CN110345906A - 隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置”，其技术领域属于隧道监控量测技术领域，特别涉及一种用于隧道拱顶下沉标高测量的方法及仪器设备。***主要由沉降测量单元，基准高度单元，储液器，采控站，以及配件（通液管、连接线缆、反光板等）和测控软件组成。其测量方法主要包括：通过函数换算间接测量获得拱顶的下沉值，通过高度基准导入结合静力水准测量***获取每个断面拱顶测点的绝对标高值，通过误差的差分自动消除技术完成储液器内液位因渗漏或其它因素出现改变时、当隧道内壁发生沉降或者形变时、当某断面测点发生损毁需要重建测点时的误差自动消除。本发明实现了高精度、非接触、一站式自动化实时在线测量。

Description

隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于隧道监控量测技术领域，特别涉及一种用于隧道拱顶下沉标高测量的方法及仪器设备。

背景技术

在隧道施工中，需要对围岩、地表、支护结构的变形和稳定状态，以及周边环境动态进行经常性的观察和量测。以确保施工安全及结构的长期稳定性，有效指导施工、避免地质灾害和施工事故的发生，积累量测数据、为信息化设计与施工提供依据。铁路隧道监控量测技术规程(Q/CR 9218-2015) 4.1.4条规定：监控量测工作应随施工工序及时进行，测点应及时埋设，支护后2小时内读取初始数据，并应依据现场情况及时调整监控项目和内容。同时，该技术规程还明确规定了隧道的拱顶下沉式监控量测的必测项目之一，在实际施工测量中，技术人员通过监测隧道拱顶测点的标高变化来获取测点的相对下沉值。

目前的拱顶标高测量方式，接触式测量方法大多采用精密水准仪和铟钢挂尺，非接触式测量，通常采用全站仪进行，测量的数据每天上报工管中心。总体来看，现有测量仪器设备和测量方法难以解决以下几个问题：

一是现场测量需要繁琐复杂的操作或者安装过程，费时费力，测量时效性较差，还没有做到实时在线测量，这造成了监测数据特别是开挖初期的数据缺失较严重；

二是测量模型设定比较简单，没有详细分析隧道自身复杂的位移状态和实际施工工况等因素的限定条件；

三是测量的整体工作量大，对于每个测点，通常需要持续监控一个星期或更长时间，对于一些强变点，持续监测要求时间甚至超过数月；

四是因人工操作和安装过程的偶然性和随机性较多，易出现人为误差，难以满足规程中的测量精度要求；

五是测量与施工相互干扰，影响双方工作进度，特别是在喷锚、出渣或大型车辆出入等情况下测量，甚至会直接给监控测量人员的工作带来不安全因素。

因此，隧道施工监控量测的测量方法与测量仪器设备的研究仍然是非常亟需的，目前出现的一些新型监控量测手段和仪器设备如：中国专利申请号CN201621260511.8公开了一种隧道拱顶下沉测量的实用新型专利，该发明采用红外测距装置和数据收集器对拱顶相对下沉进行测量，该***需要把测距装置埋设在隧道横断面直边的中点，这严重的影响了正常施工的进行，另外该***无法对拱顶测点的绝对标高进行测量；中国专利申请号CN201510626712.9公开了一种提高对边测量隧道拱顶下沉精度的发明专利，该发明采用全站仪对边量测法，基于现场隧道拱顶下沉量测实际情况，通过选择合理的后视点及全站仪布设位置，提高测量精度，该方案依然是基于全站仪测量方式，依然无法解决前述操作繁琐复杂、测量时效性较差以及与施工相互干扰等问题；中国专利申请号CN201310259298.3公开了一种隧道收敛位移和拱顶沉降的测量装置及测量方法，该发明基于2个激光测距仪和复杂的几何变换公式，对拱顶下沉和净空收敛进行测量，该方案的测量模型限定为测量设备所在的定线装置（测量基准点）在测量过程中是静止的，其标高测量每次都需要使用精密水准仪配合进行，该方案仍没有解决定线装置移动情况下的测量问题和实时标高测量问题。综上所述，目前还没有行之有效的***性解决方案、仪器设备以及对应的发明专利出现。

发明内容

本发明目的是为了解决上述所存在的问题，提供一种优于当前隧道拱顶下沉测量方式的测量新思路、实现的技术方案以及对应的仪器设备，用以方便技术人员准确、实时、高效进行隧道施工的现场测量工作，为实现上述目的，本发明提供了如下内容。

（一）拱顶下沉实时标高测量的方法

该测量方法的原理如附图1（标高测量原理图）所示， 1是拱顶沉降待测点，令该待测点的标高值记为H_bg； 2是待测点所在平面；6是基准点所在平面；7是引入到隧道内的基准点，其标高值为已知，记为h_jz；设备T1和T2安装于隧道内壁，设备T3位于基准点所在平面，则有：

H_bg=H+h_jz………………………………………… （1）

其中，H是2与6之间的高度差。

又如附图1所示，H可以表示为：

H=h₁-h₂+h₃……………………………………… （2）

其中，h1是设备T1所在平面与设备T3所在平面的高度差（该高度差值可以通过设备T3测量出来）；h2是设备T1所在平面与设备T2所在平面的高度差（该高度差值可以通过设备T2测量出来）；h3是设备T2所在平面与拱顶测点设所在平面的高度差（该高度差通过测线的函数变换得来）。

因此，由公式（1）（2）可得：

H_bg=h₁-h₂+h₃+ h_jz…………………………………………（3）

又如附图1所示，3是激光测线，其测量距离值记为R，8是激光测线的仰角θ，则h3可以表示为：

h3=R*sinθ..............................................（4）

因此，待测点的标高值H_bg可以表示为：

H_bg= h₁-h₂+ R*sinθ+ h_jz………………………………（5）

（二）实施所述测量方法的测量装置

显然，应当理解，以下测量装置仅仅是实现本发明所述实时标高测量方法的其中一种实施方式，因此不应被看作是对范围的限定。

测量装置包括：沉降测量单元（如附图1中设备T2），基准高度单元（如附图1中设备T3），储液器（如附图1中设备T1），采控站，以及配件（通液管、连接线缆、反光板等）和测控软件。

进一步的，沉降测量单元主要由激光收发测量模块、倾角传感器、静力水准仪、调节锁定装置、快速接插头、可调节脚架等组成，其中激光收发测量模块用以完成距离值R的测量，静力水准仪用以完成高度差值h2的测量，倾角传感器安装于激光测量模块内部，与激光测线保持平行，用以完成激光测线的仰角值θ测量，调节锁定装置用以完成激光收发测量模块的微调瞄准和锁定，快速接插头用以工作人员现场快速连接通液管和电源、信号线缆，可调节脚架用以装置的水平状态微调。

进一步的基准高度单元主要由静力水准仪，安装固定装置和快速接插头组成，用以完成高度差值h1的测量，以及本测量***对引入隧道内的基准点标高的导入和标定，从而完成拱顶测点标高值的实时测量。

进一步的，储液器与基准高度单元中的静力水准仪、沉降测量单元中的静力水准仪构成静力水准测量***。

进一步的，采控站由数据采集模块、信号处理模块、数据存储模块、自检模块、无线收发模块、电源模块、显控屏、操作面板等组成，其中数据采集模块完成所有传感器的数据采集工作，无线收发模块通过WiFi/GPRS等方式完成采控站与上位机的通讯、数据上传等功能，电源模块为整个测量***供电，显示屏和操作面板用以完成测量状态查看、设置等功能。

进一步的，测控软件安装在中心服务器，台式机终端或手机上，通过软件可以远程完成所有测量、数据汇总、过程线生成和显示控制等操作。

进一步的，该***可以扩展为对多个断面拱顶下沉同时进行实时在线测量，只需要增加沉降测量单元即可，不需要技术人员对增加的每个断面都进行基准点标高的人工测量和导入。

（三）拱顶下沉值的函数换算测量原理

拱顶下沉的测量原理如附图2所示，通过T2沉降测量单元能够得到其相对于拱顶测点的实时距离，不失一般性，设拱顶的初始位置是b，与测量装置之间的对应距离为R，拱顶下沉后的位置是b^、，对应的距离为R^、，激光测线的仰角为θ，则存在以下几何关系：

sinθ= (b^、-b) / (R-R^、)……………………（6）

所以，拱顶下沉的值b^、-b可以表示为：

b^、-b =(R-R^、)*sinθ………………………（7）

如果此时沉降测量单元所在平面也发生了沉降或者其它原因引起的高度变化，从初始位置a下沉到位置a^、，令拱顶下沉值记为ΔGD，则可以表示为：

ΔGD=[(R-R^、)*sinθ]-(a^、-a)………（8）

其中，沉降测量单元所在平面高度的变化值(a^、-a)可以通过装置内的静力水准仪测量得到。

（四）误差的差分自动消除原理

如附图1和附图4所示，当储液器内液位因渗漏或其它因素出现改变时；当隧道内壁发生沉降或者形变时；当某断面测点发生损毁需要重建测点时，或者其它一些外界因素，都会给测量***带来误差，使得无法获取正确的标高值H_bg，现逐一分析上述情况下的误差差分自动消除原理。

（a）当T1储液器内液位发生改变时

记液位改变量为ΔYW，由静力水准测量***的基本原理可知，静力水准仪T1和T2的测量值h₁和h₂变为h₁= h₁+ΔYW，h₂= h₂+ΔYW，则公式（3）标高值H_bg可以表示为：

H_bg=（h₁+ΔYW）-（h₂+ΔYW）+h₃+ h_jz= h₁-h₂+h₃+ h_jz………………（9）

显然，标高值H_bg不受影响。

（b）当隧道内壁发生沉降或者形变时

不失一般性，设内壁沉降值记为ΔCJ，该沉降使得T1储液器位置下降ΔCJ，同时使得T2沉降测量单元下降ΔCJ。由前述（a）中分析可知，T1储液器下降不会引起标高值H_bg的改变。T2沉降测量单元下降使得测量值h₂和h₃变为h₂= h₂+ΔCJ，h₃= h₃+ΔCJ，则公式（3）标高值H_bg可以表示为：

H_bg=h₁-（h₂+ΔCJ）+（h₃+ΔCJ）+ h_jz= h₁-h₂+h₃+ h_jz…………………（10）

显然，标高值H_bg不受影响。

（c）当某断面测点发生损毁需要重建测点时

如果某断面测点发生损毁而重建新的测点时，需要把T2沉降测量单元移到重建测点，如果安装位置与原位置高度发生了变化，显然这种变化适用于前述（b）中所描述的情况。

综上所述，本发明提供的测量***综合采用激光相位测距亚毫米测量技术、软件化测控等技术，通过函数换算间接测量获得拱顶测点的下沉值，通过高度基准导入结合静力水准测量***获取每个断面拱顶测点的绝对标高值，通过差分自消除技术自动消除高度误差，实现了高精度、非接触、一站式自动化实时在线测量。

附图说明

图1是标高测量原理图，其中， T₁是储液器，T₂是沉降测量单元，T₃是基准高度单元，1是拱顶沉降待测点，2是待测点所在平面，3是激光测线，4是沉降测量单元所在平面，5是储液器所在平面，6是基准点所在平面，7是引入到隧道内的基准点，8是激光测线仰角。

图2是拱顶下沉测量原理图，其中1是沉降测量单元，2是激光测线，3是隧道拱顶初始位置，4是隧道拱顶下沉后的位置，5是沉降测量单元所在平面的初始位置，6是沉降测量单元所在平面变化后的位置，7是激光测线的仰角。

图3是沉降测量单元结构图，其中3.1是底座，3.2是激光收发模块，3.3是静力水准仪，3.4是快速接插头，3.5是可调节脚架，3.6是调节锁定装置。

图4是多断面同时测量原理图，其中，T₁是储液器，T₂是沉降测量单元，T₃是基准高度单元，1是拱顶沉降待测点，2是待测点所在平面，3是激光测线，4是沉降测量单元所在平面，5是储液器所在平面，6是基准点所在平面，7是引入到隧道内的基准点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如附图1、附图4所示，在隧道内壁从上而下依次稳固的安装储液器、沉降测量单元、基准高度单元，确保储液器高于后两者，沉降测量单元高于后者，由人工测量基准高度单元与引入到隧道内的基准点之间的高度差，记为h0，或者将基准高度单元直接安置在基准点上，显然此时h0为零。

在隧道拱顶测点位置安装反光板，先调整沉降测量单元底座下面的可调节脚架（如附图3中的3.5）同时观察底座上的水平状态显示气泡，完成测量装置的水平微调，然后调整测量装置的激光收发模块（如附图3中的3.2），使得测量激光射向隧道拱顶测点上的反光板，然后通过调节锁定装置（如附图3中的3.6）固定锁死，用专用通液管和线缆连接储液器、基准高度单元和沉降测量单元基座上的快速插头。

如果想要多个断面同时监控量测，则在每个隧道内壁的测点依次安装沉降测量单元，安装的高度可以不必严格一致，如附图4所示，并在对应的每个拱顶测点安装反光板，和前述基准高度单元、储液器构成一个测量组，调整好每个激光收发模块，使得每个测量激光都打向对应的反光板，并用专用通液管和线缆连接所有沉降测量单元的快速插头。收到测量指令后，每个测点沉降测量单元里静力水准仪的测量值，激光收发模块的仰角值，激光测线的距离测量值，以及该测量组的基准高度单元里静力水准仪测量值等参数发送到采控站的数据采集模块，采控站把采集到的所有数据处理后保存并通过无线收发模块上传到中心服务器，再由中心服务器分发到台式机终端或手机上。测量工作人员可以在现场直接操作采控站，也可以通过台式机终端或手机随时发送测控指令、查看测量数据、改变测量设置，从而实现对每个测点的长期实时在线测量。

如果某断面完成了测量任务，则可以把该断面的沉降测量单元移动安装到下一个监控量测断面，连接专用测量管线，该测量组的其它设备可以保持不变，从而通过循环移动推进的模式完成测量任务，操作和安装过程简单，不需要再每次都对新的测量断面进行基准标高的测量导入。

最后说明的是，以上优选实施例仅用于详细描述本发明的技术方案而并非对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员应当明白，在本发明技术方案的基础上，没有经过创造性劳动对其形式和细节上作出的各种改变仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置，其特征在于，包括同时对多断面拱顶下沉进行实时标高测量的方法和测量装置。

2.根据权利1要求的隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置，其特征在于，测量方法主要包括：通过函数换算间接测量获得拱顶的下沉值，通过高度基准导入结合静力水准测量***获取每个断面拱顶测点的绝对标高值，通过误差的差分自动消除技术完成储液器内液位因渗漏或其它因素出现改变时、当隧道内壁发生沉降或者形变时、当某断面测点发生损毁需要重建测点时的误差自动消除。

3.根据权利1要求的隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置，其特征在于，测量装置主要包括：沉降测量单元，基准高度单元，采控站，配件（通液管、连接线缆、反光板等）和测控软件。

4.根据权利1要求的隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置，其特征在于，可以扩展为多个断面同时进行实时在线测量，通过循环移动推进的模式完成测量任务，不需要技术人员对每个断面都进行基准点标高的人工测量和导入。

5.根据权利1要求的隧道拱顶下沉的实时标高测量方法及测量装置，其特征在于，设备安装于隧道内壁，不会导致测量和施工的互相影响。