CN211527377U

CN211527377U - 一种隧道三维自动化激光测距装置

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Publication number: CN211527377U
Application number: CN202020278527.1U
Authority: CN
Inventors: 姜谙男; 郑帅; 姜相松; 董庆波; 罗国成; 梁彩; 胡雪峰; 焦明伟; 段龙梅; 吴顺
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2030-03-09

Abstract

本实用新型实施例公开了一种隧道三维自动化激光测距装置，所述装置包括：测量结构、保护结构以及支撑结构；所述测量结构能够同时获取拱顶沉降、洞周收敛和监测位置距掌子面距离三个方向上的位移变化监测数据；所述保护结构内容纳所述测量结构；所述保护结构固定在所述支撑结构上并通过所述支撑结构固定于隧道侧壁。本实用新型能够同时实现三个方向上的位移变化监测，更有效地弥补隧道空间效应带来的断面二维监测的误差；还能够为工程管理人员认知当前围岩的真实状态提供数据基础。因此本实用新型弥补了人工测量周期长、精度低的缺点，实现了隧道空间效应的实时自动化监测。

Description

一种隧道三维自动化激光测距装置

技术领域

本实用新型涉及隧道数据监测技术，尤其涉及一种隧道三维自动化激光测距装置。

背景技术

隧道建设过程中首先需要保证工程的稳定性。当前工程稳定性的判别方式主要是通过人工测量的方式监测隧道围岩位移，这种方法频率低、误差大且有较大风险。自动化监测具有较高的测量精度和频率，但是当前隧道工程中应用的自动化监测结构多以隧道拱顶沉降或洞周收敛为监测目标，属于隧道断面二维监测，监测数据受空间效应影响很大，无法反应工程整体的稳定状态，监测结果具有一定的局限性。

当前能用于隧道工程中的已有激光测距装置结构简单、功能单一，主要存在以下几方面的问题：(1)测量目标仅为二维平面上的拱顶沉降和洞周收敛，无法测量当前监测位置与掌子面的距离，即无法反应空间效应对隧道位移的影响；有的激光扫描装置能够扫描断面的三维图像，但是这种装置成本高，不容易长期监测使用。大多数激光监测仪需要人工在现场操作，无法实现在线自动化的监测。(2)既有结构未考虑隧道建设过程中环境的复杂性(主要表现为爆破开挖产生的碎石飞溅以及围岩渗水)，未设计相应的仪器保护装置及与其配套的固定支撑装置，现有的隧道激光测距装置在应用过程中容易受到破坏。(3)既有激光测距结构仅为二维的人工协助的测量装置，监测频率低，尤其没有同时监测距离掌子面距离，无法正确预测围岩的参数。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，特提出了一种隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述装置测量包括：测量结构、保护结构以及支撑结构；所述测量结构能够同时获取拱顶沉降、洞周收敛和监测位置距掌子面距离三个方向上的位移变化监测数据；所述保护结构内容纳所述测量结构；所述保护结构固定在所述支撑结构上并通过所述支撑结构固定于隧道侧壁。

可选的，在其中一个实施例中，所述测量结构包括：拱顶测量模块、拱腰测量模块、施工面测量模块、垂向支撑架、水平支撑架、连接螺栓；其中，所述拱顶测量模块固定于所述垂向支撑架上，用以获取对应拱顶监测方向下，安装点与拱顶监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述拱腰测量模块固定于所述水平支撑架的其中一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点与拱腰监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述施工面测量模块固定于所述水平支撑架的另一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点与施工面监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述水平支撑架固定在所述保护结构内部，且由两个直角梯形板相互焊接构成直角弯板；所述垂向支撑架通过连接螺栓在所述水平支撑架上。

可选的，在其中一个实施例中，所述拱顶测量模块、拱腰测量模块、施工面测量模块均通过方向调整结构调整对应的监测方向。

可选的，在其中一个实施例中，所述方向调整结构固定在所述水平支撑架表面所开设的内齿轮孔结构内，其中，方向调整结构包括：第一调整体、第二调整体以及滚珠环，其中，所述第一调整体固定在所述拱顶测量模块/拱腰测量模块/施工面测量模块上，所述第二调整体的直径小于第一调整体的直径且固定在所述第一调整体中心位置以构成一体式结构，同时所述第二调整体的外径周向设置塑胶制外齿轮结构；所述内齿轮孔结构与塑胶制外齿轮结构间相互啮合；所述滚珠环内嵌于第一调整体下表面所开设的凹槽中。

可选的，在其中一个实施例中，所述保护结构包括由盖板、侧板以及底板构成的箱体结构；其中所述盖板一侧通过转轴固定在侧板上，以使得所述盖板能够围绕转轴旋转，进而打开箱体结构进行测量模块的安装及调节；且所述箱体结构上设置有能够使得测量模块发出的测量激光能够无阻挡射出的钢化玻璃。

可选的，在其中一个实施例中，所述侧板包括第一侧板、第二侧板以及第三侧板；所述第一侧板通过转轴固定所述盖板，所述第二侧板的高度低于所述第一侧板并通过所述第二侧板形成倾斜度的侧壁结构且所述侧壁结构与盖板形成有防水檐。

可选的，在其中一个实施例中，所述支撑结构包括水平支撑杆、竖向支撑杆、侧向支撑杆，其中，所述水平支撑杆一端固定在所述隧道侧壁上，另一端与所述侧向支撑杆连接；所述侧向支撑杆另一端固定在所述隧道侧壁上；所述竖向支撑杆一端固定在所述水平支撑杆上，另一端固定在所述侧向支撑杆上。

实施本实用新型实施例，将具有如下有益效果：

本实用新型以激光测距为基础开发了一种能够考虑空间效应的隧道多点位移监测结构以通过该结构弥补人工测量周期长、精度低的缺点，进而实现隧道位移的实时自动化准确监测且能够同时监测多个方向上的位移，同时可进行掌子面进尺与拱顶沉降、洞周收敛的监测，实现了自动化监测比人工监测更准确、及时；并能够为隧道安全施工提供保障；且同时考虑了侧墙固定、测量角度微调、测量核心仪器防水、防碰撞保护等，提高设备使用寿命的同时保证了测量精度；其次本案中围岩参数监测结果考虑了隧道开挖的空间效应，识别结果更准确，也就是说传统的隧道围岩参数识别与位移监控预警过程中，监测位置距掌子面距离一项在以往的监测过程中并未被重视，但是这项数据的变化将会影响其他两项位移数据，其代表了隧道开挖的空间效应影响。因此可以说本实用新型综合考虑三项监测内容进行隧道围岩参数监测，以便于后续参数处理等单元得到更准确的识别结果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。

其中：

图1为本实用新型装置监测数据传输路线示意图；

图2为本实用新型所述装置结构示意图；

图3为本实用新型所述测量结构对应的结构示意图；

图4为本实用新型所述方向调整结构的结构示意图；

图5为本实用新型所述水平支撑架的结构示意图；

图6为本实用新型所述支撑结构的结构示意图；

图7为本实用新型所述空间监测目标分布示意图；

图8为本实用新型所述监测数据换算关系示意图；

图9为一个实施例中所述隧道变形特征曲线示意图；

图10为一个实施例中隧道实测曲线图；

图中：1、测量结构，11、拱顶测量模块，12、拱腰测量模块，13、施工面测量模块，14、垂向支撑架，15、水平支撑架，151、内齿轮孔，152、焊接缝， 16、第一连接螺栓，17、方向调整结构，171、第一调整体，172、塑胶制外齿轮，173、滚珠环，174、刻度盘，2、保护结构，21、防水檐，22、钢化玻璃， 23、转轴，3、支撑结构，31、水平支撑杆，32、竖向支撑杆，33、侧向支撑杆，34、第二连接螺栓，35、膨胀螺栓，4、数据处理单元，5、数据传输单元，51、信号发射天线。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。可以理解，本实用新型所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。

针对当前隧道安全监测过程中人工测量频率较低与精度较差等问题，在本实施例中，研发了一种隧道三维自动化激光测距装置，具有以下特点：(1)所设计的一体化装置可直接安装于隧道衬砌表面，装置带有自我保护结构，具有防水、放爆破飞石功能，并且能够根据工程实际情况调整测量角度，具有对复杂、恶劣工程环境的适用性；(2)其可同时实现拱顶沉降、洞周收敛以及监测位置距掌子面距离三个方向的隧道位移数据监测，能够弥补隧道开挖空间效应带来的传统监测误差；同时，装置安装拆卸方便，可以循环使用，具有很大成本优势。综上可知本实用新型开发了一种用于隧道空间特征信息的数据采集单元来应用到本装置的隧道断面拱顶沉降、洞周收敛、监测位置距掌子面距离三个目标的监测过程，而传统的隧道围岩参数识别与位移监控预警过程中，监测位置距掌子面距离一项在以往的监测过程中并未被重视，但是这项数据的变化将会影响其他两项位移数据，其代表了隧道开挖的空间效应影响，具体的隧道开挖前，待开挖位置的原始岩石对其上部地层有支撑作用，保障了围压整体的稳定性；开挖后，这部分岩体被挖除，其上部岩体失去了原来的支撑平衡，将会出现变形；而且，随着开挖面不断前移，即开挖的岩体体积不断增多，这种现象将会越来越明显。上述开挖过程在数据上表现为监测位置距掌子面距离，此时岩体位移表现为拱顶沉降及洞周收敛。即拱顶沉降及洞周收敛将会受到监测位置距掌子面距离的影响，隧道围岩随开挖过程的隧道变形特征曲线如图9 所示，可见围岩变形与隧道施工位置具有密切关系，因此监测过程中有必要充分考虑监测位置距掌子面距离这一项，即综合考虑三项监测内容进行隧道围岩参数识别将会得到更准确的识别结果；其次，其监测数据经由数据处理单元4 进行参数识别并经由装置内集成的数据传输单元上传至云端，能够实现多终端的数据实时获取。

基于上述设计要点，如图1-8所示，本实施例所述的装置包括：测量结构1、保护结构2、支撑结构3；所述测量结构1能够调整监测方向并获取当前监测方向对应的隧道空间特征信息，优选采用激光测距仪；所述保护结构2内容纳所述测量结构1，所述保护结构2能够实现对测距精密仪器的保护，其主要功能为实现在复杂施工环境下对测量结构的保护效果，主要防护目标为现场可能出现的出水环境、高灰尘颗粒环境、意外碰撞等；所述支撑结构3能够将所述测量模块1与保护结构2固定于隧道侧壁安装点。其中用户可以依据实际需求，分别调整各个测量模块的监测方向以实现同一所述激光测距装置同时对3个隧道侧壁监测点进行监测。

在具体的实施例中，所述测量结构包括：拱顶测量模块11、拱腰测量模块 12、施工面测量模块13、垂向支撑架14、水平支撑架15、连接螺栓16；其中，所述拱顶测量模块11固定于所述垂向支撑架14上，用以获取对应拱顶监测方向下，安装点与拱顶监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述拱腰测量模块 12固定于所述水平支撑架15的其中一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点与拱腰监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述施工面测量模块13固定于所述水平支撑架15的另一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点与施工面监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述水平支撑架15固定在所述保护结构内部，且由两个直角梯形板相互焊接构成直角弯板，两者的焊接缝152如图5；所述垂向支撑架14通过第一连接螺栓16在所述水平支撑架上。

在具体的实施例中，所述拱顶测量模块11、拱腰测量模块12、施工面测量模块13均通过调整结构16调整对应的监测方向。

在具体的实施例中，所述方向调整结构16包括：所述方向调整结构16固定在所述水平支撑架15表面所开设的内齿轮孔结构151(可采用钢制内齿轮孔) 内，其中，方向调整结构包括：第一调整体171、第二调整体172以及滚珠环 173，其中，如图4，所述第一调整体171固定在某一测量某一端部，如可采用圆柱体结构；所述第二调整体172固定在所述第一调整体中心位置以构成一体式结构，以便于所述第二调整体改变位置时一同带动测量模块进行位置调整进而实现监测方向调整，所述第二调整体的直径小于第一调整体的直径且所述第二调整体的外径周向设置塑胶制外齿轮结构；其可插入至内齿轮孔151中实现啮合固定；所述滚珠环173内嵌于第一调整体下表面所开设的凹槽中。有上述结构可知由于塑胶材质具有一定的可变形性，因此在转动第一调整体171时，第二调整体172与内齿轮孔151发生错动，进而实现一体式结构旋转的目的。同时在此过程中，通过设置内嵌于第一调整体171下表面凹槽中的滚珠环，如可使其略凸出于所述第一调整体171下表面，减少方向调整结构与水平支撑架表面摩擦力，帮助旋转；从而实现通过调整所述方向调整结构带动所述拱顶测量模块、拱腰测量模块、施工面测量模块的测量方向调节；另还可以在水平支撑架15表面设置刻度盘174以帮助用户精确确认旋转角度。另，本例所述方向调整结构仅为较佳的实施方式，现有技术中其他方向调整装置也可应用到本案中进行方向调整。

在更具体的实施例中，本案可限定激光测距模块的具体种类及属性，即测量拱顶沉降、洞周收敛的两个模块需精度达到10^-3m及以上、量程为15m及以上；测量监测位置距掌子面距离的模块需精度达到10^-1m及以上、量程为50m 及以上。

在具体的实施例中，所述保护结构包括由盖板24、侧板25以及底板26构成的箱体结构；其中所述盖板24一侧通过转轴23固定在侧板25上，以使得所述盖板能够围绕转轴旋转，进而打开箱体结构进行测量模块的安装及调节；且所述箱体结构上设置有能够使得测量模块发出的测量激光能够无阻挡射出的钢化玻璃22，即各个监测方向上均通过钢化玻璃22，保证测量模块的激光能够无阻挡射出，并且具有一定的抗击打性，防止隧道爆破产生的飞石溅射破坏测量模块。

在具体的实施例中，所述侧板25包括第一侧板251、第二侧板252以及第三侧板253；所述第一侧板251通过转轴23固定所述盖板21，所述第二侧板252 的高度低于所述第一侧板251并通过所述第二侧板252形成倾斜度的侧壁结构，使得设置在所述侧壁结构上的盖板可以作为防止箱体上表面积水的防水倾斜面并形成防水檐21，进而为其内部测量模块提供保护。优选的所述保护结构整体为钢板焊接制成。

在更具体的实施例中，如图6，所述支撑结构包括水平支撑杆31、竖向支撑杆32、侧向支撑杆33，其中，所述水平支撑杆31一端固定在所述隧道侧壁上，另一端与所述侧向支撑杆33连接；所述侧向支撑杆33另一端固定在所述隧道侧壁上；所述竖向支撑杆32一端固定在所述水平支撑杆31上，另一端固定在所述侧向支撑杆33上，所述侧向支撑杆33两端通过连接螺栓34固定在水平支撑杆31与竖向支撑杆32上，所述水平支撑杆31与竖向支撑杆32均通过膨胀螺栓35固定在所述隧道侧壁上。另，所述支撑结构与保护结构之间以焊接形式连接且支撑结构便于拆卸，具有灵活性，保证本实用新型装置可重复利用。

测得的距离数据经由数据线传输至数据处理单元，然后再传输至数据传输单元，并经由该单元的信号发射天线51上传至互联网数据库，实现不同单位对数据的访问，数据传输流程如图1所示。

基于上述设计原理以及对应的技术方案，下面以实际的实施例形式进行进一步的解释说明：

第一步、监测装置安装及测量数据获取：

首先，在所需监测区段侧墙适当位置安装图6所示支撑结构，其通过膨胀螺栓与侧墙固定，并在预留螺孔位插入螺栓后进行焊接保证稳定；其次，安装图2所示保护结构，将保护模块通过加固螺栓插入预留螺孔位进行连接并紧固；同时需要注意的是要根据实际需要确认安装方向，原则是保证3个测量模块的出射镜头以及钢化玻璃22所在面要朝向待测位置；打开保护结构即盖板，以便于下一步安装测量模块。再次，在已安装的支撑、保护结构基础上，安装的测量模块，根据监测目标方向确认测量模块放置方向；通过方向调整结构-实现精准的采集位置确定；开启激光测距仪，调试数据采集单元、数据传输单元5确认装置整体的连通性；最后，目标位置监测完成后，切除装置各处与侧墙连接膨胀螺栓，将装置整体移动至下一个需要监测位置进行下一个监测循环。

第二步、监测目标及数据处理：

具体的隧道空间监测目标过程如图7所示，图中，各结构分别为：I1.三层测量装置、I2.拱顶测量点、I3.拱腰测量点、I4.掌子面测量点、I5.掌子面测量夹角、I6.待开挖岩体；(1)其中，拱顶与拱腰测量点分别记为A、B，平面示意图见图8，记未开挖时洞周直径即BC长为m；拱顶至隧道中线距离即AD长度为n。位于C点的一组两个激光测距装置测得的AC向数据为a，BC向数据为b；则，隧道洞周收敛计算公式为：x_L＝m-b隧道拱顶沉降计算公式为：

Figure 100613DEST_PATH_GDA0002618066180000061

其中，m，n为已知的隧道设计数据，那么根据测量数据a， b即可求得隧道拱顶沉降与洞周收敛值。(2)记图7中结构I5夹角为θ，掌子面测量点的实测距离为c，那么监测断面距掌子面真实距离为x_f＝c·sinθ，其中θ为可控值，c为测量值，则x_f＝c·sinθ。

通过本实用新型所得到的围岩位移曲线如图10所示，可见所得位移监测曲线较好地表达了空间效应影响，且监测数据连续性较好，曲线整体光滑平稳，说明监测系统运行稳定，监测准确性高。

实施本实用新型实施例得到的围岩参数识别结果及其与原设计结果对比如表1所示。经现场验证，利用本实用新型实施例所获得的监测数据进行参数识别更接近于真实情况。

表1为一个实施例中隧道围岩设计参数与利用本装置所得识别参数对比表

Figure 955436DEST_PATH_GDA0002618066180000062

Figure 735174DEST_PATH_GDA0002618066180000071

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述装置包括：测量结构、保护结构以及支撑结构；所述测量结构能够同时获取拱顶沉降、洞周收敛和监测位置距掌子面距离三个方向上的位移变化监测数据；所述保护结构内容纳所述测量结构；所述保护结构固定在所述支撑结构上并通过所述支撑结构固定于隧道侧壁。

2.根据权利要求1所述的隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述测量结构包括：拱顶测量模块、拱腰测量模块、施工面测量模块、垂向支撑架、水平支撑架、连接螺栓；其中，所述拱顶测量模块固定于所述垂向支撑架上，用以获取对应拱顶监测方向下，安装点与拱顶监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述拱腰测量模块固定于所述水平支撑架的其中一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点与拱腰监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述施工面测量模块固定于所述水平支撑架的另一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点与施工面监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述水平支撑架固定在所述保护结构内部，且由两个直角梯形板相互焊接构成直角弯板；所述垂向支撑架通过连接螺栓在所述水平支撑架上。

3.根据权利要求2所述的隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述拱顶测量模块、拱腰测量模块、施工面测量模块均通过方向调整结构调整对应的监测方向。

4.根据权利要求3所述的隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述方向调整结构固定在所述水平支撑架表面所开设的内齿轮孔结构内，其中，方向调整结构包括：第一调整体、第二调整体以及滚珠环，其中，所述第一调整体固定在所述拱顶测量模块/拱腰测量模块/施工面测量模块上，所述第二调整体的直径小于第一调整体的直径且固定在所述第一调整体中心位置以构成一体式结构，同时所述第二调整体的外径周向设置塑胶制外齿轮结构；所述内齿轮孔结构与塑胶制外齿轮结构间相互啮合；所述滚珠环内嵌于第一调整体下表面所开设的凹槽中。

5.根据权利要求1所述的隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述保护结构包括由盖板、侧板以及底板构成的箱体结构；其中所述盖板一侧通过转轴固定在侧板上，以使得所述盖板能够围绕转轴旋转；且所述箱体结构上设置有钢化玻璃。

6.根据权利要求5所述的隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述侧板包括第一侧板、第二侧板以及第三侧板；所述第一侧板通过转轴固定所述盖板，所述第二侧板的高度低于所述第一侧板并通过所述第二侧板形成倾斜度的侧壁结构且所述侧壁结构与盖板形成有防水檐。

7.根据权利要求1所述的隧道三维自动化激光测距装置，其特征在于，所述支撑结构包括水平支撑杆、竖向支撑杆、侧向支撑杆，其中，所述水平支撑杆一端固定在所述隧道侧壁上，另一端与所述侧向支撑杆连接；所述侧向支撑杆另一端固定在所述隧道侧壁上；所述竖向支撑杆一端固定在所述水平支撑杆上，另一端固定在所述侧向支撑杆上。