CN212030515U - 隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，该系统包含：用于发射激光信号和测距的激光测距发射模块，设置于各个隧道观测断面的拱顶；智能接收靶，与一棱镜连接，智能接收靶接收所述激光测距发射模块发射的激光信号，并读取和发送激光信号在智能接收靶靶面上的二维坐标信息；中央处理器，接收智能接收靶发送的二维坐标信息和激光测距发射模块发送的测距信息以监测沉降信息。其优点是：将激光测距发射模块、智能接收靶和中央处理器等相结合，能够对隧道断面拱顶沉降观测点的相对变化进行自动化测量，进而自动化监测隧洞拱顶沉降，其自动化监测方式节省了大量的人力物力，也为项目施工的过程安全和二次施工提供了指导。
Description
技术领域
本实用新型涉及隧道观测断面沉降监测领域，具体涉及一种全新的基于激光测距技术分析的矿山法隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统。
背景技术
在矿山法施工山岭隧道过程中，对隧道初衬拱顶沉降的实时监控测量，是掌握围岩和支护变形情况的关键点，也对控制施工过程安全和二衬施工提供了指导。目前，隧道拱顶沉降主要由全站仪配合人工完成测量工作，工作效率较低，且与现场施工作业相冲突，自动化监测隧道拱顶沉降的手段非常缺乏，少部分人提出静力水准仪方式进行监测，但在施工现场很难实施。
专利CN108253925A公布了一种通过三维激光扫描仪获取隧道剖面点云数据，从而分析隧道剖面变形的方式。专利CN107655420A公开了一种基于激光测距原理，通过测量激光位移传感器与监测点位之间距离和自身角度，计算隧道变形量的方式。专利CN110130987A公开了一种基于图像分析的隧道收敛变形监测方法，可以测量两拱脚水平相对位移和拱顶相对于拱脚水平测线的相对位移。
专利CN107655420A中使用三维激光扫描仪成本较高，数据量大，且在对点云数据拟合和提取点云剖面时误差较大，难以保证测量精度。同时无法实现指定测点测量前后数据一一对比。专利CN107655420A中公开了使用单点激光测距，需要处理的数据量少，可实现指定测点测量前后数据一一对比，但需要万向测量装置驱动激光测距仪照准安装于测点处的测量反光片，而驱动激光测距仪精确照准反光片较为困难，照准误差对测量精度影响较大。专利CN110130987A中通过图像处理技术的方式，由于隧道施工环境对相机安装位置的限制以及隧道内光线条件使得成像质量较差，精度难以保证，同时该方法无法获得测点在测量前后的位移。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，该系统将激光测距组和智能接收靶等相结合，能够对隧道断面拱顶特征目标测点的相对变化进行自动化测量，进而达到自动化监测沉降的目的。
为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，该系统包含：
用于发射激光信号和测距的激光测距发射模块，设置于各个隧道观测断面的拱顶；
智能接收靶，其与一棱镜连接，所述智能接收靶接收所述激光测距发射模块发射的激光信号，并读取和发送激光信号在智能接收靶靶面上的二维坐标信息；
中央处理器，其与各个部件通信连接并驱动各个部件，所述中央处理器接收所述智能接收靶发送的二维坐标信息和激光测距发射模块发送的测距信息以监测沉降信息。
可选的，所述激光测距发射模块包含若干个激光测距组，各个激光测距组设置在各个隧道观测断面上。
可选的，所述激光测距组包含若干个激光测距仪。
可选的，所述激光测距组包含三个激光测距仪，各个所述激光测距仪呈等腰三角形排列或直角三角形排列或等腰直角三角形排列。
可选的，所述激光测距组通过锚栓固定在隧道观测断面的拱顶。
可选的，所述智能接收靶包含多组二维位置传感器，以读取并发送激光信号在智能接收靶靶面上的二维坐标信息。
可选的，所述智能接收靶固定在棱镜杆的延长线上，两者位置固定。
可选的，所述棱镜为球形棱镜。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
本实用新型的一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，将激光测距发射模块、智能接收靶和中央处理器等相结合，能够对隧道断面拱顶沉降观测点的相对变化进行自动化测量，进而自动化监测隧洞拱顶沉降；该自动监测系统无需人工定时定点测量，减少了人力和物力的消耗，也为项目施工的过程安全和二次施工提供了指导。
附图说明
图1为本实用新型的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统示意图；
图2为本实用新型的智能接收靶和棱镜组合示意图；
图3为本实用新型的智能接收靶和激光测距组组合示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本实用新型做进一步阐述。
如图1所示，为本实用新型的一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，该系统包含用于发射激光信号和测距的激光测距发射模块、智能接收靶4和中央处理器(CPU)，所述中央处理器可控制各模块的驱动，其可为多个控制器的集成。
如图1所示，为本实施例的一以矿山法施工的山岭隧道1，在隧道断面初衬混凝土围岩上选取隧洞拱顶沉降特征目标测点(即沉降观测点)，通常情况下，每个隧道观测断面2上有一个特征目标测点，其位于隧道观测断面2拱顶部位，在此位置安装激光测距发射模块。
所述智能接收靶4接收所述激光测距发射模块发射的激光信号，并读取和发送激光信号在智能接收靶4靶面上的二维坐标信息；所述中央处理器与各个部件通信连接并驱动各个部件，所述中央处理器接收所述智能接收靶4发送的二维坐标信息、激光测距发射模块发送的测距信息以监测沉降信息。当所述中央处理器监测到不同时间点特征目标测点的位置信息发生变化，可初步判定该激光测距组3的隧道观测断面2的拱顶发生沉降。
所述激光测距发射模块包含若干个激光测距组3，各个激光测距组3设置在各个隧道观测断面2上。在本实施例中，隧道包含3个隧道观测断面2，3个所述激光测距组3通过锚栓固定在隧道观测断面2的拱顶。
在本实施例中，所述激光测距组3包含三个激光测距仪31。各个所述激光测距仪31呈等腰三角形排列或直角三角形排列或等腰直角三角形排列，各个所述激光测距仪31发射的激光光线相互平行。
另外，所述智能接收靶4为一平面靶结构，其主要包含多组二维位置传感器，以读取并发送激光信号在智能接收靶4靶面上的二维坐标信息，从而获得智能接收靶4距离激光测距发射模块的距离值。智能接收靶4的二维位置传感功能可采用现有的半导体感光元器件技术或图像处理技术实现激光投射像点在靶面上的二维位置的读取及传输功能。
如图1和图2结合所示，所述智能接收靶4固定在棱镜5杆的延长线上，棱镜5和智能接收靶4固定在一起且位置不变，两者构成一个统一部件，坐标统一。棱镜5是实务测量中常用的设备，可以通过全站仪测知棱镜5的工程坐标位置，进而可根据实际需要测得与其固定连接的智能接收靶4的工程坐标位置，智能接收靶4的工程坐标位置信息可预先存储在中央处理器中。可选的，所述棱镜5为球形棱镜。
如图3所示，所述激光测距组3和智能接收靶4构成一个大坐标系，激光测距组3的三个激光测距仪31发射的三组激光投射在智能接收靶4上构成一个小坐标系。在本实施例中，三个激光测距仪31呈等腰直角三角形排列，即三组激光在智能接收靶4上呈等腰直角三角形排列，智能接收靶4读取并向中央处理器传送各组激光的位置坐标信息，由于智能接收靶4和棱镜5坐标位置固定，因此可通过坐标变换求出隧道观测断面2拱顶沉降的坐标变动情况，进而实现隧道观测断面2拱顶沉降自动化监测的目的，上述坐标变换求取位置变化的方法采用现有技术中利用坐标变换求取位置的方法。
示例地，如图1和图3结合所示，以垂直于隧道观测断面方向为X1轴，平行于隧道观测断面的水平方向为Y1轴，竖直地面方向为Z1轴，建立第一空间三维直角坐标系。
在智能接收靶4平面内平行于X1轴方向为X2轴，在智能接收靶4平面内平行于Y1轴方向为Y2轴，垂直于该平面即平行于Z1轴方向为Z2轴，建立第二空间三维直角坐标系。
第二空间三维直角坐标系中激光测距组的某一激光测距仪发射到智能接收靶4平面上的激光信号的位置坐标A(x1,y1,z1)与第一空间三维直角坐标系中激光测距组发射到智能接收靶4平面上的激光信号的位置坐标B(x2,y2,z2)的转换关系满足：
B＝(x2,y2,z2)＝R1 -1A(x1,y1,z1)–T1；
其中，R1、T1为第二空间三维直角坐标系到第一空间三维直角坐标系的旋转矩阵、平移相量，且分别满足：
其中，
为激光测距组中一个激光测距仪的角度；
为激光测距组中另一激光测距仪的角度，L1为智能接收靶4的X轴坐标值即智能接收靶4和激光测距组的距离。
在实际应用中，中央处理器定时驱动激光测距发射模块的各个激光测距组3发射激光信号，智能接收靶4接收激光信号并读取和发送激光信号在智能接收靶4靶面上的二维坐标信息以测试各个隧道观测断面2的拱顶位置变化，各个激光测距组3将测距信息实时传送给中央处理器，中央处理器接收智能接收靶4发送的二维坐标信息、激光测距发射模块发送的测距信息以监测沉降信息，中央处理器根据不同时间点的拱顶位置信息进行对比，判定出隧道观测面2上特征目标测点的形变信息，完成隧道观测面2的沉降自动化监测。
需要注意的是，本申请中采用的各部件的功能都是依靠现有程序实现的。
综上所述，本实用新型的一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，将激光测距发射模块、智能接收靶4和中央处理器等相结合，能够对隧道断面拱顶沉降观测点的相对变化进行自动化测量，进而达到自动化监测沉降的目的。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，该系统包含：
用于发射激光信号和测距的激光测距发射模块，设置于各个隧道观测断面的拱顶；
智能接收靶，其与一棱镜连接，所述智能接收靶接收所述激光测距发射模块发射的激光信号，并读取和发送激光信号在智能接收靶靶面上的二维坐标信息；
中央处理器，其与各个部件通信连接并驱动各个部件，所述中央处理器接收所述智能接收靶发送的二维坐标信息和激光测距发射模块发送的测距信息以监测沉降信息。
2.如权利要求1所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述激光测距发射模块包含若干个激光测距组，各个激光测距组设置在各个隧道观测断面上。
3.如权利要求2所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述激光测距组包含若干个激光测距仪。
4.如权利要求2所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述激光测距组包含三个激光测距仪，各个所述激光测距仪呈等腰三角形排列或直角三角形排列或等腰直角三角形排列。
5.如权利要求2所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述激光测距组通过锚栓固定在隧道观测断面的拱顶。
6.如权利要求1所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述智能接收靶包含多组二维位置传感器，以读取并发送激光信号在智能接收靶靶面上的二维坐标信息。
7.如权利要求1所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述智能接收靶固定在棱镜杆的延长线上，两者位置固定。
8.如权利要求7所述的隧道施工隧洞拱顶沉降观测点绝对高程自动监测系统，其特征在于，
所述棱镜为球形棱镜。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113432581A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-09-24 | 天津市勘察设计院集团有限公司 | 一种利用精密水准点进行高精度的拱顶沉降观测方法 |
| CN118517312A (zh) * | 2024-07-24 | 2024-08-20 | 山东大学 | 一种盾构隧道全生命周期的监测方法 |
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2020
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