CN112697060B - 一种地下洞室变形量监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用除无线电波外的电磁波反射测定目标位置数据技术领域，公开了一种地下洞室变形量监测方法及系统，包括如下测量过程：在地下洞室内选取待测点以及多个位置已知的参考点，用激光测量待测点与各参考点的间距，由待测点与各参考点的间距求取待测点的坐标，由待测点的坐标变化求取地下洞室变形量。本发明中，由待测点与各参考点的间距求取待测点的坐标，在装置安装完毕后即可全自动运行；本发明中采用四节点三维空间定位法解算待测点的空间位置坐标，每次解算出的实数解只有一组，无需进行人工判断，解算过程可全自动进行；本发明中无任何转动件，克服了转动件受震动影响大的问题，可用于有明显震动的场合。

Description

一种地下洞室变形量监测方法及系统

技术领域

本发明涉及应用除无线电波外的电磁波反射测定目标位置数据技术领域，特别是涉及一 种地下洞室变形量监测方法及系统。

背景技术

地下洞室在修建过程中及修建完成后，会不可避免的出现一定程度的变形，变形以沉降 变形为主。因而在地下洞室施工和运营过程中，对其变形量的监测对保障地下洞室安全有重 要作用。

目前的地下洞室变形量测量方法多种多样，包括多种手动测量方法与自动测量方法，但 仍以各种手动测量方法为主。手动测量方法的测量精度受限于测量人员的专业水平、工作方 式，并且劳动量很大，但由于目前的自动测量方法或多或少存在一些使用上的局限性，因而 未能取代手动测量方法。

目前的手动测量方法中，根据测量设备不同，主要包括三类，其一为采用倾斜仪测量， 即人工安装倾斜仪在隧道内壁的不同位置来获得倾斜角和变化，此类方法包括收敛尺法、巴 塞特收敛系统等监测方法；其二为采用水准仪测量，如精密水准仪悬挂钢尺法，该方法测量 精度高，但操作要求高、测量效率低、测量施工干扰大，还存在着挂尺困难等问题；其三为 采用全站仪测量，全站仪三角高程法测量精度可达毫米级，但需要安装反光片或者反光棱镜， 否则精度不好。

目前的自动测量方法中，静力水准仪具有自动化、高效化及高精度等特点，但同时也存 在受震动影响较大，成本较高的问题，很少用于隧道施工时的拱顶下沉监测。基于图像传感 技术的变形监测利用数字图像处理技术对地铁隧道变形进行监测，通过对数字图像进行预处 理，计算光源位置变化得出地铁隧道纵向的变形量，但对目标光源的数字图像数据的分析、 识别以及目标光源圆心位置的计算是十分困难的。基于光纤传感技术的监测由于光纤非常脆 弱，岩土工程变形复杂，传感光纤的合理布设是监测成功与否的关键，但是由于存在分辨率 和价格较高等问题，目前尚未在实际大型土木工程中得到推广应用。

激光测距也可用于定位，通过转动激光头扫描各个反射点，从激光头的转动速度和以及 激光头与反射点的间距进行定位，但这种方法面临着类似静力水准仪的问题，激光头需要转 动，因而受震动影响非常大。

发明内容

本发明提供一种地下洞室变形量监测方法及系统。

解决的技术问题是：现有的地下洞室变形量测量方法中，手动测量方法的测量精度受限 于测量人员的专业水平、工作方式，并且劳动量很大；自动测量方法或多或少存在一些使用 上的局限性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种地下洞室变形量监测方法，包括 如下测量过程：

在地下洞室内选取待测点以及多个位置已知的参考点，用激光测量待测点与各参考点的 间距，由待测点与各参考点的间距求取待测点的坐标，由待测点的坐标变化求取地下洞室变 形量。

进一步，上述测量过程包括以下具体步骤：

步骤一：在地下洞室内建立三维坐标系；

步骤二：在地下洞室内选取至少三个参考点，测量各参考点的坐标，各参考点不得位于 同一直线上；

步骤三：选取一个待测点，用激光测距仪定期测量各参考点与待测点的间距；

步骤四：根据各参考点与待测点的间距以及各参考点的坐标，求取待测点的坐标；

步骤五：由待测点的坐标变化求取地下洞室变形量。

进一步，步骤三中，采用与参考点一一对应的多个激光测距仪分别测量各参考点与待测 点的间距，所述激光测距仪设置在待测点，每个激光测距仪的光束指向对应的参考点并测量 对应的参考点与待测点的间距。

进一步，步骤二中，选取的参考点不少于四个，各参考点不得位于同一平面上；步骤四 中，采用四节点三维空间定位法求取待测点的坐标。

进一步，步骤三中，所述参考点位置设置有用于反射激光的反光部件，所述反光部件为 反光棱镜或反光片。

进一步，步骤四中，在求取待测点的坐标前，计算各参考点与待测点的间距相较于上次 测得的值的变化量Δ，若某参考点的Δ值为离群值，则剔除该参考点。

一种地下洞室变形监测系统，用于实施上述的一种地下洞室变形量监测方法，包括设置 在待测点的测距仪插座以及插设在测距仪插座中的激光测距仪；所述测距仪插座为半球壳结 构，外球面上开设有用于插设激光测距仪的测距仪插槽，半球壳内设置有用于收集并传输测 量结果的数据传输电路板；各激光测距仪与各参考点一一对应且光源朝向对应的参考点，各 激光测距仪分别与数据传输电路板电连接。

进一步，所述测距仪插槽包括沿测距仪插座经线方向开设的长插槽、以及设置在测距仪 插座经线交汇点位置的顶点插槽，所述激光测距仪以长插槽长度方向为滑动方向和长插槽滑 动连接、并通过锁定结构锁定滑动，所述激光测距仪与顶点插槽固定连接。

进一步，所述测距仪插座上开设有四条长插槽，相邻两条长插槽所在的经线的经度相差 90度。

进一步，所述激光测距仪通过磁吸连接件与长插槽底部可拆卸连接，并通过嵌入长插槽 侧壁的限位突起锁定滑动；所述激光测距仪以及数据传输电路板分别带有密闭的外壳。

本发明一种地下洞室变形量监测方法及系统与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明中，通过激光测量待测点与各已知坐标的参考点的间距，由待测点与各参考点的 间距求取待测点的坐标，无需进行接触式的测量，测量过程也没有任何需进行人工判断的步 骤，在装置安装完毕后即可全自动运行，测量精度不受测量人员的专业水平、工作方式的限 制，并且显著减小了测量的劳动量；

本发明中采用四节点三维空间定位法解算待测点的空间位置坐标，相较于三点定位，每 次解算出的实数解只有一组，而非三点定位那样的两组实数解，无需进行人工判断来舍去不 合理的点，其解算过程可编程来全自动进行，进一步减小了测量工作量；

本发明中无任何转动件，而是通过在待测点设置多个朝向固定的激光测距仪来进行测距， 克服了转动件受震动影响大的问题，可用于诸如施工中的隧道或地铁隧道这类有明显震动的 场合；

本发明中，测得的数据只有距离一种量，可以很方便地查看测得的数据发生的变化，如 果某个参考点所在位置发生明显变形，则其与待测点的距离就会发生容易察觉到的变化，从 而剔除掉出问题的参考点，保证测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明中的激光定位原理示意图；

图2是本发明中的四元空间定位算法求解示意图；

图3是本发明中测距仪插座的外部结构图；

图4是本发明中测距仪插座的内部结构图；

图5是本发明中激光测距仪的外部结构图；

图6是本发明中激光测距仪的外壳的内部结构图；

图7是本发明一种地下洞室变形监测系统的结构示意图；

图8是本发明一种地下洞室变形监测系统的装配示意图；

其中，1-激光测距仪，11-激光收发口，12-限位突起，13-出线管，14-磁铁槽，2-测距仪 插座，21-长插槽，22-顶点插槽，3-底板，4-数据传输电路板，41-电路板护罩。

具体实施方式

一种地下洞室变形量监测方法，包括如下测量过程：

在地下洞室内选取待测点以及多个位置已知的参考点，用激光测量待测点与各参考点的 间距，由待测点与各参考点的间距求取待测点的坐标，由待测点的坐标变化求取地下洞室变 形量。待测点根据需求选取，需要监测哪里的变形量，就选择哪里，如果需要监测地下洞室 整体的变形量，需要根据地下洞室具体状况选择有代表性的区域。

上述测量过程包括以下具体步骤：

步骤一：在地下洞室内建立三维坐标系；

步骤二：在地下洞室内选取至少三个参考点，测量各参考点的坐标，各参考点不得位于 同一直线上；三个不共线的参考点是进行定位的最低需求，三个参考点共线的话，会导致求 出的待测点坐标为无数个；参考点的坐标值可由全站仪等设备测量获得；

注意这里参考点的选取标准与全站仪后视点是一样的，即尽可能选择在地下洞室内不易 发生形变的区域。对于隧道而言，也即拱腰和拱脚，参考点应比最低需求多一些，以在需要 舍弃一些所在位置发生形变的参考点后依然能够测量；

步骤三：选取一个待测点，用激光测距仪1定期测量各参考点与待测点的间距；

步骤四：根据各参考点与待测点的间距以及各参考点的坐标，求取待测点的坐标；

步骤五：由待测点的坐标变化求取地下洞室变形量。

如图1所示，步骤三中，采用与参考点一一对应的多个激光测距仪1分别测量各参考点 与待测点的间距，激光测距仪1设置在待测点，每个激光测距仪1的光束指向对应的参考点 并测量对应的参考点与待测点的间距。图中DS为待测点，D1、D2、D3、D4为参考点，参考点与待测点的空间距离分别为d_1s，d_2s，d_3s，d_4s。

步骤二中，选取的参考点不少于四个，四个参考点是四节点三维空间定位法的求解过程 的最低需求，但如果有一个参考点因所在位置发生变形而被舍弃后，仍可用三点定位法进行 计算；各参考点不得位于同一平面上，否则同样会导致求出两组实数解，需人工判断来舍去 一组；步骤四中，采用四节点三维空间定位法求取待测点的的坐标，求解过程如图2所示， 图中隧道沉降变形待测点为DS,坐标为(x,y,z),记为DS(x,y,z)。通过解算DS的坐标值即可以获 得待测点的沉降变形值。共设置4个参考点，分别为D1，D2，D3，D4，记为D1(x1,y1,z1)， D2(x2,y2,z2)，D3(x3,y3,z3)和D4(x4,y4,z4)。以某个测量参考点为原点建立三维坐标系，图中 以参考点D1(x1,y1,z1)为原点，因此x1＝0,y1＝0,z1＝0。以参考点D1和参考点D4为Z轴， 则参考点D4到D1的距离为:

待测点DS与参 考点D1，D2，D3，D4的距离分别为d_1s，d_2s，d_3s，d_4s，由四个激光测距仪1测量得到。 DS'为待测点DS在XY平面上的二维投影，记为DS'(x,y,0)。投影点DS'与D1，D2，D3的距 离分别为：r′_1s,r′_2s,r′_3s。待测点DS与D4的连线与Z轴的夹角记为θ。待测点DS与投影 点DS'的距离即DS点的坐标值中的Z轴坐标值，记为h_s。则待测点DS的坐标值解算过程为：

d_1s，d_2s，d_3s，d_4s，由四个激光测距仪1测量得到，由此求得h_s。由式(A)可以解得 r′_1s，r′_2s，r′_3s,代入式(B)可得二维方程组，用三角质心法可以求解。求解过程中如出现由于距 离误差造成的三圆无法两两相交的情况，则忽略虚数解仅以实数解做为解算结果。

步骤三中，参考点位置设置有用于反射激光的反光部件，反光部件为反光棱镜或反光片。 激光测距当然是可以在漫反射模式下取得很高的测量精度的，反光部件提升的精度不大，但 能标识参考点。

步骤四中，在求取待测点的的坐标前，计算各参考点与待测点的间距相较于上次测得的 值的变化量Δ，若某参考点的Δ值为离群值，则剔除该参考点。由于参考点的坐标默认是固 定的，如果参考点所在位置发生形变，求得的待测点的坐标就不准确了，因而不仅需要在地 下洞室内不易发生变形的区域设置参考点，还要在计算前对参考点进行检验，如果某参考点 的Δ值为离群值，说明其所在的位置发生了严重的形变，该参考点与待测点的间距是不可靠 的，计算时需舍去。实际测量时应设置比最低需求多一些的参考点，这样如果有参考点被舍 去后，仍能进行计算。对本实施例中四节点三维空间定位法而言，应设置5个及以上的参考 点，计算时仍然是取四个参考点进行计算，每次计算待测点的坐标时，可多计算几组并相互 比较，舍去离群值。

如图3-8所示，一种地下洞室变形监测系统，用于实施上述的一种地下洞室变形量监测 方法，包括设置在待测点的测距仪插座2以及插设在测距仪插座2中的激光测距仪1；如图 3-4所示，测距仪插座2为半球壳结构，外球面上开设有用于插设激光测距仪1的测距仪插 槽，半球壳内设置有用于收集并传输测量结果的数据传输电路板4；各激光测距仪1与各参 考点一一对应且光源朝向对应的参考点，各激光测距仪1分别与数据传输电路板4电连接。 这里的数据传输电路板4中还可以集成一个单片机进去，直接当场计算出待测点的变形量并 输出。

如图3-4所示，测距仪插槽包括沿测距仪插座2经线方向开设的长插槽21、以及设置在 测距仪插座2经线交汇点位置的顶点插槽22，激光测距仪1以长插槽21长度方向为滑动方 向和长插槽21滑动连接、并通过锁定结构锁定滑动，激光测距仪1与顶点插槽22固定连接。 这样的话，激光测距仪1可以设置在长插槽21内任意位置，每个长插槽21内允许插入多个 激光测距仪1，方便与参考点对齐。

测距仪插座2上开设有四条长插槽21，相邻两条长插槽21所在的经线的经度相差90度。 这样能保证各参考点尽量均匀。

如图7所示，激光测距仪1通过磁吸连接件与长插槽21底部可拆卸连接，并通过嵌入长 插槽21侧壁的限位突起12锁定滑动，这样可快速拆卸的同时又能确保激光测距仪1不发生 晃动。长插槽21侧壁上与限位突起12相对应的凹槽沿长插槽21长度方向间隔设置，每10 度设置一个。

本实施例中，激光测距仪1内部设置有两个磁铁槽14，测距仪插座2内壁沿长插槽21 长度方向间隔设置有磁铁槽14，测距仪插座2内壁上的磁铁槽14设置在长插槽21底部并与 激光测距仪1内部的磁铁槽14对应，在激光测距仪1以及测距仪插座2的磁铁槽14中安装磁铁后形成磁吸连接件。

如图5-6所示，激光测距仪1带有密闭的外壳，以保护电子元件。激光测距仪1的外壳 呈四棱柱形，顶部开有激光收发口11，两侧设置有限位突起12，底部设置有出线管13，出线管13穿透测距仪插座2设置，连接激光测距仪1与数据传输电路板4的导线由此进入测距仪插座2，出线管13中可设置插头，同时测距仪插座2内部设置排插，以方便激光测距仪1 的安装拆卸。

如图8所示，数据传输电路板4带有密闭的外壳，以保护电子元件。数据传输电路板4 的外壳分两部分，其一为封堵在测距仪插座2底部开口处的底板3，数据传输电路板4安装在底板3内侧，数据传输电路板4的外壳的第二部分为电路板护罩41，电路板护罩41同样 固定在底板3上，并将数据传输电路板4盖在电路板护罩41中。测距仪插座2通过底板3锚 固在待测点。

本实施例中，数据传输电路板4采用有线的方式输出数据，电源线及数据线绑成一束后 从测距仪插座2穿出。如果选用无线的方式输出数据，则应在测距仪插座2安装电池以及无 线收发器并分别与数据传输电路板4电连接。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行 限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的 各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种地下洞室变形量监测方法，其特征在于：包括如下测量过程：

在地下洞室内选取待测点以及多个位置已知的参考点，用激光测量待测点与各参考点的间距，由待测点与各参考点的间距求取待测点的坐标，由待测点的坐标变化求取地下洞室变形量；

监测方法包括以下具体步骤：

步骤一：在地下洞室内建立三维坐标系；

步骤二：在地下洞室内选取至少三个参考点，测量各参考点的坐标，各参考点不得位于同一直线上；

步骤三：选取一个待测点，用激光测距仪（1）定期测量各参考点与待测点的间距；

步骤四：根据各参考点与待测点的间距以及各参考点的坐标，求取待测点的坐标；

步骤五：由待测点的坐标变化求取地下洞室变形量；

步骤二中，选取的参考点不少于四个，各参考点不得位于同一平面上；各参考点不得位于同一平面上，作用是为了求出唯一一组实数解，求解过程中无需进行人工判断舍去不合理的点；

步骤三中，采用与参考点一一对应的多个激光测距仪（1）分别测量各参考点与待测点的间距，所述激光测距仪（1）设置在待测点，每个激光测距仪（1）的光束指向对应的参考点并测量对应的参考点与待测点的间距；

步骤四中，采用四节点三维空间定位法求取待测点的坐标；求取过程如下：

待测点记为DS(x,y,z)，取4个参考点，记为D1(x₁,y₁,z₁)，D2(x₂,y₂,z₂)，D3(x₃,y₃,z₃)和D4(x₄,y₄,z₄)；以参考点D1(x₁,y₁,z₁)为原点建立三维坐标系，以射线D1D4为Z轴，则参考点D4到D1的距离为

；待

测点DS与参考点D1，D2，D3，D4的距离分别为

；DS'为待测点DS在XY平面上的二维投影，记为DS'(x,y,0)；投影点DS'与D1，D2，D3的距离分别为：

；待测点DS与D4的连线与Z轴的夹角记为θ；待测点DS与投影点DS'的距离即DS点的坐标值中的Z轴坐标值，记为h_s；则待测点DS的坐标值解算过程为：

DS点的坐标值中的Z轴坐标值：

其中，

，由四个激光测距仪（1）测量得到，由此求得h_s；也即DS点的坐标值中的Z轴坐标值；

DS点的坐标值中的X轴和Y轴坐标值：

由式(A)解得

，代入式(B)中求解得到DS点的X轴和Y轴坐标值；

步骤四中，在求取待测点的坐标前，计算各参考点与待测点的间距相较于上次测得的值的变化量Δ，若某参考点的Δ值为离群值，则剔除该参考点；

所述激光测距仪（1）集成在地下洞室变形监测系统中，所述地下洞室变形监测系统包括设置在待测点的测距仪插座（2）以及插设在测距仪插座（2）中的激光测距仪（1）；所述测距仪插座（2）为半球壳结构，外球面上开设有用于插设激光测距仪（1）的测距仪插槽，半球壳内设置有用于收集并传输测量结果的数据传输电路板（4）；各激光测距仪（1）与各参考点一一对应且光源朝向对应的参考点，各激光测距仪（1）分别与数据传输电路板（4）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种地下洞室变形量监测方法，其特征在于：步骤三中，所述参考点位置设置有用于反射激光的反光部件，所述反光部件为反光棱镜或反光片。

3.一种地下洞室变形监测系统，其特征在于：用于实施权利要求1所述的一种地下洞室变形量监测方法，所述测距仪插槽包括沿测距仪插座（2）经线方向开设的长插槽（21）、以及设置在测距仪插座（2）经线交汇点位置的顶点插槽（22），所述激光测距仪（1）以长插槽（21）长度方向为滑动方向和长插槽（21）滑动连接、并通过锁定结构锁定滑动，所述激光测距仪（1）与顶点插槽（22）固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种地下洞室变形监测系统，其特征在于：所述测距仪插座（2）上开设有四条长插槽（21），相邻两条长插槽（21）所在的经线的经度相差90度。

5.根据权利要求3所述的一种地下洞室变形监测系统，其特征在于：所述激光测距仪（1）通过磁吸连接件与长插槽（21）底部可拆卸连接，并通过嵌入长插槽（21）侧壁的限位突起（12）锁定滑动；所述激光测距仪（1）以及数据传输电路板（4）分别带有密闭的外壳。

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