CN112229375B - 一种隧道横断面几何形态的检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例一种隧道横断面几何形态的检测装置，检测装置中的竖直转轴控制测杆沿所述垂直刻度盘旋转目标角度，所述水平转轴沿所述水平刻度盘旋转所述第二角度，完成轴线纠偏以及倾斜纠偏，此时装置主体的角度与隧道的坡度相同，然后在测量隧道横断面时，控制竖直转轴旋转直至所述测杆旋转至与隧道地面平行，此时测杆与隧道轴线平行，然后控制所述测头转轴旋转，使测头绕所述测杆一端旋转一周，获得的隧道横断面的几何形态的数据准确性提高，进一步可以提高测量隧道横断面几何形态的准确性。

Description

一种隧道横断面几何形态的检测装置
技术领域
本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种隧道横断面几何形态的检测装置。
背景技术
随着社会经济和生产的迅速发展，隧道工程大量涌现，隧道建设的标准也不断提高。在隧道施工过程中，常会遇到超欠挖的情况，超挖会增加开挖和初支成本，欠挖会导致隧道净空不够、影响初支质量，进而影响结构安全。在隧道运营过程中，结构可能出现收敛变形，不仅影响隧道的正常使用，还会危害到隧道结构的安全。准确测量隧道横断面几何形态，可以及时发现隧道的超欠挖及隧道变形等情况，及时发现隧道的薄弱部分，对于保证隧道施工运营的安全具有重要意义。
现有技术第一种方案是：如图1所示，常常使用全站仪、水准仪直接测取断面上界限控制点的三维坐标进行隧道断面轮廓测量隧道的几何形态，全站仪集合了水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。因此可以获得隧道断面轮廓数据，构建出三维隧道横断面轮廓。进一步根据该轮廓确定该隧道横断面是否发生形变。
第二种方案是：提供了一种基于激光扫描的隧道横断面的仪器如图2，该仪器主要由：该仪器主要由：器架l、脚架2、伸出固定杆3、激光刹距望远镜4、连接螺栓5、租平气泡6、查平气泡7、竖直度盘8、水平度盘9以及自动调平器10。该仪器的器架上设有竖直度盘8和水平度盘9，器架1的顶端表面两侧均固定连接有伸出固定杆3，固定杆3之间连接转轴，转轴固定连接在激光测距望远镜4下端，激光望远镜设有红外定位模块控制激光测距望远镜的测量角度。其工作原理是：使用竖直度盘和水平度盘确定该仪器扫描位置(激光测距望远镜相对于在垂直度盘和水平度盘的位置)，在该位置处该仪器启动自身的激光扫描装置扫描横断面，然后沿着隧道方向再次移动该仪器，重新使用竖直和水平度盘确定该仪器扫描位置，启动扫描。得到测量数据后，对比几组数据确定隧道横断面的几何形态是否发生变化。
由于全站仪、水准仪通常限于测量少量点的坐标，隧道建设会根据地理位置以及环境变化设定不同的方案，很多隧道的坡度以及中轴线会随着实际情况变化，示例性的隧道穿过山体，和传过海底或者平原地面的隧道的坡度以及中轴线会不同。现有技术测量隧道断面使用的水准仪、全站仪需要人工测量多个数据点，检测效率低下。基于激光扫描的隧道横断面的仪器通过转轴控制激光望远镜的位置，在该位置处的激光测距望远镜的扫描角度与中轴线可能并不平行。因此，现有技术测量得到的数据与标准的横断面数据存在差异，导致进一步确定该隧道横断面是否发生形变的准确性降低。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种隧道横断面几何形态的检测装置，可以提高测量隧道横断面几何形态的准确性。具体技术方案如下：
本发明实施例提供的一种隧道横断面几何形态的检测装置，包括：装置主体以及装置基座，所述装置主体包括：定位纠偏系统、测量系统以及控制系统，所述装置主体位于所述装置基座上，
所述测量系统包括：测头转轴、测头以及测杆，所述测头通过所述测头转轴与所述测杆相连，所述测头转轴控制所述测头可绕所述测杆一端旋转；
所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘、垂直刻度盘、水平转轴以及竖直转轴，所述水平刻度盘与所述垂直刻度盘垂直，所述水平转轴控制所述装置主体沿着所述水平刻度盘转动，所述竖直转轴控制所述测杆沿垂直刻度盘转动；
所述控制系统与所述测量系统以及所述定位纠偏系统相连，用于获取纠偏指令，所述纠偏指令中携带有倾斜纠偏的第一角度以及轴线纠偏的第二角度，并根据所第一角度控制所述竖直转轴控制测杆沿所述垂直刻度盘旋转目标角度，根据所述第二角度，控制所述水平转轴沿所述水平刻度盘旋转所述第二角度；
其中所述目标角度是所述第一角度与直角角度之和。
所述控制系统，在测量隧道横断面的几何形态时，控制所述竖直转轴旋转直至所述测杆旋转至与隧道地面平行，并控制所述测头转轴旋转绕所述测杆一端旋转一周，获得隧道横断面的几何形态的数据。
可选的，所述检测装置还包括：壳体，所述壳体用于罩住所述装置主体，所述壳体在所述竖直刻度盘的位置设有缺口使所述竖直刻度盘的部分、所述水平刻度盘、所述竖直转轴和测量系统裸露在所述壳体外，使所述竖直刻度盘裸露在所述壳体的部分可显示刻度，所述测杆伸出所述壳体的一端设置所述测头。
可选的，所述检测装置还包括：圆水准气泡以及至少两个转角螺旋，所述圆水准气泡设定在所述壳体上方，所述转角螺旋位于所述装置基座底部支撑所述装置基座；
所述转角螺旋用于，根据自身被旋转的角度，升高或者降低所述装置基座，直至所述圆水准气泡处于中心位置。
可选的，所述装置主体还包括：所述存储及处理系统，用于，接收所述控制系统获得隧道横断面的几何形态的数据，并对所述数据进行处理，确定所述隧道横断面的几何形态。
可选的，所述控制系统，获取纠偏指令后，控制所述竖直转轴旋转，直至受所述竖直转轴控制的所述测杆垂直于所述水平角度盘；
所述控制系统，控制所述测杆转轴旋转，使所述测头从所述水平角度盘的起始刻度线开始，绕所述测杆旋转一周，测距仪扫描到隧道内的两个侧面时，得到的两个侧面的数据；
所述控制系统，将所述两个侧面的数据发送给所述存储及处理系统；
所述存储及处理系统，基于所述两个侧面的数据，确定所述轴线纠偏的第二角度，并将所述第二角度发送给所述控制系统；
所述控制系统，将所述水平转轴沿水平角度盘旋转所述第二角度，使得水平角度盘的起始刻度线与所述隧道的轴线平行。
可选的，所述测头的两端套设有测距仪，所述控制系统，控制所述测头转轴绕所述测杆一端旋转一周，获得测量仪测量所述隧道横断面的几何形态的数据，并将所述数据发送给存储及处理系统。
可选的，所述装置主体还包括：输入输出系统，所述输入输出系统包括：输入以及显示面板，所述输入以及显示面板位于所述壳体上，所述输入输出系统与所述控制系统相连；
所述输入输出系统，用于接收所述纠偏指令，并将所述纠偏指令发送给控制系统。
可选的，所述检测装置还包括：
固定三角架底座，所述固定三角架底座包括：支座、锁紧设备、脚踏固定设备以及支脚，所述支座与所述支脚相连接，所述支脚设有锁紧设备，用于锁紧所述支脚的伸缩长度，所述支脚远离所述装置基座的一端设有脚踏固定设备，所述支座与所述装置基座相连接。
可选的，所述装置主体还包括：电源模块，所述电源模块以及所述控制系统位于所述水平刻度盘上，所述电源模块与所述控制系统相对设置，所述电源模块，用于为装置主体中的定位纠偏系统、测量系统以及控制系统单独供电。
可选的，所述控制系统，用于接收测量命令，所述测量命令携带有度数步长，并控制所述测头按照所述度数步长，绕着所述测杆旋转扫描隧道横断面，得到的隧道横断面几何形态的数据，发送给存储及处理系统；
所述存储及处理系统，用于基于所述数据，确定所述隧道横断面几何形态是否符合修建标准。
本发明实施例提供的一种隧道横断面几何形态的检测装置，该检测装置包括：装置主体以及装置基座，所述装置主体包括：定位纠偏系统、测量系统以及控制系统，其特征在于，所述装置主体位于所述装置基座上，所述测量系统包括：测头转轴、测头以及测杆，所述测头通过所述测头转轴与所述测杆相连，所述测头转轴控制所述测头可绕所述测杆一端旋转测量隧道横断面的几何形态；所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘、垂直刻度盘、水平转轴以及竖直转轴，所述水平刻度盘与所述垂直刻度盘垂直，所述水平转轴控制所述装置主体沿着所述水平刻度盘转动，所述竖直转轴控制所述测杆沿垂直刻度盘转动；所述控制系统与所述测量系统以及所述定位纠偏系统相连，用于获取纠偏指令，所述纠偏指令中携带有倾斜纠偏的第一角度以及轴线纠偏的第二角度，并根据所第一角度控制所述竖直转轴控制测杆沿所述垂直刻度盘旋转目标角度，根据所述第二角度，控制所述水平转轴沿所述水平刻度盘旋转所述第二角度；所述控制系统，在测量隧道横断面的几何形态时，控制所述竖直转轴旋转直至所述测杆旋转至与隧道地面平行，并控制所述测头转轴旋转绕所述测杆一端旋转一周，获得隧道横断面的几何形态的数据。相比于现有技术，本发明实施例提供的检测装置，竖直转轴控制测杆沿所述垂直刻度盘旋转目标角度，所述水平转轴沿所述水平刻度盘旋转所述第二角度，完成轴线纠偏以及倾斜纠偏，此时装置主体的角度与隧道的坡度相同，然后在测量隧道横断面时，控制竖直转轴旋转直至所述测杆旋转至与隧道地面平行，此时测杆与隧道轴线平行，然后控制所述测头转轴旋转，使测头绕所述测杆一端旋转一周，获得的隧道横断面的几何形态的数据准确性提高，进一步可以提高测量隧道横断面几何形态的准确性。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的现有技术使用全站仪测量隧道横断面的示意图；
图2是本发明实施例提供的现有技术中一种基于激光扫描的隧道横断面的仪器的结构图；
图3是本发明实施例提供的隧道横断面几何形态的检测装置的主体结构图；
图4是本发明的实施例提供的倾斜纠偏的过程示意图；
图5是本发明实施例提供的轴线纠偏过程示意图；
图6是本发明实施例提供的断面轮廓测量过程示意图；
图7是本发明实施例提供的隧道横断面几何形态的检测装置的主体细节结构图；
图8a是本发明实施例提供的输入输出系统的界面示意图；
图8b是本发明实施例提供的隧道横断面几何形态的检测装置的主体细节结构图；
图9是本发明实施例提供的测量隧道横断面几何形态的装置的内设示意图；
图10是本发明实施例提供的隧道横断面几何形态的检测装置的固定三脚架底座细部图；
图11是本发明的实施例提供的测量系统的结构图；
图12是本发明实施例提供的测距仪的外部结构图；
图13是本发明实施例提供的测距仪的内部结构图；
图14是本发明实施例提供的轴线纠偏过程测量系统获得数据的示意图；
图15是本发明实施例提供的断面轮廓测量数据处理的示意图；
图16a是本发明实施例提供的标准断面轮廓与测量得到的实际断面轮廓的对比图；
图16b是本发明实施例提供的超挖欠挖标记图；
图16c是本发明实施例提供的超挖欠挖结果图；
图17a是本发明实施例提供的初衬、二衬施工厚度判断图；
图17b是本发明实施例提供的初衬、二衬施工厚度判断结果标记图；
其中，1-测头转轴，2-测头，3-激光测距仪，301-激光光束，302-接收镜，303-发射镜，4-测杆，5-竖直刻度盘，6-圆水准气泡，7-输入输出系统，8-壳体，9-装置基座，10-水平刻度盘，11-固定三脚架底座，12-竖直转轴，13-电源模块，14-控制系统，15-存储及处理系统，16-水平转轴，17-转角螺旋，18-支座，19-锁紧设备，20-脚踏固定设备，21-支脚。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图3所示，本发明实施例提供的一种隧道横断面几何形态的检测装置，包括：装置主体以及装置基座9，装置主体包括：定位纠偏系统、测量系统以及控制系统14，装置主体位于装置基座9上，控制系统14与测量系统以及定位纠偏系统相连；
测量系统包括：测头转轴1、测头2以及测杆4，测头2通过测头转轴1与测杆4相连，测头转轴1控制测头2可绕测杆4一端旋转；
其中，测头2可以使用紧固螺栓固定在测杆4上，该测头上设置有电子刻度盘，用于记录测头在水平方向上的旋转角度，该电子刻度盘与水平刻度盘同步。
定位纠偏系统包括：水平刻度盘10、垂直刻度盘5、水平转轴16以及竖直转轴12，水平刻度盘10与垂直刻度盘5垂直，水平转轴16控制装置主体沿着水平刻度盘10转动，竖直转轴12控制测杆4沿垂直刻度盘5转动；
控制系统14，用于获取纠偏指令，纠偏指令中携带有倾斜纠偏的第一角度以及轴线纠偏的第二角度，并根据所第一角度控制竖直转轴12控制测杆4沿垂直刻度盘5旋转目标角度，根据第二角度，控制水平转轴16沿水平刻度盘10旋转第二角度；
其中，目标角度是第一角度与直角角度之和，控制系统由模块电路以及对应功能的电机组成。
可以理解，隧道建设会根据地理位置以及环境变化设定不同的方案，很多隧道的坡度会随着实际情况变化，示例性的隧道穿过山体，和传过海底或者平原地面的隧道的坡度会不同。因此为了进一步提高测量隧道横断面几何形态的准确度，需要根据隧道坡度进行倾斜纠偏。
倾斜纠偏的过程如下：
步骤一：获取隧道的轴线的坡度值；
步骤二：将坡度值与直角之和，确定为装置的倾斜纠偏角度，以使竖直转轴沿着竖直角度盘旋斜纠偏角度，直至测杆与隧道地面垂直。
如图4所示，检测装置初始状态所示，在获得倾斜纠偏的第一角度后，把水平刻度盘的0刻度线方向调整到隧道轴线的迎坡方向。此时经过实施例2的整平后，测杆处于水平位置，在输入输出系统中输入轴线坡度值θ后，竖直转轴控制测杆沿垂直刻度盘旋转θ+90°角度，使测杆与隧道底面垂直，完成隧道倾斜纠偏。
如图5所示，隧道轴线方程L轴，虚线是极坐标轴，L与极坐标轴的夹角，即为轴线的纠偏角度α。通过水平转轴沿水平刻度盘旋转相应的纠偏角度，此时仪器水平刻度盘0刻度线与隧道轴线平行。
控制系统14，在测量隧道横断面的几何形态时，控制竖直转轴12旋转直至测杆4旋转至与隧道地面平行，并控制测头转轴1旋转绕测杆4一端旋转一周，获得隧道横断面的几何形态的数据。
如图6所示，轴线纠偏后测杆隧道底面垂直，在测量隧道横断面的几何形态时，测杆回转90度至与隧道底面平行的位置。
本发明实施例提供的隧道横断面几何形态的检测装置，竖直转轴控制测杆沿所述垂直刻度盘旋转目标角度，所述水平转轴沿所述水平刻度盘旋转所述第二角度，完成轴线纠偏以及倾斜纠偏，此时装置主体的角度与隧道的坡度相同，然后在测量隧道横断面时，控制竖直转轴旋转直至所述测杆旋转至与隧道地面平行，此时测杆与隧道轴线平行，然后控制所述测头转轴旋转，使测头绕所述测杆一端旋转一周，获得的隧道横断面的几何形态的数据准确性提高，进一步可以提高测量隧道横断面几何形态的准确性。
实施例2
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图7，本发明实施例1提供的检测装置还包括：壳体8，壳体8用于罩住装置主体，壳体8在竖直刻度盘5的位置设有缺口使竖直刻度盘5的部分、水平刻度盘10、竖直转轴12和测量系统裸露在壳体8外，使竖直刻度盘5裸露在壳体的部分可显示刻度，测杆4伸出壳体8的一端设置测头2。
实施例3
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图7，本发明实施例2提供的检测装置的装置主体还包括：输入输出系统7，输入输出系统7包括：输入以及显示面板，输入以及显示面板位于壳体8上，输入输出系统7与控制系统14相连；
输入输出系统14，用于接收纠偏指令，并将纠偏指令发送给控制系统14。
如图8a所示，输入以及显示面板包括：电源按钮、数字键、模式键(包括倾斜纠偏、轴线纠偏及断面测量三个功能模式)及辅助操作键(确定、返回、前一项、后一项)。
实施例4
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图7以及图8b，本发明实施例2提供的检测装置还包括：圆水准气泡6以及至少两个转角螺旋17，圆水准气泡6设定在壳体8上方，转角螺旋17位于装置基座9底部，支撑装置基座9；
转角螺旋17，用于根据自身被旋转的角度，升高或者降低装置基座9，直至圆水准气泡6处于中心位置。
可以理解，为了提高隧道横断面几何形态的检测装置测量时的准确性，需要对该装置提前进行整平，可以手动调节三脚架进行粗略整平，接着手动调节转角螺旋直至圆水准气泡居中，完成装置的整平工作，此时装置主体处于水平位置。
其中，装置在实际设置时，转角螺旋17与圆水准气泡6的个数为3个，当然转角螺旋17与圆水准气泡6的个数也根据实际情况增加或者减少，个数越多精度越高，整平时耗费时间较长，个数越少精度越低，能较快的完成装置的整平。
实施例5
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图7、图8b以及图9，本发明实施例1提供的检测装置的装置主体还包括：存储及处理系统15，用于接收控制系14获得隧道横断面的几何形态的数据，并对数据进行处理，确定隧道横断面的几何形态。
在图7中，控制系统14设置于存储及存储处理系统15之上，当然控制系统14也可以设置在水平刻度盘的其他位置。
实施例6
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图9，本发明实施例1提供的检测装置的装置主体还包括：电源模块13，电源模块13以及控制系统14位于水平刻度盘5上，电源模块13与控制系统14相对设置，电源模块13，用于为装置主体中的定位纠偏系统、测量系统以及控制系统14单独供电。
实施例7
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图10，本发明实施例1提供的检测装置还包括：固定三角架底座11，固定三角架底座11包括：支座18、锁紧设备19、脚踏固定设备20以及支脚21，支座18与支脚21相连接，支脚21设有锁紧设备19，，用于锁紧支脚的伸缩长度，支脚的远离装置基座9的一端设有脚踏固定设备20，支座18与装置基座9相连接。
可以理解，在隧道运营阶段使用时，可将固定三脚架底座替换为移动底座，通过轨道或地面移动装置，进行隧道横断面几何形态的检测。
实施例8
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，参考图11，本发明实施例4提供的检测装置的测头2的两端套设有测距仪3，控制系统14，控制测头转轴1绕测杆4一端旋转一周，获得测量隧道横断面的几何形态的数据，并将数据发送给存储及处理系统15。
测距仪可3以是光电测距仪或者声波测距仪。在实际使用时，采用定制的激光测距仪，该测距仪3在测头2上可拆卸更换。
定制的激光测距仪的详细构造如图12以及图13所示，在图12中，定制的激光测距仪设置有高精度激光原件，激光原件包括：发射镜303与接收镜302，发射镜位303位于接收镜302的上方，发射镜303用于发射激光光束301，激光测距仪能够实时测距，光点每变动一次，读数都会相应改变。在图13中激光测距仪的尺寸为d0，dim是测量的物体与激光测距仪之间的距离，该激光测距仪的尺寸不同物体距离激光原件的距离不同。该激光测距仪的分辨率达到0.1mm量级，可以满足施工质量控制与隧道变形监测要求。
实施例9
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，本发明实施例6提供的检测装置中的控制系统14，获取纠偏指令后，控制竖直转轴12旋转，直至受竖直转轴12控制的测杆4垂直于水平角度盘10；
控制系统14，控制测杆转轴1旋转，使测头2从水平角度盘10的起始刻度线开始，绕测杆4旋转一周，测距仪3扫描到隧道内的两个侧面时，得到的两个侧面的数据；
控制系统获得两个侧面的数据的过程如下：
如图14，当检测装置位于隧道中时，取水平刻度盘0度方向为测头的电子刻度盘的0度方向，测头绕测杆旋转一周，得到两个侧面的数据，在极坐标系下，两个侧面的数据表示为：
(l1a,α1a)，(l1b,α1b),(l2a,α2a)，(l2b,α2b)...(lna,αna)，(lnb,αnb)
其中，角标a以及角标b用于区分隧道两个侧面的数据，一个侧面的数据角标为a，另一个侧面的数据的角标为b，n表示数据的个数，α表示隧道轴线与极坐标轴的夹角。
控制系统14，将两个侧面的数据发送给存储及处理系统15；
存储及处理系统15，基于两个侧面的数据，确定轴线纠偏的第二角度，并将第二角度发送给控制系统14；
其中，存储及处理系统15，基于两个侧面的数据，确定轴线纠偏的第二角度的过程如下：
步骤一：将每个侧面在极坐标下的点坐标，转化为笛卡尔坐标系下的点坐标；
示例性的，以最小二乘法为例，首先将(l1a,α1a)，(l2a,α2a)，...，(lna,αna)，通过下述公式转化为笛卡尔坐标点：(x1a,y1a)，(x2a,y2a)，...，(xna,yna)，公式(1)为：
Figure GDA0002797198910000111
步骤二：使用最小二乘法对每个侧面在笛卡尔坐标系下的点坐标进行拟合，获得两组直线方程。
为方便数据采集，需要建立极坐标系，本实施方式将极坐标的坐标点转化为笛卡尔坐标系下的坐标点，可以快速的确定拟合得到的两组直线方程。
步骤三：针对每一组直线方程，在符合该直线方程的直线中，确定最优条件的直线，获得两条最优直线；
其中，极坐标系以水平角度盘的起始刻度线为轴。
对于笛卡尔坐标系平面内的多条直线lia，lia满足
Figure GDA0002797198910000121
假设存在一条最优直线La，满足公式(2)，由此得到隧道一个侧面采集的离散点数据的最小二乘拟合直线La。
其中，公式(2)为：
Figure GDA0002797198910000122
i表示一个侧面的数据的序号。
同理，对于笛卡尔坐标系平面内的多条直线lib，lib满足
Figure GDA0002797198910000123
假设存在一条最优直线Lb，满足公式(3)，由此得到隧道一个侧面采集的离散点数据的最小二乘拟合直线Lb。
其中，公式(3)为：
Figure GDA0002797198910000124
步骤四：确定两条最优直线的角平分线；
步骤五：将表示角平分线的方程转换为极坐标下的目标方程；
步骤六：将极坐标的坐标轴与目标方程之间的夹角；
步骤七：将夹角确定为装置的轴线纠偏的第二角度。
如果在该笛卡尔坐标系上求得La以及Lb，可以获得La以及Lb的角平分线方程Lx，再将其转化为极坐标方程即为隧道轴线方程L轴，L与极坐标轴的夹角，即为轴线纠偏的第二角度α。
控制系统，将水平转轴沿水平角度盘旋转第二角度，使得水平角度盘的起始刻度线与隧道的轴线平行。
实施例10
作为本发明实施例提供的可选的实施方式，本发明实施例6提供的检测装置中的控制系统14，用于接收输入输出系统的测量命令，测量命令携带有度数步长，并控制测头按照度数步长，绕着测杆旋转扫描隧道横断面，得到的隧道横断面几何形态的数据，发送给存储及处理系统15；
如图15所示，当度数步长为2度时，测头带动两端的激光测距仪旋转360度，控制系统每隔2度记录一次距离数据，两个测距仪可得到360组数据(d1m,α1m),(d1n,α1n)...(d180m,α180m),(d180n,α180n)，由于测距仪自身有尺寸，测距仪的原件与物体之间的距离受尺寸的影响，因此根据定制激光测距仪本身尺寸d0对上述数据进行修正，按照公式(4)进行修正。公式(4)为：
Figure GDA0002797198910000131
由此得到修正后的标准断面轮廓极坐标数据(l1m,α1m),(l1n,α1n)...(l180m,α180m),(l180n,α180n)，存入数据处理与存储系统。
其中，m以及n用于区分侧头上两端的测距仪，一端测距仪的数据为n，则另一端测距仪的数据为m，反之亦然。
存储及处理系统，用于基于数据，确定隧道横断面几何形态是否符合修建标准。
存储及处理系统基于数据，确定隧道横断面几何形态是否符合修建标准的过程如下：
步骤一：将隧道地面中心点作为极坐标系的基准原点；
步骤二：将测量数据转化为极坐标系下的极坐标点；
步骤三：将标准数据以及极坐标点转化为笛卡尔坐标系下的笛卡尔坐标点；
步骤四：将测量数据的笛卡尔坐标点进行逐点连线，获得隧道横断面的待定轮廓；
步骤五：将标准数据的笛卡尔坐标点进行逐点连线，获得隧道横断面的标准轮廓；
步骤六：基于在隧道横断面同一位置特征，将待定轮廓与标准轮廓对比，确定隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准。
具体过程为：以测头转轴为原点，水平方向为极轴建立极坐标系。测距仪与水平方向的夹角记为α，将测距仪测得的数据点在极坐标系上表示出来，采用逐点连线的方式可得到隧道横断面轮廓A1，见图16a。以隧道底面中点为基准原点，将A1与B1在同一坐标系中表示出来，其中装置所采集的数据极坐标转化为笛卡尔坐标。
以测距仪m的第i组坐标为例，将所采集的数据极坐标转化为笛卡尔坐标，转化公式如下：
Figure GDA0002797198910000141
其中：(x0,y0)为极坐标原点在笛卡尔坐标系中的坐标，x0，y0分别为检测装置与隧道底面中点的水平与竖直距离，在极坐标内自动计算得出。
在钻爆法施工阶段，为判断某一进尺的超欠挖情况，需要得到该进尺的爆后标准断面轮廓，并与设计的标准断面轮廓B1(图16a中粗虚线)作比较。
实施例11
作为本发明可选的一种实施方式，上述实施例10中步骤六包括：
步骤一：将待定轮廓与标准轮廓在同一位置处的值做差，确定待定轮廓与标准轮廓在同一位置处的差值是否在修建标准中规定的差异范围内；
其中，差异范围包括：挖掘差异范围以及加固差异范围；
步骤二：如果是，则对在待定轮廓中，确定与标准轮廓的差值超过修建标准中规定的差异范围的目标位置。
其中，差异范围是根据隧道在不同阶段的施工标准制定的，在开挖阶段，该差异范围是挖掘差异范围，在做初衬、二衬施工阶段，该差异范围是加固差异范围。
实施例12
作为本发明可选的一种实施方式，上述实施例11中的步骤二包括：
步骤一：在待定轮廓中，确定与标准轮廓的差值低于挖掘差异范围的最小值的第一目标位置；
步骤二：在待定轮廓中，确定与标准轮廓的差值高于挖掘差异范围的最大值的第二目标位置；
步骤三：当待定轮廓为挖掘阶段的隧道横断面轮廓，且标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，将待定轮廓中第一目标位置处标记为挖，将第二目标位置处标记为欠挖；
示例性的，如图16a所示，实线表示实际断面轮廓A1，粗虚线表示标准断面轮廓B1，当施工处于挖掘阶段时，比较实际断面轮廓A1与标准断面轮廓B1，分别用不同的标记表示超挖和欠挖情况，对于超挖(欠挖)部分，如图16b，将轮廓线相差超过50mm、100mm及200mm部分分别用不同的标记标出超挖(欠挖)合理、不合理以及严重不合理的情况，爆后断面超欠挖情况如图16c所示。
步骤四：当待定轮廓为加固阶段的隧道横断面轮廓，且标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，确定差值是否在修建标准中规定的加固差异范围内，如果否，将差值超过加固差异范围的目标位置确定为不合格位置。
当施工处于初衬、二衬施工阶段时，需要进行隧道横断面的质量分析，过程如下：
(1)初衬平整度分析
钻爆法隧道常通过喷射混凝土施作初衬，以稳固围岩。为判断初衬的施工质量，在施作初衬后，扫描获得初步衬砌隧道断面轮廓A2(原理同断面轮廓A1得到过程)，根据工程对应的安全等级可确定初衬的施工厚度及标准，再根据标准断面轮廓B1，可得到初衬标准轮廓断面B2，标记出初衬实际施工质量情况(标记过程与图16b标记过程相同)。
(2)二衬净空判断
二衬施作后的断面轮廓需满足净空要求。同理，比较二次衬砌的断面轮廓A3与二次衬砌标准轮廓断面B3，可判断二衬的净空是否满足设计要求。
(3)初衬、二衬厚度判断
如图17a-17b所示，粗实线表示初衬断面轮廓A2，细实线表示二衬的断面轮廓A3，对于同一检测位置，比较初衬的断面轮廓A2与爆后标准断面轮廓A1，二衬的断面轮廓A3与初衬标准断面轮廓A2，可分别判断锚喷混凝土厚度以及二次衬砌的实际厚度，对厚度不达标的部分做进一步处理，辅助控制施工质量。
进一步的，存储及处理系统将记录每次检测衬砌断面得到的断面轮廓为Xi，可得到某位置不同阶段的收敛变形量、总变形量以及变形速度等，以此确定不合格位置。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道横断面几何形态的检测装置，其特征在于，包括：装置主体以及装置基座，所述装置主体位于所述装置基座上，所述装置主体包括：定位纠偏系统、测量系统以及控制系统，所述控制系统分别与所述测量系统以及所述定位纠偏系统相连，
所述测量系统包括：测头转轴、测头以及测杆，所述测头通过所述测头转轴与所述测杆相连，所述测头转轴控制所述测头绕所述测杆一端旋转；
所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘、垂直刻度盘、水平转轴以及竖直转轴，所述水平刻度盘与所述垂直刻度盘垂直，所述水平转轴控制所述装置主体沿着所述水平刻度盘转动，所述竖直转轴控制所述测杆沿垂直刻度盘转动；
所述控制系统，用于获取纠偏指令，所述纠偏指令中携带有倾斜纠偏的第一角度以及轴线纠偏的第二角度，并根据所述第一角度控制所述竖直转轴控制测杆沿所述垂直刻度盘旋转目标角度，根据所述第二角度，控制所述水平转轴沿所述水平刻度盘旋转所述第二角度；
所述控制系统，用于在测量隧道横断面的几何形态时，控制所述竖直转轴旋转直至所述测杆旋转至与隧道地面平行，并控制所述测头转轴旋转绕所述测杆一端旋转一周，获得隧道横断面的几何形态的数据；
其中，所述目标角度是所述第一角度与直角之和。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：壳体，所述壳体用于罩住所述装置主体，所述壳体在所述竖直刻度盘的位置设有缺口使所述竖直刻度盘的部分、所述水平刻度盘、所述竖直转轴和测量系统裸露在所述壳体外，使所述竖直刻度盘裸露在所述壳体的部分可显示刻度，所述测杆伸出所述壳体的一端设置所述测头。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：圆水准气泡以及至少两个转角螺旋，所述圆水准气泡设定在所述壳体上方，所述转角螺旋位于所述装置基座底部支撑所述装置基座；
所述转角螺旋用于，根据自身被旋转的角度，升高或者降低所述装置基座，直至所述圆水准气泡处于中心位置。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述装置主体还包括：存储及处理系统，用于接收所述控制系统获得隧道横断面的几何形态的数据，并对所述数据进行处理，确定所述隧道横断面的几何形态。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，
所述控制系统，获取纠偏指令后，控制所述竖直转轴旋转，直至受所述竖直转轴控制的所述测杆垂直于所述水平角度盘；
所述控制系统，控制所述测杆转轴旋转，使所述测头从所述水平角度盘的起始刻度线开始，绕所述测杆旋转一周，测距仪扫描到隧道内的两个侧面时，得到的两个侧面的数据；
所述控制系统，将所述两个侧面的数据发送给所述存储及处理系统；
所述存储及处理系统，基于所述两个侧面的数据，确定所述轴线纠偏的第二角度，并将所述第二角度发送给所述控制系统；
所述控制系统，将所述水平转轴沿水平角度盘旋转所述第二角度，使得水平角度盘的起始刻度线与所述隧道的轴线平行。
6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述测头的两端套设有测距仪，所述控制系统，控制所述测头转轴绕所述测杆一端旋转一周，获得测量仪测量所述隧道横断面的几何形态的数据，并将所述数据发送给存储及处理系统。
7.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述装置主体还包括：输入输出系统，所述输入输出系统包括：输入以及显示面板，所述输入以及显示面板位于所述壳体上，所述输入输出系统与所述控制系统相连；
所述输入输出系统，用于接收所述纠偏指令，并将所述纠偏指令发送给控制系统。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：
固定三角架底座，所述固定三角架底座包括：支座、锁紧设备、脚踏固定设备以及支脚，所述支座与所述支脚相连接，所述支脚设有锁紧设备，用于锁紧所述支脚的伸缩长度，所述支脚远离所述装置基座的一端设有脚踏固定设备，所述支座与所述装置基座相连接。
9.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述装置主体还包括：电源模块，所述电源模块以及所述控制系统位于所述水平刻度盘上，所述电源模块与所述控制系统相对设置，所述电源模块，用于为装置主体中的定位纠偏系统、测量系统以及控制系统单独供电。
10.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述控制系统，用于接收测量命令，所述测量命令携带有度数步长，并控制所述测头按照所述度数步长，绕着所述测杆旋转扫描隧道横断面，得到的隧道横断面几何形态的数据，发送给存储及处理系统；
所述存储及处理系统，用于基于所述数据，确定所述隧道横断面几何形态是否符合修建标准。
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