CN112229376A - 一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，通过获取测头绕测杆旋转一周，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，然后拟合算法对数据拟合，确定装置的纠偏角度，然后将水平转轴沿水平刻度盘旋转纠偏角度，使得装置上的水平刻度盘的起始刻度线与隧道的轴线平行，然后获得该装置在轴线纠偏后，测量隧道横断面几何形态得到的测量数据，可以提高数据的准确性。进一步对测量数据进行分析，提高确定隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的准确性。

Description

一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法
技术领域
本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法。
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。
如图1，现有方案提供了一种基于激光扫描的隧道横断面的仪器，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。
由于大多数隧道并不是直线型，隧道修建时会根据地下环境进行不同的规划，隧道的中轴线会出现不同变化(有部分弯曲有部分直线)。现有方案提供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，如此确定出的横断面轮廓与标准的横断面存在角度差，如此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基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，可以提高测量隧道横断面的准确性。具体技术方案如下：
本发明实施例提供了一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，提供检测隧道横断面几何形态的装置，所述装置包括：定位纠偏系统以及测量系统，所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘以及水平转轴，所述水平转轴用于调整检测隧道横断面几何形态的装置与隧道轴线之间的夹角，所述测量系统包括：测杆、测头转轴以及测头，该测头转轴控制所述测头可绕测杆一端旋转测量隧道横断面的几何形态，该测头的两端设置有测距仪，所述检测方法包括：
当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述水平刻度盘；
获取所述测头转轴控制所述测头从所述水平刻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；
将每个侧面的数据转化为极坐标下的点坐标；
针对每个侧面的点坐标，利用预设的拟合算法在笛卡尔坐标系下对所述点坐标进行拟合，获得两组直线方程；
基于所述两组直线方程在所述极坐标系下的角度，确定所述装置的纠偏角度，所述纠偏角度是在所述笛卡尔坐标系下的角度；
将所述水平转轴沿水平刻度盘旋转所述纠偏角度，使得所述装置上的水平刻度盘的起始刻度线与所述隧道的轴线平行；
获取所述装置上的测距仪扫描隧道横断面，得到的隧道横断面几何形态的测量数据；
基于在隧道横断面同一位置的数据，将所述测量数据与预先存储的横断面几何形态的标准数据进行比较，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准。
可选的，所述定位纠偏系统还包括：竖直刻度盘以及竖直转轴，所述竖直转轴用于控制测杆在与所述竖直刻度盘平行的方向内旋转。
可选的，所述当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述隧道地面的步骤，包括：
当所述装置处于隧道内任一位置时，将所述竖直转轴沿着竖直刻度盘旋转，使得测杆在所述竖直刻度盘的起始刻度线位置；
其中，所述竖直刻度盘与所述水平刻度盘垂直。
可选的，在所述当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述水平刻度盘的步骤之前，所述方法还包括：
获取隧道的轴线的坡度值；
将所述坡度值与直角之和，确定为所述装置的倾斜纠偏角度，以使所述竖直转轴沿着所述竖直刻度盘旋所述斜纠偏角度，直至所述测杆与隧道地面垂直。
可选的，所述定位纠偏系统还包括：整平系统以及装置基座，所述定位纠偏系统、测量系统以及整平系统都位于所述基座上，所述整平系统包括：转角螺旋及圆水准气泡，在所述获取隧道的轴线的坡度值之前，所述方法还包括：
调整所述基座的支架长度，使得所述圆水准气泡接近中心位置的预设范围内；
调整所述转角螺旋，使得所述圆水准气泡处于中心位置。
可选的，所述针对每个侧面的点坐标，利用预设的拟合算法在笛卡尔坐标系下对所述点坐标进行拟合，获得两组直线方程的步骤包括：
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；
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。
可选的，所述基于所述两组直线方程在所述极坐标系下的角度，确定所述装置的纠偏角度的步骤，包括：
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，所述极坐标以所述水平刻度盘的起始刻度线为轴；
确定所述两条最优直线的角平分线；
将表示所述角平分线的方程转换为所述极坐标系下的目标方程；
将所述极坐标系的坐标轴与所述目标方程之间的夹角；
将所述夹角确定为所述装置的纠偏角度。
可选的，所述获取所述装置上的测距仪扫描隧道横断面，获得的隧道横断面几何形态的测量数据的步骤包括：
将所述测杆调整至与隧道地面平行；
获取所述测头按照预设的度数步长，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测量数据；
所述基于在隧道横断面同一位置的数据，将所述测量数据与预先存储的横断面几何形态的标准数据进行比较，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的步骤，包括：
将隧道地面中心点作为所述极坐标的基准原点；
将所述测量数据转化为所述极坐标下的极坐标点；
将所述标准数据以及所述极坐标点转化为所述笛卡尔坐标系下的笛卡尔坐标点；
将所述测量数据的笛卡尔坐标点进行逐点连线，获得所述隧道横断面的待定轮廓；
将所述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；
基于在隧道横断面同一位置特征，将所述待定轮廓与所述标准轮廓对比，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准。
可选的，所述基于在隧道横断面同一位置特征，将所述待定轮廓与所述标准轮廓对比，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的步骤包括：
将所述待定轮廓与所述标准轮廓在同一位置处的值做差，确定所述待定轮廓与所述标准轮廓在同一位置处的差值是否在所述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；
如果是，则对在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值超过所述修建标准中规定的差异范围的目标位置。
可选的，在所述如果是，则对在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值超过所述修建标准中规定的差异范围的目标位置的步骤之后，所述方法还包括：
在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值低于所述挖掘差异范围的最小值的第一目标位置；
在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值高于所述挖掘差异范围的最大值的第二目标位置；
当所述待定轮廓为挖掘阶段的隧道横断面轮廓，且所述标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，将所述待定轮廓中所述第一目标位置处标记为挖，将所述第二目标位置处标记为欠挖；
当所述待定轮廓为加固阶段的隧道横断面轮廓，且所述标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，确定所述差值是否在所述修建标准中规定的加固差异范围内，如果否，将差值超过所述加固差异范围的目标位置确定为不合格位置。
本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，提供检测隧道横断面几何形态的装置，该装置包括：定位纠偏系统以及测量系统，所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘以及水平转轴，所述水平转轴用于调整检测隧道横断面几何形态的装置与隧道轴线之间的夹角，所述测量系统包括：测杆、测头转轴以及测头，该测头转轴控制所述测头可绕测杆一端旋转测量隧道横断面的几何形态，该测头的两端设置有测距仪，所述检测方法通过当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述水平刻度盘。本发明实施例通过获取测头绕测杆旋转一周，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，然后拟合算法对数据拟合，确定装置的纠偏角度，然后将水平转轴沿水平刻度盘旋转纠偏角度，使得装置上的水平刻度盘的起始刻度线与隧道的轴线平行，然后获得该装置在轴线纠偏后，测量隧道横断面几何形态，得到的测量数据，可以提高数据的准确性。进一步提高对测量数据进行分析，然后确定隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的准确性。
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一种基于激光扫描的隧道横断面的仪器的结构图；
图2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主体结构图；
图3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主体细节结构图；
图4是本发明的实施例提供的测量系统的结构图；
图5是本发明实施例提供的测距仪的外部结构图；
图6是本发明实施例提供的测距仪的内部结构图；
图7是本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法的流程图；
图8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整体结构图；
图10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11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固定三脚架底座细部图；
图12是本发明实施例提供的倾斜纠偏的过程示意图；
图13是本发明实施例提供的轴线纠偏过程示意图；
图14是本发明实施例提供的断面轮廓测量过程示意图；
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；
图18是本发明实施例提供的输入输出系统的界面示意图；
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-外壳， 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-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。
本发明实施例提供了检测隧道横断面几何形态的装置，使用该装置可实现本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，下面对该检测隧道横断面几何形态的装置做具体介绍。
如图2-图4所示，本发明实施例提供的检测隧道横断面几何形态的装置，包括：
定位纠偏系统以及测量系统，所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘10以及水平转轴16，所述水平转轴16用于调整检测隧道横断面几何形态的装置与隧道轴线之间的夹角，所述测量系统包括：侧头转轴1、测头2以及测杆4，该测头转轴1控制所述测头2可绕测杆4一端旋转测量隧道横断面的几何形态，该测头2 的两端设置有测距仪3。
其中，测头2可以使用紧固螺栓固定在测杆4上，测距仪可以是光电测距仪或者声波测距仪。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。在实际使用时，采用定制的激光测距仪，该测距仪3可在测头2上可拆卸更换。
如图2所示，定位纠偏系统还包括：竖直刻度盘5以及竖直转轴12，竖直转轴12用于控制测杆4在与所述竖直刻度盘5平行的方向内旋转。所述竖直刻度盘5垂直设置在所述水平刻度盘10的中间。
定制的激光测距仪的详细构造如图5以及图6所示，在图5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303位于接收镜302的上方，所述发射镜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6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1
如图7所示，本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，包括：
S71，当装置处于隧道内任一位置时，调整测杆的角度，使得测杆垂直于水平刻度盘。
其中，通过将竖直转轴沿着竖直刻度盘旋转，使得测杆在所述竖直刻度盘的起始刻度线位置。
可以理解，当测量隧道横断面几何形态的装置位于隧道中时，该装置的测杆垂直于水平刻度盘时，测头可以在平行于水平刻度盘的水平方向360度旋转。
S72，获取测头从水平刻度盘的起始刻度线开始，绕测杆旋转一周，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；
S73，将每个侧面的数据转化为极坐标下的点坐标；
其中，起始刻度线是0刻度线，也可以重新设置。以测量隧道横断面几何形态的装置放置的位置为原点，以水平刻度盘0刻度线方向为极坐标轴，建立极坐标系。
如图8，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。
S74，针对每个侧面的点坐标，利用预设的拟合算法在笛卡尔坐标系下对点坐标进行拟合，获得两组直线方程；
其中，预设的拟合算法包括：最小二乘法、基于RBF(Radial Basis Function) 的曲线拟合算法以及三次样条曲线拟合算法。
S75，基于两组直线方程在极坐标系下的角度，确定装置的纠偏角度，纠偏角度是在笛卡尔坐标系下的角度；
S76，将水平转轴沿水平刻度盘旋转纠偏角度，使得装置上的水平刻度盘的起始刻度线与隧道的轴线平行；
S77，获取装置上的测距仪扫描隧道横断面，得到的隧道横断面几何形态的测量数据；
S78，基于在隧道横断面同一位置的数据，将测量数据与预先存储的横断面几何形态的标准数据进行比较，确定隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准。
其中，修建标准是建筑行业标准以及隧道的具体环境制定的。
本发明实施例通过获取测头绕测杆旋转一周，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，然后拟合算法对数据拟合，确定装置的纠偏角度，然后将水平转轴沿水平刻度盘旋转纠偏角度，使得装置上的水平刻度盘的起始刻度线与隧道的轴线平行，然后获得该装置在轴线纠偏后，测量隧道横断面几何形态，得到的测量数据，可以提高数据的准确性。进一步提高对测量数据进行分析，然后确定隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的准确性。
如图9-图11所示，本发明实施例提供的检测隧道横断面几何形态的装置还包括：输入输出系统7、控制系统14以及存储及处理系统15，控制系统14控制测量系统中的水平转轴、竖直转轴以及测头转轴旋转，完成轴线纠偏的数据采集、轴线纠偏以及隧道横断面几何形态的数据采集，存储及处理系统15用于将测量系统采集来的数据存储并处理，根据处理结果像控制系统14发送完成轴线纠偏以及采集隧道横断面几个形态的数据，输入输出系统7用于接收用户输入的指令，并将指令发送至控制系统14，由控制系统14控制测量系统采集数据，发送至存储及处理系统15，存储及处理系统15反馈数据分析结果，该分析结果表示隧道横断面几何形态是否符合建设标准。输入输出系统可以用于如倾斜纠偏及隧道轴线纠偏模式的选择，倾斜纠偏时倾斜角的输入、该装置的里程数的输入等。
可以理解，控制系统14可以控制测量系统采集数据的频率，频率越高采集的数据越多，反之则越少。测距仪在绕测杆旋转时，控制系统可通过定位纠偏系统中，电子刻度盘记录测头所旋转的角度以及每个角度对应的距离数据。
如图9-图11所示，本发明实施例提供的测量隧道横断面几何形态的装置还包括：外壳8，装置基座9，固定三脚架底座11，电源模块13，支座18，脚踏固定设备20，以及支脚21。
其中，控制系统14、存储及处理系统15和电源模块13均设在所述水平刻度盘10上，且所述水平刻度盘10上设有外壳8，用于罩住所述控制系统14、存储及处理系统15和电源模块13，所述外壳8在所述竖直刻度盘5的位置设有缺口使所述竖直刻度盘5、竖直转轴12和测量系统露在所述外壳8外，使所述测量系统中的测杆4可沿所述竖直刻度盘5旋转；在所述控制系统14的上方的所述外壳8 的外部上设有输入输出系统7，所述输入输出系统7与所述控制系统14连接；所述外壳8在所述输入输出系统7的一侧设有圆水准气泡6；测量隧道横断面几何形态的装置还包括固定三角架底座11，所述固定三角架底座11包括：支座18、支脚21、锁紧设备19和脚踏固定设备20，所述支座18与所述支脚21相连接，所述支脚21的中部设有锁紧设备19，所述支脚21的下部设有脚踏固定设备20；所述固定三角架底座11通过支座18与所述装置基座9相连接。输入输出系统7，用于在人机交互过程接收数值或指令。
实施例2
优选的，定位纠偏系统还包括：整平系统以及装置基座9，所述整平系统包括：圆水准气泡6以及转角螺旋17，通过调整转角螺旋17，查看圆水准气泡6是否在中心位置，可以获知检测隧道横断面几何形态的装置是否在隧道的水平位置，如果圆水准气泡6在中心位置，则检测隧道横断面几何形态的装置与隧道地面平行，位于隧道的水平位置。
作为本发明可选的一种实施方式，在所述获取隧道的轴线的坡度值之前，本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法还包括：
步骤一：调整所述基座的支架长度，使得所述圆水准气泡接近中心位置的预设范围内；
步骤二：调整所述转角螺旋，使得所述圆水准气泡处于中心位置。
为了提高测量隧道横断面几何形态的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3
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。
作为本发明可选的一种实施方式，在上述步骤S61之前，本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法还包括：
步骤一：获取隧道的轴线的坡度值；
步骤二：将所述坡度值与直角之和，确定为所述装置的倾斜纠偏角度，以使所述竖直转轴沿着所述竖直刻度盘旋所述斜纠偏角度，直至所述测杆与隧道地面垂直。
如图12中装置的初始状态所示，操作装置的过程如下：在获得倾斜纠偏角度后，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。
实施例4
作为本发明可选的一种实施方式，上述S64的步骤包括：
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 RE-GDA0002797200570000121
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。
实施例5
作为本发明可选的一种实施方式，所述基于所述两组直线方程在所述极坐标系下的角度，确定所述装置的纠偏角度的步骤，包括：
步骤一：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，所述极坐标以所述水平刻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 RE-GDA0002797200570000131
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 RE-GDA0002797200570000132
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 RE-GDA0002797200570000133
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 RE-GDA0002797200570000134
步骤二：确定所述两条最优直线的角平分线；
步骤三：将表示所述角平分线的方程转换为所述极坐标系下的目标方程；
步骤四：将所述极坐标系的坐标轴与所述目标方程之间的夹角；
步骤五：将所述夹角确定为所述装置的纠偏角度。
轴线纠偏过程如图13所示，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。
实施例6
作为本发明可选的一种实施方式，上述S77的步骤包括：
步骤一：将所述测杆调整至与隧道地面平行；
步骤二：获取所述测头按照预设的度数步长，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测量数据。
如图14所示，轴线纠偏后测杆隧道底面垂直，断面轮廓测量时测杆回转90 度至与隧道底面平行的位置。
示例性的，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 RE-GDA0002797200570000141
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)，如图10所示，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。
进一步的，上述S78的步骤包括：
步骤一：将隧道地面中心点作为所述极坐标的基准原点；
步骤二：将所述测量数据转化为所述极坐标下的极坐标点；
步骤三：将所述标准数据以及所述极坐标点转化为所述笛卡尔坐标系下的笛卡尔坐标点；
步骤四：将所述测量数据的笛卡尔坐标点进行逐点连线，获得所述隧道横断面的待定轮廓；
步骤五：将所述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，将所述待定轮廓与所述标准轮廓对比，确定所述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 RE-GDA0002797200570000151
其中：(x0,y0)为极坐标原点在笛卡尔坐标系中的坐标，x0，y0分别为测量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7
作为本发明可选的一种实施方式，上述S78的步骤包括：
步骤一：将所述待定轮廓与所述标准轮廓在同一位置处的值做差，确定所述待定轮廓与所述标准轮廓在同一位置处的差值是否在所述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，则对在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值超过所述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8
作为本发明可选的一种实施方式，在所述如果是，则对在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值超过所述修建标准中规定的差异范围的目标位置的步骤之后，本发明实施例提供的一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法还包括：
步骤一：在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值低于所述挖掘差异范围的最小值的第一目标位置；
步骤二：在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值高于所述挖掘差异范围的最大值的第二目标位置；
步骤三：当所述待定轮廓为挖掘阶段的隧道横断面轮廓，且所述标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，将所述待定轮廓中所述第一目标位置处标记为挖，将所述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：当所述待定轮廓为加固阶段的隧道横断面轮廓，且所述标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，确定所述差值是否在所述修建标准中规定的加固差异范围内，如果否，将差值超过所述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。
如图18所示，本发明实施例提供的检测隧道横断面几何形态的装置中输入输出系统的界面如图18所示。输入输出系统包括：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)。控制系统由模块电路以及对应功能的电机组成。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，进行隧道横断面检测。
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)

1.一种基于轴线纠偏的隧道横断面几何形态的检测方法，提供检测隧道横断面几何形态的装置，所述装置包括：定位纠偏系统以及测量系统，所述定位纠偏系统包括：水平刻度盘以及水平转轴，所述水平转轴用于调整检测隧道横断面几何形态的装置与隧道轴线之间的夹角，所述测量系统包括：测杆、测头转轴以及测头，该测头转轴控制所述测头可绕测杆一端旋转测量隧道横断面的几何形态，该测头的两端设置有测距仪，其特征在于，所述检测方法包括：
当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述水平刻度盘；
获取所述测头转轴控制所述测头从所述水平刻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；
将每个侧面的数据转化为极坐标下的点坐标；
针对每个侧面的点坐标，利用预设的拟合算法在笛卡尔坐标系下对所述点坐标进行拟合，获得两组直线方程；
基于所述两组直线方程在所述极坐标系下的角度，确定所述装置的纠偏角度，所述纠偏角度是在所述笛卡尔坐标系下的角度；
将所述水平转轴沿水平刻度盘旋转所述纠偏角度，使得所述装置上的水平刻度盘的起始刻度线与所述隧道的轴线平行；
获取所述装置上的测距仪扫描隧道横断面，得到的隧道横断面几何形态的测量数据；
基于在隧道横断面同一位置的数据，将所述测量数据与预先存储的横断面几何形态的标准数据进行比较，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述定位纠偏系统还包括：竖直刻度盘以及竖直转轴，所述竖直转轴用于控制测杆在与所述竖直刻度盘平行的方向内旋转。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述隧道地面的步骤，包括：
当所述装置处于隧道内任一位置时，将所述竖直转轴沿着竖直刻度盘旋转，使得测杆在所述竖直刻度盘的起始刻度线位置；
其中，所述竖直刻度盘与所述水平刻度盘垂直。
4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在所述当所述装置处于隧道内任一位置时，调整所述测杆的角度，使得所述测杆垂直于所述水平刻度盘的步骤之前，所述方法还包括：
获取隧道的轴线的坡度值；
将所述坡度值与直角之和，确定为所述装置的倾斜纠偏角度，以使所述竖直转轴沿着所述竖直刻度盘旋所述斜纠偏角度，直至所述测杆与隧道地面垂直。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述定位纠偏系统还包括：整平系统以及装置基座，所述定位纠偏系统、测量系统以及整平系统都位于所述基座上，所述整平系统包括：转角螺旋及圆水准气泡，在所述获取隧道的轴线的坡度值之前，所述方法还包括：
调整所述基座的支架长度，使得所述圆水准气泡接近中心位置的预设范围内；
调整所述转角螺旋，使得所述圆水准气泡处于中心位置。
6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述针对每个侧面的点坐标，利用预设的拟合算法在笛卡尔坐标系下对所述点坐标进行拟合，获得两组直线方程的步骤包括：
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；
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。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述基于所述两组直线方程在所述极坐标系下的角度，确定所述装置的纠偏角度的步骤，包括：
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，所述极坐标以所述水平刻度盘的起始刻度线为轴；
确定所述两条最优直线的角平分线；
将表示所述角平分线的方程转换为所述极坐标系下的目标方程；
将所述极坐标系的坐标轴与所述目标方程之间的夹角；
将所述夹角确定为所述装置的纠偏角度。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，
所述获取所述装置上的测距仪扫描隧道横断面，获得的隧道横断面几何形态的测量数据的步骤包括：
将所述测杆调整至与隧道地面平行；
获取所述测头按照预设的度数步长，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测量数据；
所述基于在隧道横断面同一位置的数据，将所述测量数据与预先存储的横断面几何形态的标准数据进行比较，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的步骤，包括：
将隧道地面中心点作为所述极坐标的基准原点；
将所述测量数据转化为所述极坐标下的极坐标点；
将所述标准数据以及所述极坐标点转化为所述笛卡尔坐标系下的笛卡尔坐标点；
将所述测量数据的笛卡尔坐标点进行逐点连线，获得所述隧道横断面的待定轮廓；
将所述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；
基于在隧道横断面同一位置特征，将所述待定轮廓与所述标准轮廓对比，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述基于在隧道横断面同一位置特征，将所述待定轮廓与所述标准轮廓对比，确定所述隧道横断面几何形态是否符合预设的修建标准的步骤包括：
将所述待定轮廓与所述标准轮廓在同一位置处的值做差，确定所述待定轮廓与所述标准轮廓在同一位置处的差值是否在所述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；
如果是，则对在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值超过所述修建标准中规定的差异范围的目标位置。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在所述如果是，则对在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值超过所述修建标准中规定的差异范围的目标位置的步骤之后，所述方法还包括：
在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值低于所述挖掘差异范围的最小值的第一目标位置；
在所述待定轮廓中，确定与所述标准轮廓的差值高于所述挖掘差异范围的最大值的第二目标位置；
当所述待定轮廓为挖掘阶段的隧道横断面轮廓，且所述标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，将所述待定轮廓中所述第一目标位置处标记为挖，将所述第二目标位置处标记为欠挖；
当所述待定轮廓为加固阶段的隧道横断面轮廓，且所述标准轮廓为挖掘阶段的隧道横断面的标准轮廓时，确定所述差值是否在所述修建标准中规定的加固差异范围内，如果否，将差值超过所述加固差异范围的目标位置确定为不合格位置。
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