CN113686254B - 一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法及装置，所述方法包括：步骤1，在管片拼装前，测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；步骤2，根据隧道施工组织安排，完成被测量管片的拼装，直至管片变形稳定；步骤3，在管片变形稳定后，再次测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；步骤4，基于L前和L后的差值，计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值。本发明取消了大量预埋高精度的基点的做法，极大方便了施工，并降低了工程造价，可对建成后盾构隧道任意管片进行测量，适用范围更加广泛。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法及装置。
背景技术
盾构法隧道采用管片拼装式衬砌结构，对其结构受力状态进行监测是保证运营安全的重要手段。目前结构受力监测有两种途径：
1、利用管片内预埋传感器的方法测量，该方法存在以下问题：
1)难以对最危险、最需要监测的部位进行监测，设计中，一般根据隧道所处地质条件、周边环境条件、远期规划条件等因素，选取设计过程中认为最不利、最危险的部位进行监测，在该部位的管片内预埋好水土压力、钢筋应力、混凝土应力、螺栓应力等测试元器件，现场拼装后即可进行监测。但从结构长久健康来看，对结构内力，真正最危险、最需要长久监测的断面往往是施工中因各种原因引起的沉降或上浮、开裂、严重错台的部位(简称“缺陷部位”)，或者是施工后周边环境发生较大改变的部位(简称“环境变化部位")，由于施工因素具有随机性，这些“缺陷部位”位置难以预料，环境改变因素也因规划变化或各种特殊原因同样难以预料，因而也难以进行元器件预埋。
2)预埋传感器电子元件易老化，成活率低下，长期稳定性等较差，且基本上无法实现更换。
3)难以实现全隧道断面预埋元器件监测。一般情况下仅对少数不利断面预埋元器件监测，对所有管片都预埋的成本非常高，工程量大。
2、利用非预埋式监测技术，例如激光自动跟踪仪测量、图像测量与识别技术等。该方法需对隧道管片表面的伸缩变形量进行测量，这种测量精度要求非常高，需要达到0.02mm左右，现有测量方法存在以下技术问题：
1)对于激光自动跟踪仪测量，优点是精度高，缺点是：①需要大量预埋高精度测量所用的基点，预埋工作量大，造价高；②每次测量工序复杂，需要有足够的通视条件，现场实施十分困难。
2)图像测量与识别技术，在高精度测量方面的应用具有较好的效果，精度可达0.002mm，缺点是测量精度与单次测量面积成反比，即测量面积越大则精度越低，因此一次采集范围很小。对于大尺寸构件的测量通常采用图像拼接方法，即通过对大尺寸构件的局部采集具有重叠区域的数个图像，采用基于区域相关或者特征相关的拼接算法实现图像拼接，根据图像算法得到构件的几何参数，对于盾构隧道管片这类大型构件，其管片块弧长可达5m以上，该方法过程中需要移动拍照设备，进行多次拍照，图像精度受到设备移动、拼接算法等因素影响，精度无法保证0.02mm。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法及装置，具体方案如下：
作为本发明的第一方面，提供一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，所述方法包括：
步骤1，在管片拼装前，测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；
步骤2，根据隧道施工组织安排，完成被测量管片的拼装，直至管片变形稳定；
步骤3，在管片变形稳定后，再次测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；
步骤4，基于L前和L后的差值，计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值。
进一步地，所述方法还包括：
根据被测量管片块尺寸制作基准测量仪，在管片制作时于管片内表面两端各设置一个测量标志点。
进一步地，通过计算管片上两测量标志点之间的弦长具体包括：
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点；
对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系；
基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长。
进一步地，所述靶球为4个，4个靶球位于同一条直线上，同一条直线上的4个靶球依次为B1、B2、B3和B4；所述基准测量仪的两端各设置有两个靶球；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点具体为：调整基准测量仪或靶球的位置，使管片的测量标志点位于对应端的两个靶球中间位置。
进一步地，通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系具体为：通过激光自动跟踪仪测量靶球B1、B2、B3、B4的几何关系，得到B1B2的距离为L1；B2B3的距离为L2；B3B4的距离为L3。
进一步地，令管片上两测量标志点为A1和A2，A1位于靶球B1和B2的中间位置，A2位于靶球B3和B4的中间位置，对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系具体为：通过图像识别，获取A1B1的长度L4；A1B2的长度L5；A2B3的长度L6；A2B4的长度L7；A1B2与B1B2夹角θ1；A2B3与B3B4夹角θ2。
进一步地，基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长公式如下：
作为本发明的第二方面，提供一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量装置，所述装置包括：第一弦长计算模块、第二弦长计算模块和变形量计算模块；
所述第一弦长计算模块用于在管片拼装前，计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；
所述第二弦长计算模块用于在管片拼装后且于管片变形稳定后，计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；
所述变形量计算模块用于基于L前和L后的差值，计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值。
进一步地，通过计算管片上两测量标志点之间的弦长具体包括：
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点；
对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系；
基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长。
进一步地，所述靶球为4个，4个靶球位于同一条直线上，同一条直线上的4个靶球依次为B1、B2、B3和B4，管片上两测量标志点为A1和A2；所述基准测量仪的两端各设置有两个靶球，A1位于靶球B1和B2的中间位置，A2位于靶球B3和B4的中间位置；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点具体为：调整基准测量仪或靶球的位置，使管片的测量标志点位于对应端的两个靶球中间位置；
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系具体为：通过激光自动跟踪仪测量靶球B1、B2、B3、B4的几何关系，得到B1B2的距离为L1；B2B3的距离为L2；B3B4的距离为L3；
对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系为：通过图像识别，获取A1B1的长度L14；A1B2的长度L5；A2B3的长度L6；A2B4的长度L7；A1B2与B1B2夹角θ1；A2B3与B3B4夹角θ2；
基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长公式如下：
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过激光自动跟踪仪确定基准测量仪安装的靶球之间几何关系，通过高分辨率摄影测量靶球与管片测量标志点几何关系相结合，从而得到管片测量弦长，与传统采用激光自动跟踪仪对管片预埋靶球进行测量的方法相比，本发明方法测量精度可达0.02mm，取消了大量预埋高精度的基点的做法，极大方便了施工，并降低了工程造价。
(2)本发明提供的一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，与现有对管片进行全幅拍照或者局部多次拍照，再进行图像拼接方法相比，测量精度远高于全幅拍照和局部图像拼接方法，适用于管片大尺寸构件的变形测量。
(3)本发明提供的一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，通过激光自动跟踪仪对基准测量仪的靶球几何关系进行测量，实现了对基准测量仪随时校正，避免基准测量仪可能发生结构变形等问题造成错误和误差，可对建成后盾构隧道任意管片进行测量，适用范围更加广泛。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的基准测量仪示意图；
图3为本发明实施例提供的激光自动跟踪仪测量靶球几何关系；
图4为本发明实施例提供的基准测量仪放置被测量管片上的示意图；
图5为本发明实施例提供的高精度摄影采集图像示意图；
图6为本发明实施例提供的管片测量弦长A1A2几何关系示意图。
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，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，作为本发明的第一实施例，提供一种所述方法包括：
步骤1，在管片拼装前，测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；
步骤2，根据隧道施工组织安排，完成被测量管片的拼装，直至管片变形稳定；
步骤3，在管片变形稳定后，再次测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；
步骤4，基于基于L前和L后的差值，计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值。
优选地，所述方法还包括：根据被测量管片块尺寸制作基准测量仪，在管片制作时于管片内表面两端各设置一个测量标志点。
上述实施例中，为便于管片测量标志点在图像内的识别，管片测量标志点为有别于周围混凝土的标志点，例如印十字丝或者涂色小点等。
作为本发明的第二实施例，还提供一种计算管片上两测量标志点之间的弦长的方法，具体包括：
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点；
对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系；
基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长。
在一些实施例中，所述基准测量仪由刚性构件和4个固定在上面的靶球组成，如图2所示，刚性构件的两端各安装2个，4个靶球位于同一条直线上，同一端的两个靶球间距L1、L3的范围为20～30mm，L1和L3可以相同也可以不相同，刚性构件两端的靶球放置于被测量管片上时，管片的测量标志点大致位于同一端的两个靶球中间。
在一些实施例中，通过激光自动跟踪仪测量靶球B1、B2、B3、B4的几何关系，如图3所示，B1至B2的靶球距离为L1；B2至B3的靶球距离为L2；B3至B4的靶球距离为L3；
在一些实施例中，所述基准测量仪底部与管片内表面具有相同的弧形，将基准测量仪放置在被测量管片上，如图4所示，基准测量仪底部与管片内径弧形底边贴合，测量时底边靠近测量标志点A1、A2的中间，使基准测量仪两端的靶球分别靠近对应管片测量标志点A1、A2，尽量使管片上两测量标志点为A1和A2，A1位于靶球B1和B2的中间位置，A2位于靶球B3和B4的中间位置，此时，基准测量仪与测量标志点A1、A2也会存在一定夹角。
在一些实施例中，对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系，如图所示5所示，摄影部位1图像得到A1B1长度L4；A1B2长度L5，A1B2与B1B2夹角θ1；摄影部位1图像得到A2B3长度L6；A2B4长度L7，A2B3与B3B4夹角θ2。
根据摄影部位1图像和摄影部位1图像获得的参数，如图6所示，得到管片测量弦长即A1A2距离L计算公式如下
根据该公式，在拼装前计算出管片上两测量标志点之间的弦长L0，在拼装后计算出管片上两测量标志点之间的弦长L1，即得出被测量管片表面伸缩变形量△L。
△L＝L后-L前。
作为本发明的第三实施例，还提供一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量装置，所述装置包括：第一弦长计算模块、第二弦长计算模块和变形量计算模块；
所述第一弦长计算模块用于在管片拼装前，计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；
所述第二弦长计算模块用于在管片拼装后且于管片变形稳定后，计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；
所述变形量计算模块用于基于L前和L后的差值，计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，在管片拼装前，测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；
步骤2，根据隧道施工组织安排，完成被测量管片的拼装，直至管片变形稳定；
步骤3，在管片变形稳定后，再次测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；
步骤4，基于L前和L后的差值，计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值；
其中，计算管片上两测量标志点之间的弦长具体包括：
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点；
对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系；
基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据被测量管片块尺寸制作基准测量仪，在管片制作时于管片内表面两端各设置一个测量标志点。
3.根据权利要求1所述的盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，其特征在于，所述靶球为4个，4个靶球位于同一条直线上，同一条直线上的4个靶球依次为B1、B2、B3和B4；所述基准测量仪的两端各设置有两个靶球；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点具体为：调整基准测量仪或靶球的位置，使管片的测量标志点位于对应端的两个靶球中间位置。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，其特征在于，通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系具体为：通过激光自动跟踪仪测量靶球B1、B2、B3、B4的几何关系，得到B1B2的距离为L1；B2B3的距离为L2；B3B4的距离为L3。
5.根据权利要求4所述的盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，其特征在于，令管片上两测量标志点为A1和A2，A1位于靶球B1和B2的中间位置，A2位于靶球B3和B4的中间位置，对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系，包括A1B1的长度L4；A1B2的长度L5；A2B3的长度L6；A2B4的长度L7；A1B2与B1B2夹角θ1；A2B3与B3B4夹角θ2。
6.根据权利要求5所述的盾构隧道管片表面伸缩变形量测量方法，其特征在于，基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长公式如下：
7.一种盾构隧道管片表面伸缩变形量测量装置，其特征在于，所述装置包括：第一弦长计算模块、第二弦长计算模块和变形量计算模块；
所述第一弦长计算模块用于在管片拼装前，测量计算管片上两测量标志点之间的弦长L前；
所述第二弦长计算模块用于在管片拼装后且于管片变形稳定后，计算管片上两测量标志点之间的弦长L后；
所述变形量计算模块用于基于L前和L后的差值，测量计算得出被测量管片拼装前后的伸缩变形值；
其中，计算管片上两测量标志点之间的弦长具体包括：
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点；
对管片测量标志点和靶球部位进行高精度摄影采集图像，通过图像识别解析靶球和管片测量标志点的几何关系；
基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长。
8.根据权利要求7所述的盾构隧道管片表面伸缩变形量测量装置，其特征在于，所述靶球为4个，4个靶球位于同一条直线上，同一条直线上的4个靶球依次为B1、B2、B3和B4，管片上两测量标志点为A1和A2；所述基准测量仪的两端各设置有两个靶球，A1位于靶球B1和B2的中间位置，A2位于靶球B3和B4的中间位置；
放置基准测量仪到被测量管片，使基准测量仪两端的靶球分别靠近管片的两测量标志点具体为：调整基准测量仪或靶球的位置，使管片的测量标志点位于对应端的两个靶球中间位置；
通过激光自动跟踪仪对基准测量仪进行标定，确定基准测量仪靶球的几何关系具体为：通过激光自动跟踪仪测量靶球B1、B2、B3、B4的几何关系，得到B1B2的距离为L1；B2B3的距离为L2；B3B4的距离为L3；
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基于基准测量仪靶球的几何关系以及靶球和管片测量标志点的几何关系，计算得到管片测量标志点之间的弦长公式如下：
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2021
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