基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖±工程中地下洞室變形測(cè)量技術(shù)范圍，特別設(shè)及一種基于區(qū)段精細(xì) 測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 地下洞室的設(shè)計(jì)和施工，需要實(shí)時(shí)根據(jù)開(kāi)挖巖體的物理力學(xué)性能來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù) 和施工工藝。而最直接和最有效的識(shí)別開(kāi)挖巖體性能的方法是早期變形監(jiān)測(cè)。實(shí)際上，在 洞室掌子面開(kāi)挖之前，圍巖已經(jīng)發(fā)生了 30%左右的變形；掌子面開(kāi)挖之后到第一次變形測(cè) 量之間，又有30%~50%變形發(fā)生。所W，為了盡可能多的捕獲巖體的變形信息，就迫切需 要盡可能早的建立監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行早期變形監(jiān)測(cè)。
[0003] 目前，圍巖變形測(cè)量方法主要包括點(diǎn)點(diǎn)測(cè)量方法和點(diǎn)云測(cè)量方法。點(diǎn)點(diǎn)測(cè)量方法 通過(guò)在開(kāi)挖斷面輪廓安裝一些（通常5個(gè)）錯(cuò)點(diǎn)或者祀點(diǎn)，然后定期測(cè)量錯(cuò)點(diǎn)或祀點(diǎn)的絕 對(duì)位置或相對(duì)位置，進(jìn)而計(jì)算變形（或收斂）值。該類方法包括收斂尺（計(jì)），全站儀等。 點(diǎn)云測(cè)量方法是通過(guò)獲取不同歷時(shí)的大量=維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用全站儀，不動(dòng)點(diǎn)或者場(chǎng)地 不變特征對(duì)不同歷時(shí)的=維點(diǎn)云進(jìn)行拼接，然后從=維點(diǎn)云剖切出關(guān)屯、的斷面并計(jì)算變形 量。主要方法包括攝影測(cè)量法和激光掃描法。CN101608897A公開(kāi)了一種精密桿式收斂 計(jì)，提供了一種準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠造價(jià)低廉的測(cè)量方法。CN202074964U公開(kāi)一種隧道收斂激 光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要安裝祀點(diǎn)，通過(guò)控制線纜連接測(cè)量按鈕進(jìn)行測(cè)量。專利CN101458069B公 開(kāi)了一種隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)方法及其檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)穩(wěn)定圍巖上的激光器監(jiān)測(cè)不穩(wěn)定圍巖 上的光敏位移信號(hào)監(jiān)測(cè)器。
[0004]W上方法都需要安裝錯(cuò)點(diǎn)或者祀點(diǎn)（點(diǎn)點(diǎn)測(cè)量方法），拼接點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)或控制點(diǎn) (點(diǎn)云測(cè)量方法），安裝該些標(biāo)志點(diǎn)容易干擾施工，并且鉆爆法開(kāi)挖的地下洞室，由于爆破 飛石和地震波的影響，標(biāo)志點(diǎn)容易受到破壞，不適宜早期變形的監(jiān)測(cè)。
[0005] 近年來(lái)，許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和探索研究。專利CN102297661公開(kāi)一 種激光式收斂計(jì)裝置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)祀點(diǎn)的收斂測(cè)量。專利CN103697827A公開(kāi)一種基于激光 測(cè)距的大斷面巷道收斂變形測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了原位測(cè)量。
[0006] 雖然該些方法可W進(jìn)行無(wú)反射目標(biāo)下的變形測(cè)量，但是，由于無(wú)法精確對(duì)中測(cè)點(diǎn)， 無(wú)法保證被測(cè)點(diǎn)位不同歷時(shí)測(cè)量部位的一致，尤其在大跨度鉆爆法開(kāi)挖的地下洞室，巖體 表面凸凹不平，即使測(cè)量角度誤差0. 05度，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)偏離真實(shí)測(cè)量部位多達(dá)26mm(測(cè) 量距離30m)，所W，上述方法無(wú)法很好的完成大跨度地下洞室的早期變形監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方 法，其特征在于，包括如下步驟：
[000引1)首先，安裝區(qū)段精細(xì)測(cè)量裝置，該裝置包括激光測(cè)量模塊，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，快裝板和 基座四部分；將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)鎖緊螺絲固定到快裝板上，激光測(cè)量模塊通過(guò)其底部的螺釘 孔固定到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的快裝板上，該樣就組成了可拆卸的測(cè)量裝置；當(dāng)洞室掌子面開(kāi)挖完成 后，立即在距離掌子面0. 5m，距離底拱1.Om的邊墻部位，將巖體表面處理平整，保證巖體 表面與洞室軸線平行，使用電鍵施作4個(gè)鉆孔，并用膨脹螺絲將基座水平固定在邊墻上；然 后，將可拆卸測(cè)量裝置的快裝板通過(guò)卡槽固定到基座上；
[0009] 2)操作旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將測(cè)量模塊旋轉(zhuǎn)到待測(cè)試的區(qū)段部位，針對(duì)每一個(gè)待測(cè)試區(qū)段， 密集采集一系列測(cè)點(diǎn)，針對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用多次測(cè)量求取平均值，計(jì)算其距離和角度信 息；測(cè)量結(jié)束后，直接將測(cè)量機(jī)構(gòu)從卡槽卸下即可；
[0010] 3)數(shù)據(jù)處理，針對(duì)每一個(gè)區(qū)段的不同歷時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，首先，按不同歷時(shí)的測(cè)量數(shù) 據(jù)，分別進(jìn)行楠圓擬合，得到各自的楠圓中屯、坐標(biāo)，然后依據(jù)不同歷時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)各自的中屯、 坐標(biāo)，將不同歷時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)平移到原點(diǎn)，完成不同歷時(shí)數(shù)據(jù)的拼接；其次，針對(duì)不同歷時(shí)拼 接后的測(cè)量區(qū)段數(shù)據(jù)，逐區(qū)段計(jì)算測(cè)量區(qū)段之間的面積S，測(cè)量區(qū)段的平均長(zhǎng)度以測(cè)量區(qū) 段的平均變形方向向量n，然后，計(jì)算不同歷時(shí)測(cè)量區(qū)段的平均變形幅值d=S/l，變形幅值 d和變形方向向量n共同組成該區(qū)段的變形向量。
[0011] 所述采集一系列測(cè)點(diǎn)為7~10個(gè)。
[0012] 所述基座上設(shè)置一對(duì)卡槽；快裝板上有與基座上相配合的一對(duì)卡槽。
[0013] 本發(fā)明有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用區(qū)段精細(xì)測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)祀點(diǎn) 的大斷面早期變形測(cè)量，尤其適用于鉆爆法開(kāi)挖下的地下洞室的早期變形監(jiān)測(cè)。本發(fā)明具 有小巧，使用簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)采集可W實(shí)現(xiàn)單人作業(yè)，攜帶方便，無(wú)需安裝祀點(diǎn)，無(wú)需精確對(duì)中， 不受爆破影響，可W快速安裝，測(cè)量快速，精度合理；尤其適用于鉆爆法開(kāi)挖下的地下洞室 的早期變形監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為變形監(jiān)測(cè)施測(cè)示意圖。
[0015] 圖2為圖1局部放大示意圖。
[0016] 圖3為基座示意圖。
[0017] 圖4為區(qū)段變形計(jì)算示意圖。
[001引圖中；1 -基座，2 -巖體表面，3 -卡槽，4 -快裝板，5 -激光測(cè)量模塊，6-旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)，7-膨脹螺絲，8-激光窗口9-激光束，10 -膨脹螺絲孔；20 - 23為測(cè)量區(qū)段。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明提供一種基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法，后面結(jié) 合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0020] 所述大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法包括如下步驟：
[0021] 1)首先，安裝區(qū)段精細(xì)測(cè)量裝置如圖1、圖2所示，該裝置包括激光測(cè)量模塊5,旋 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)6,快裝板4和基座1四部分；其中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)6通過(guò)鎖緊螺絲固定到快裝板4上，激 光測(cè)量模塊5通過(guò)其底部的螺釘孔固定到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)6的快裝板4上，該樣就組成了可拆卸 的測(cè)量裝置；當(dāng)洞室掌子面開(kāi)挖完成后，立即在距離掌子面0. 5m，距離底拱1.Om的邊墻部 位，將巖體表面2處理平整，保證巖體表面2與洞室軸線平行，使用電鍵施作4個(gè)鉆孔，并用 膨脹螺絲7穿過(guò)基座1的膨脹螺絲孔10 (如圖3所示）將基座1水平固定在邊墻的巖體表 面2上；然后，將可拆卸測(cè)量裝置的快裝板4通過(guò)卡槽3固定到基座1上；其中，基座上設(shè)置 一對(duì)卡槽；快裝板上有與基座上相配合的一對(duì)卡槽。
[0022] 2)操作旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)6,將激光測(cè)量模塊5旋轉(zhuǎn)到待測(cè)試的區(qū)段部位（如圖1中的標(biāo)號(hào) 20-23)，針對(duì)每一個(gè)待測(cè)試區(qū)段，密集采集7~10個(gè)系列測(cè)點(diǎn)，針對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用多次 測(cè)量求取平均值，計(jì)算其距離和角度信息；測(cè)量結(jié)束后，直接將測(cè)量機(jī)構(gòu)從卡槽卸下即可； 完成W上測(cè)量后，就獲取了一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)；然后，通過(guò)不同歷時(shí)的測(cè)量，就可W獲取不同歷 時(shí)下的斷面區(qū)段精細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0023] 3)數(shù)據(jù)處理，針對(duì)每一個(gè)區(qū)段的不同歷時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，首先，按不同歷時(shí)的測(cè)量數(shù) 據(jù)，分別進(jìn)行楠圓擬合，得到各自的楠圓中屯、坐標(biāo)，然后依據(jù)不同歷時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)各自的中屯、 坐標(biāo)，將不同歷時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)平移到原點(diǎn)，完成不同歷時(shí)數(shù)據(jù)的拼接；其次，針對(duì)不同歷時(shí)拼 接后的測(cè)量區(qū)段數(shù)據(jù)，逐區(qū)段計(jì)算測(cè)量區(qū)段之間的面積S，測(cè)量區(qū)段的平均長(zhǎng)度以測(cè)量區(qū) 段的平均變形方向向量n，然后，計(jì)算不同歷時(shí)測(cè)量區(qū)段的平均變形幅值d=S/l，變形幅值 d和變形方向向量n共同組成該區(qū)段的變形向量。
[0024] 兩個(gè)歷時(shí)t和t+1的區(qū)段變形計(jì)算過(guò)程如下：
[0025] (1)、將區(qū)段的數(shù)據(jù)點(diǎn)（0i，di)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)Pi(xi，yi)(如圖4所 示），其中坐標(biāo)系原點(diǎn)為儀器視準(zhǔn)軸與水平面的交點(diǎn)，W水平向右為X正向，W鉛鍵向上為Y 軸正向，i= 1，2,…，k+l，k+l為區(qū)段測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，k為正整數(shù)。
[0026]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如 下步驟： 1) 首先，安裝區(qū)段精細(xì)測(cè)量裝置，該裝置包括激光測(cè)量模塊，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，快裝板和基座 四部分；將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)鎖緊螺絲固定到快裝板上，激光測(cè)量模塊通過(guò)其底部的螺釘孔固 定到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的快裝板上，這樣就組成了可拆卸的測(cè)量裝置；當(dāng)洞室掌子面開(kāi)挖完成后，立 即在距離掌子面0. 5m，距離底拱1.0 m的邊墻部位，將巖體表面處理平整，保證巖體表面與 洞室軸線平行，使用電錘施作4個(gè)鉆孔，并用膨脹螺絲將基座水平固定在邊墻上；然后，將 可拆卸測(cè)量裝置的快裝板通過(guò)卡槽固定到基座上； 2) 操作旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將測(cè)量模塊旋轉(zhuǎn)到待測(cè)試的區(qū)段部位，針對(duì)每一個(gè)待測(cè)試區(qū)段，密集 采集一系列測(cè)點(diǎn)，針對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用多次測(cè)量求取平均值，計(jì)算其距離和角度信息；測(cè) 量結(jié)束后，直接將測(cè)量機(jī)構(gòu)從卡槽卸下即可； 3) 數(shù)據(jù)處理，針對(duì)每一個(gè)區(qū)段的不同歷時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，首先，按不同歷時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)， 分別進(jìn)行橢圓擬合，得到各自的橢圓中心坐標(biāo)，然后依據(jù)不同歷時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)各自的中心坐 標(biāo)，將不同歷時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)平移到原點(diǎn)，完成不同歷時(shí)數(shù)據(jù)的拼接；其次，針對(duì)不同歷時(shí)拼接 后的測(cè)量區(qū)段數(shù)據(jù)，逐區(qū)段計(jì)算測(cè)量區(qū)段之間的面積S，測(cè)量區(qū)段的平均長(zhǎng)度L，測(cè)量區(qū)段 的平均變形方向向量n，然后，計(jì)算不同歷時(shí)測(cè)量區(qū)段的平均變形幅值d = S/L，變形幅值d 和變形方向向量n共同組成該區(qū)段的變形向量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法， 其特征在于，所述采集一系列測(cè)點(diǎn)為7~10個(gè)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法， 其特征在于，所述基座上設(shè)置一對(duì)卡槽；快裝板上有與基座上相配合的一對(duì)卡槽。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了屬于巖土工程中地下洞室變形測(cè)量技術(shù)范圍的一種基于區(qū)段精細(xì)測(cè)量的大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)方法。首先安裝包括激光測(cè)量模塊，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，快裝板和基座四部分的區(qū)段精細(xì)測(cè)量裝置；利用區(qū)段精細(xì)測(cè)量裝置對(duì)洞室斷面關(guān)心的部位進(jìn)行不同歷時(shí)逐區(qū)段精細(xì)測(cè)量，然后針對(duì)不同歷時(shí)的區(qū)段測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接并進(jìn)行直接區(qū)段對(duì)比計(jì)算，得到關(guān)心部位的變形向量。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)大斷面地下洞室早期變形監(jiān)測(cè)，具有小巧，使用簡(jiǎn)便，無(wú)需靶點(diǎn)，不受爆破影響，不需精確對(duì)中，可以緊鄰掌子面快速安裝，尤其適用于鉆爆法開(kāi)挖的地下空間早期變形監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01B11-16
【公開(kāi)號(hào)】CN104748695
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510170281
【發(fā)明人】段云嶺, 呂小寧, 馮金銘, 魏雪斐
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日