接口(3.1)为方形结构；所述接口(3.1)的尺寸与所述高精度测距仪(4)下端的尺寸相配合。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的基于精密激光测距仪的拱顶沉降测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：首先，将对中基盘(1)埋设在隧道稳定道床的两根轨枕中间，并通过水平器保证对中基盘(1)埋设水平；
步骤二：其次，将第一结构(1.1)与固定孔(2.21)固定连接，从而将调平基座(2)与对中基盘(1)连接固定，并通过调平显示(2.3)和调平结构(2.2)将调平基座(2)调平；
步骤三：接着，先用量距尺量取定位盘(3)的高度，然后再将定位盘(3)放入第一通孔(2.11)内；将高精度测距仪(4)下端置于接口(3.1)内；
步骤四：再次观察调平显示(2.3)是否有偏离，若调平显示(2.3)显示有偏离，通过调平结构(2.2)将调平基座(2)调平；
步骤五：开机测量前，通过高精度差面尺量取调平基座(2)到对中基盘(1)的高度；
步骤六：开机观测，高精度测距仪(4)的激光束垂直打在隧道拱顶，测出高精度测距仪(4)至隧道拱顶的垂直距离；
步骤七：最后，计算出对中基盘(1)表面至隧道拱顶的距离，
由公式h＝h1+h3-h2计算得出；
其中：h为对中基盘表面至隧道拱顶的距离；
h1为调平基座到对中基盘的高度；
h2为定位盘的高度；
h3为高精度测距仪至隧道拱顶的垂直距离；
步骤八：重复步骤一～步骤六，两次不同时间测量对中基盘(1)表面至拱顶的距离，即可获取隧道拱顶沉降变化量。
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