CN205300569U - 隧道变形监测设备和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种隧道变形监测设备和系统，其中该设备包括：全站仪、多对侧壁监测棱镜以及两个基准棱镜；两个基准棱镜部署在隧道的第一隧道口，每对侧壁监测棱镜相对设置在隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜等间隔部署；全站仪可自隧道的第一隧道口向第二隧道口移动，以在每隔两对侧壁监测棱镜的测站位置上对侧壁监测棱镜进行测量。本实用新型提供的技术方案，能够在保证高精度测量的同时，实现隧道的三维变形监测。

Description

隧道变形监测设备和系统

技术领域

本实用新型涉及测量技术，尤其涉及一种隧道变形监测设备和系统。

背景技术

随着我国轨道交通的迅猛发展，隧道工程施工越来越普遍。在隧道施工中，隧道周边围岩不可避免地会产生变形，对隧道围岩变形进行及时的监测和分析预报是隧道施工中保证施工安全、防止事故发生、合理确定隧道支护的十分重要的工作。

现有的隧道变形监测系统是按照规范规定的相应测量等级下的精度要求，在隧道中设置若干个断面，在断面的拱顶和边墙上布设若干个监测点，通过对监测点的测量来分析隧道的变形量。现有技术中，由于地形和其他原因无法在隧道洞内布设控制点，在采用全站仪测量时只能采用三联脚架法，该方法需要测量仪器高和棱镜高，而因隧道洞内棱镜和全站仪架设受限、光线差等原因，采用全站仪难以实现隧道内部的高精度测量，因此，基于现有的的隧道变形监测系统，目前通常采用水准观测法对各监测点进行测量，通过在水准监测点上架设水准尺，利用水准仪观测计算出监测点的高程，最终测算出隧道边墙和拱顶的沉降量。

通过上述分析可知，为了保证高精度测量，现有的这种隧道变形监测系统布设的监测网只能采用水准观测法测量，而水准观测法只能获取监测点的高程信息，因此该系统只能实现隧道内部的高精度沉降变形监测，无法实现隧道的高精度三维变形监测。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种隧道变形监测设备和系统，用于实现隧道的高精度三维变形监测。

本实用新型提供一种隧道变形监测设备，包括：全站仪、多对侧壁监测棱镜以及两个基准棱镜；

所述两个基准棱镜部署在所述隧道的第一隧道口，每对侧壁监测棱镜相对设置在所述隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜等间隔部署；

所述全站仪可自所述隧道的第一隧道口向第二隧道口移动，以在每隔两对侧壁监测棱镜的测站位置上对侧壁监测棱镜进行测量。

在本实用新型的一实施例中，在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜以60米的间隔部署。

在本实用新型的一实施例中，所述第一隧道口上还部署有至少一个监测棱镜。

在本实用新型的一实施例中，所述第二隧道口上还部署有至少一个监测棱镜。

在本实用新型的一实施例中，所述隧道的顶壁上还设置有顶壁监测棱镜；

所述顶壁监测棱镜位于每对侧壁监测棱镜所在的断面上，或者，所述顶壁监测棱镜每间隔一对侧壁监测棱镜部署在一对侧壁监测棱镜所在的断面上。

在本实用新型的一实施例中，隧道变形监测设备还包括：水准仪，用于对所述全站仪在测量过程中的各测站位置进行标定。

在本实用新型的一实施例中，所述两个基准棱镜分别设置在可移动脚架上。

本实用新型还提供一种隧道变形监测系统，包括：计算机设备以及上述隧道变形监测设备，所述隧道变形监测设备与所述计算机设备通过通信电缆连接。

本实用新型提供的隧道变形监测设备和系统，每对侧壁监测棱镜相对设置在隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜等间隔部署；同时，隧道口设置有基准棱镜，每隔两对监测棱镜设置一个测站点，因此，全站仪可采用边角测量法自隧道的第一隧道口向第二隧道口移动进行测量，从而能够在保证高精度测量的同时获取到各监测棱镜的三维坐标信息，实现隧道的高精度三维变形监测。

附图说明

图1为本实用新型提供的隧道变形监测设备实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型提供的隧道变形监测设备实施例二的结构示意图。

附图标记说明：

1-全站仪；

2-侧壁监测棱镜；

3-基准棱镜；

4-第一隧道口；

5-第二隧道口；

6-顶壁监测棱镜。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型提供的隧道变形监测设备实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例中的隧道变形监测设备包括：全站仪1、多对侧壁监测棱镜2以及两个基准棱镜3；两个基准棱镜3部署在隧道的第一隧道口4，每对侧壁监测棱镜2相对设置在隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜2等间隔部署；全站仪1可自隧道的第一隧道口4向第二隧道口5移动，以在每隔两对侧壁监测棱镜2的测站位置上对侧壁监测棱镜2进行测量。

具体的，全站仪1能够完成自动测距、测角，还能够完成一个测站所需完成的工作，包括获取高程、坐标等。侧壁监测棱镜2和基准棱镜3可以选用现有的各种反射棱镜，侧壁监测棱镜2布设在需要监测的监测点上，全站仪1可以根据侧壁监测棱镜2的反射信号获取监测点的监测数据；基准棱镜3布设在隧道洞口的基准点上，基准点是已知坐标的GPS点，全站仪1可以借助这些基准点来测量未知坐标的监测点，在实际测量时，可以在隧道两端的洞口附近布设多个基准点，基准棱镜3可以根据需要移动布设在这些基准点上。

本实施例中用于布设侧壁监测棱镜2的监测点和用于架设全站仪1进行测量的测站点所形成的监测网的布设方案可以参考高速铁路线形工程的高精度CPⅢ平面网布设方案，具体是在隧道中每隔一定距离布设一对监测点(每对监测点所在的铅垂面可以称为断面)，这两个监测点相对设置在隧道的侧壁上，且水平设置，即同面等高；位于隧道同一侧壁的监测点位于同一铅垂面内；此外，测站点每隔两对监测点(即两个断面)设置一个，优选的，每个测站点具体可以位于两个断面的中间位置。

需要说明的是，为了更全面形象的表示本实施例的监测网布设方案，图1中用虚弧线表示每对侧壁监测棱镜2所在的断面，实弧线表示隧道的两个洞口，即第一隧道口4和第二隧道口5；实方框表示架设在某个测站点(图1中以靠近第一隧道口4第一个测站点进行示例性说明)上的全站仪，虚方框表示各个测站点；实三角表示架设在基准点上的基准棱镜3，虚三角表示其他基准点。图1只是一种示例性说明，并非用于限定本实用新型。

以图1所示的隧道变形监测设备的监测网布设方案为例，在进行测量时，全站仪1可以从布设有两个基准棱镜3的第一隧道口4向第二隧道口5移动，采用边角测量法对侧壁监测棱镜2进行测量。其中，边角测量法无需布设三联脚架，该方法可以从任意测站点上观测若干已知点的方向和距离，通过坐标变换算出该测站点的坐标，然后通过测站点坐标测算出未知监测点的坐标。

为了便于说明，将沿第一隧道口4向第二隧道口5方向的测站点依次标记为第一测站点、第二测站点……第M测站点，同样的，将监测点上的侧壁监测棱镜2依次标记为第一对监测点、第二对监测点……第N对监测点；此外，对于某个测站点，向后观测表示向第一隧道口4的方向观测，向前观测表示向第二隧道口5的方向观测。具体的，在进行测量时，首先将全站仪1架设在第一测站点上(即第一站)，向后观测隧道洞口布设的基准点、向前观测隧道内布设的若干对监测点(例如第一对至第三对监测点)，根据基准点坐标算出第一测站点的坐标，再根据第一测站点的坐标测算出三对监测点的坐标；然后将全站仪1移动到第二测站点上(即第二站)，向后观测两对监测点、向前观测三对监测点，根据在第一站时已测算出坐标的后方两对监测点算出第二测站点的坐标，再根据第二测站点的坐标测算出前方三对监测点的坐标；接着再将全站仪1移动到第三测站点上(即第三站)，向后观测三对监测点、向前观测三对监测点，根据后方三对监测点算出第二测站点的坐标，再根据第二测站点的坐标测算出前方三对监测点的坐标；以此类推，直到测完所有的监测点。此外，测完所有的监测点后，全站仪1可以通过继续观测第二隧道口5外的基准点来判断监测误差大小，并进行限差检查，确定是否需要重测或补测；为了保证测量精度，可以让全站仪1自动进行多测回测量。测量完成后，可以每间隔一段时间测量一次，每个监测点的坐标变化代表了该点的位移(即变形量)，通过测量结果的比对，可以对隧道洞内进行围岩位移分析，从而分析隧道的稳定性。

现有技术中的隧道监测网布设方案，由于地形和其他原因无法在隧道洞内布设控制点，布设的监测网只能采用水准观测法测量，而水准观测法只能获取监测点的高程信息，因此在进行隧道变形分析时，只能实现隧道内部各监测点在高程方向上的高精度沉降变形监测，而无法获取平面位移变化信息，即无法实现隧道的高精度三维变形监测；本实施例中，监测点和测站点的布设参照CPⅢ平面网布设方案，并将基准棱镜3架设在隧道洞外的基准点上作为控制点，从而全站仪1可采用边角测量法测量，避免了监测点、全站仪1和脚架上棱镜的高程测量，因此能够实现隧道内部的高精度三维坐标信息的测量，进而可以同时获取到各监测点的沉降变形信息和平面位移变化信息，实现隧道的高精度三维变形观测。此外，相比现有技术中的监测网布设方案，本实施例中布设的监测网中，每对侧壁监测棱镜2(即监测点)相对设置在隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜2等间隔部署，从而能够减小测量误差，提高监测精度。另外，本实施例中，每隔两对侧壁监测棱镜设置一个测站点，根据上述测量过程可知，基于本实施例中监测网的布设方案，除了位于隧道洞口附近的两对监测点，其他监测点都会被观测到三次，从而通过多次测量进一步提高了监测精度。

本实施例提供的隧道变形监测设备，每对侧壁监测棱镜相对设置在隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜等间隔部署；同时，隧道口设置有基准棱镜，每隔两对监测棱镜设置一个测站点，因此，全站仪可采用边角测量法自隧道的第一隧道口向第二隧道口移动进行测量，从而能够在保证高精度测量的同时获取到各监测棱镜的三维坐标信息，实现隧道的高精度三维变形监测。

图2为本实用新型提供的隧道变形监测设备实施例二的结构示意图，本实施例是对上述图1所示实施例的进一步优化。如图2所示，在上述图1所示实施例的基础上，隧道的顶壁上还设置有顶壁监测棱镜6；顶壁监测棱镜6位于每对侧壁监测棱镜2所在的断面上，或者，顶壁监测棱镜6每间隔一对侧壁监测棱镜2部署在一对侧壁监测棱镜2所在的断面上(图2是以顶壁监测棱镜6每间隔一对侧壁监测棱镜2部署为例进行示例性说明)。

上述图1所示实施例中可以对隧道边墙的变形进行监测，本实施例中，在隧道的顶壁上还设置有顶壁监测棱镜6，从而还可以对隧道的拱顶进行变形监测。

具体的，顶壁监测棱镜6可以位于每对侧壁监测棱镜2所在的断面上，以监测到更加全面的隧道变形数据；也可以每间隔一对侧壁监测棱镜2部署一个，以防止顶壁监测棱镜6之间的遮挡，同时减少测量工作量。

在进行具体的测量时，只需在观测侧壁监测棱镜2的同时，观测侧壁监测棱镜2所在断面上的顶壁观测棱镜，再进行后续的变形分析即可。

作为本实施例一种具体的实施方式，在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜2可以以60米的间隔部署，以提高监测点布设的规范合理性，从而进一步提高监测精度。

此外，两个基准棱镜3可以分别设置在可移动脚架上，脚架可以架设在基准点或测站点上。

可选的，本实施例中，第一隧道口4上还可以部署至少一个监测棱镜，第二隧道口5上也可以部署至少一个监测棱镜，以监测隧道洞口山体护坡的变形情况。

在进行测量时，可以先将全站仪1架设在第一隧道口4外的一个基准点上，在另一个基准点上架设基准棱镜3，采用三联脚架法的测算方法，通过观测基准棱镜3和第一隧道口4部署的监测棱镜，根据基准棱镜3所在的基准点坐标、全站仪1所在的基准点坐标测算出第一隧道口4部署的监测棱镜的坐标。全站仪1移动到隧道洞内之后，就可以只保留用于架设全站仪1的脚架，采用边角测量法测量隧道洞内的监测点，以避免隧道洞内采用三联脚架法测量时需要进行测站点高度和全站仪高度测量而带来的不便。全站仪1移动到第二隧道口5外后，第二隧道口5部署的监测棱镜的测量方法则与上述第一隧道口4类似，此处不再赘述。

另外，在进行实际测量时，可以采用三联脚架法在隧道口外的基准点上进行多次测量，以进一步提高监测精度。隧道口外可以布设多个基准点，例如三个，将三个脚架架设在基准点上，其中一个作为后视点，一个作为前视点，另外一个作为测站点，通过观测后视点和前视点来校准全站仪1，然后再进行监测点测量。考虑到隧道出洞口前方场地、视野较为开阔，交通较为方便，第一隧道口4具体可以是出洞口，第二隧道口5具体为入洞口，在进行观测时从出洞口进、从入洞口出。

优选的，隧道出洞口(即第一隧道口4)布设5个监测棱镜，隧道入洞口(即第二隧道口5)布设4个监测棱镜。

此外，可选的，本实施例中，隧道变形监测设备还可以包括水准仪，用于对全站仪1在测量过程中的各测站位置(即测站点)进行标定。

具体的，隧道中设置的测站点可以是隧道中采用水准仪标定的水准点，水准点具有比较精确的高程数据，全站仪1采用水准点的高程测算监测点，可以减小误差，进一步提高监测精度。

本实施例提供的隧道变形监测设备，隧道的顶壁上还设置有顶壁监测棱镜，从而可以在监测隧道边墙变形量的同时，监测隧道拱顶的变形情况，使得最终的隧道变形监测结果更加全面准确。

本实用新型一实施例提供一种隧道变形监测系统，其包括：计算机设备以及上述任一实施例中所述的隧道变形监测设备，隧道变形监测设备与计算机设备通过通信电缆连接。

具体的，计算机设备上可以安装有专用的测量分析软件，全站仪1监测完监测点得到外业采集数据，通过通信电缆可以将这些外业采集数据传输给计算机设备，计算机设备对采集数据进行平差计算，获取各个监测棱镜所在监测点的更准确的坐标，然后进行数据分析，获取隧道变形结果。

可选的，隧道变形监测系统还可以包括测量手簿，在进行测量时，先将全站仪与测量手簿连接，建立工程项目，按技术要求输入限查、测回数等，以指导全站仪的测量工作。

另外，隧道变形监测系统还可以包括供电电缆，以为隧道变形监测系统进行供电。

本实施例提供的隧道变形监测系统，每对侧壁监测棱镜相对设置在隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜等间隔部署；同时，隧道口设置有基准棱镜，每隔两对监测棱镜设置一个测站点，因此，全站仪可采用边角测量法自隧道的第一隧道口向第二隧道口移动进行测量，从而能够在保证高精度测量的同时获取到各监测棱镜的三维坐标信息，实现隧道的三维变形监测；此外，通过计算机设备进行后续的平差等处理，可以获取更加精确的监测点坐标，从而提高了隧道变形监测的精确度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种隧道变形监测设备，其特征在于，包括：全站仪、多对侧壁监测棱镜以及两个基准棱镜；

所述两个基准棱镜部署在所述隧道的第一隧道口，每对侧壁监测棱镜相对设置在所述隧道的侧壁上，且设置在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜等间隔部署；

所述全站仪可自所述隧道的第一隧道口向第二隧道口移动，以在每隔两对侧壁监测棱镜的测站位置上对侧壁监测棱镜进行测量。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在隧道同一侧壁上的侧壁监测棱镜以60米的间隔部署。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第一隧道口上还部署有至少一个监测棱镜。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述第二隧道口上还部署有至少一个监测棱镜。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述隧道的顶壁上还设置有顶壁监测棱镜；

所述顶壁监测棱镜位于每对侧壁监测棱镜所在的断面上，或者，所述顶壁监测棱镜每间隔一对侧壁监测棱镜部署在一对侧壁监测棱镜所在的断面上。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还包括：

水准仪，用于对所述全站仪在测量过程中的各测站位置进行标定。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述两个基准棱镜分别设置在可移动脚架上。

8.一种隧道变形监测系统，其特征在于，包括：计算机设备以及如权利要求1～7中任一项所述的隧道变形监测设备，所述隧道变形监测设备与所述计算机设备通过通信电缆连接。