一種全自動激光隧道斷面收斂儀及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及隧道變形監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種全自動激光隧道斷面收斂儀，適用 于對鐵路、公路隧道斷面的收斂變形進行長期監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002] 在隧道及地下工程的施工與運營階段，隧道斷面的收斂變形是一項重要的監(jiān)測內(nèi) 容。在施工階段，斷面的收斂變形反映了隧道結(jié)構(gòu)與圍巖土體在卸荷載條件下的受力狀態(tài) 與穩(wěn)定性;而在運維階段，它反映了隧道結(jié)構(gòu)的性能演化，是判斷結(jié)構(gòu)安全與運營維護的重 要依據(jù)。
[0003] 最常用隧道斷面收斂測量裝置是接觸式的。例如，專利文獻200910182325.5公開 了一種精密桿式收斂計，專利文獻CN102494627B公開了一種精密鋼索式數(shù)顯收斂計，但此 類收斂裝置的測量部件須穿越隧道的斷面空間，無法在繁忙的運營期的鐵路或者公路隧道 中進行長期監(jiān)測。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，更為合理的長期監(jiān)測技術(shù)方案是非接觸式的測量方法，此類方法具 有精度高、重量輕，操作方便、不影響隧道通行的優(yōu)點。專利文獻CN102297661B公開了一種 激光式收斂計裝置，實現(xiàn)了無靶標非接觸式的收斂測量;專利文獻CN103743355A公開了一 種便攜式激光收斂計裝置，可以通過插頭快速安裝并定位激光收斂計；專利文獻 CN202074964U公開了一種隧道收斂激光監(jiān)測系統(tǒng)。上述三個專利文獻將單個手持式的激光 測距儀與機械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，僅能進行點到點的隧道水平直徑或垂直直徑的變形測量，這種 測量模式無法滿足全斷面隧道收斂變形的需求。
[0005] 專利文獻CN103776359A公開了一種基于微波測距的隧道收斂傳感器，但這種傳感 器需在隧道內(nèi)壁設(shè)置靶標，然而在長期監(jiān)測中，無法確保隧道的收斂變形能使得微波始終 命中靶標。專利文獻CN104613887A公開了一種斷面沉降收斂分析儀器，包含前后垂準測量 激光系統(tǒng)和半圓面激光測距系統(tǒng)，可以測量一個斷面上19個測點的收斂變形；專利文獻 CN104792274A公開了一種圓形隧道收斂變形的測量方法，該方法使用三維激光掃描儀獲得 隧道三維點云，對原始數(shù)據(jù)除噪后，使用圓柱擬合算法得到隧道三維收斂變形，但該方法僅 適用于圓形隧道;專利文獻CN103335596A公布了一種帶有球窩的隧道收斂位移和拱頂沉降 測量裝置，僅需一臺測量裝置便可完成對整個隧道收斂的測量。然而，上述四個專利文獻所 公開的技術(shù)需要大量的人工現(xiàn)場調(diào)整與操作，無法實現(xiàn)自動化的長期斷面監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全自動激光隧道斷面收斂儀及測 量方法，能夠方便地安裝在隧道拱頂或者側(cè)壁上，并實現(xiàn)全自動化的隧道斷面多點收斂監(jiān) 測與數(shù)據(jù)傳輸。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] 一種全自動激光隧道斷面收斂儀，包括三個子系統(tǒng)：激光測距系統(tǒng)、采集通信系 統(tǒng)、安裝固定系統(tǒng)。
[0009] 所述激光測距系統(tǒng)包含若干個激光測距模塊。
[0010] 所述采集通信系統(tǒng)包括中央處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)通信模 塊、電源管理模塊、電源接口、數(shù)據(jù)接口。
[0011] 所述安裝固定系統(tǒng)包括基座、核心板、邊框板、蓋板、傾角計，所述傾角計用于安裝 時確定全自動激光隧道斷面收斂儀的姿態(tài)，使得核心板的平面與隧道斷面平面相平行。
[0012] 所述激光測距模塊通過螺柱固定在核心板上，所有激光測距模塊的測量軸線反向 交匯于一點，可以根據(jù)具體工程需求，設(shè)計調(diào)整激光測距模塊的測量范圍和各激光測距模 塊之間的夾角，使得測量范圍可以滿足0~360°全覆蓋。每個激光測距模塊都通過數(shù)據(jù)線與 數(shù)據(jù)采集模塊相連，所述激光測距模塊和固定在核心板設(shè)置在邊框板內(nèi)。
[0013]所述采集通信系統(tǒng)設(shè)置在邊框板內(nèi)，所述電源接口和數(shù)據(jù)接口安裝在邊框板的側(cè) 面。
[0014]所述基座安裝在邊框板前部，所述蓋板通過螺絲與邊框板相連接，邊框板、蓋板形 成一封閉外殼。
[0015]上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述采集通信系統(tǒng)的中央處理模 塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、電源管理模塊集成在一塊電路上，并相互 連通，所述電源接口通過電纜與電源管理模塊相連，數(shù)據(jù)接口通過數(shù)據(jù)線纜與數(shù)據(jù)通信模 塊相連。所述中央處理模塊按照內(nèi)部既有指令或數(shù)據(jù)通信模塊輸入的指令，控制數(shù)據(jù)采集 模塊采集激光測距模塊的測量數(shù)據(jù)，采集得到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)儲存入數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)，再控 制數(shù)據(jù)通信模塊將數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出。
[0016] 上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述基座上還設(shè)有螺栓孔，可以通 過膨脹螺栓固定在隧道內(nèi)壁上。
[0017]上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述邊框板上設(shè)有多個孔洞，在孔 洞上安裝透鏡，光測距模塊發(fā)射的激光束可通過透鏡射出，到達隧道內(nèi)壁。
[0018] 上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述蓋板內(nèi)側(cè)設(shè)有密封墊，使得裝 置整體可以防止水與灰塵的侵入。
[0019]上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述激光測距模塊采用相位式激 光測距傳感器、激光雷達式測距傳感器、激光三角式測距傳感器中的任意一種。
[0020] 上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述數(shù)據(jù)通信模塊通過RS485接 口、USB接口、11^、1^11、6?1?、218866或藍牙的通信方式輸入/輸出數(shù)據(jù)。
[0021] 上述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀，其中，所述電源管理模塊內(nèi)部安裝有蓄 電池。
[0022] -種基于上述的全自動激光隧道斷面收斂儀的數(shù)據(jù)處理及測點收斂計算方法、預(yù) 警判別方法，至少包括以下步驟：
[0023] (1)剔除無效點：剔除測距數(shù)據(jù)中的不良點和噪點，由于本發(fā)明用于監(jiān)測運營期隧 道，因此有時激光測點會打至車輛上，造成無效測值。計算每個測點在一定時間段內(nèi)測值的 均值，作為測點均值;選定一定范圍的測點均值，剔除原始測量數(shù)據(jù)中在測點均值范圍之外 的測值。
[0024] (2)計算測點坐標：以激光測距模塊軸線的交匯點作為坐標系原點0,假定該點為 不動點，全自動激光斷面收斂儀的水平軸線在測量平面內(nèi)與X軸的夾角為C4，裝置包含η個 激光測距模塊，第i個激光測距模塊的測量軸線與水平軸線的夾角為隊，則第i個激光測距 模塊的測量軸線與X軸的夾角91為：
[0025] θ?=α?+β?，
[0026] 第i個激光測距模塊測量到的距離值為Li，則該激光測點的坐標值為：
[0027] xi=cos9i·Li
[0028] yi=sin9i·Li〇
[0029] (3)計算測點收斂:取第i個測點的坐標(Xi，yi)和第j個測點的坐標(Xj，yj)，則該 兩個測點之間的收斂AD為：
[0030]
[0031] (4)預(yù)警判別：在隧道斷面發(fā)生收斂變形后，測點坐標發(fā)生變化，兩點之間的距離 變?yōu)镈'，預(yù)設(shè)一個收斂預(yù)警值ΔD，當|D'-D| > △D時，則系統(tǒng)發(fā)出警報。
[0032]綜上所述，采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果：
[0033] 1、本發(fā)明所述的一種全自動激光隧道斷面收斂儀繼承了激光測距儀在距離測量 中的優(yōu)點，精度高、穩(wěn)定性高且無需在隧道內(nèi)另行布置靶標；
[0034] 2、本發(fā)明裝置中包含多個激光測距模塊，可以實現(xiàn)多個測點的同步測量，通過采 集通信模塊，實現(xiàn)了隧道斷面收斂的自動化測量與數(shù)據(jù)傳輸，避免了人工現(xiàn)場操作；
[0035] 3、本發(fā)明的激光測距系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求靈活布置，適用于各種形狀的隧道， 通用性強；
[0036] 4、本發(fā)明的全固定式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以避免安裝和使用過程中機械振動造成 零部件損傷導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差；
[0037] 5、本發(fā)明可以根據(jù)實測數(shù)據(jù)，自動化地擬合得到斷面變形曲線，并可自動判斷報 警；
[0038] 6、本發(fā)明具有體積小、重量輕、安裝快捷的特點，特別適用于施工期與運營期隧道 斷面的長期監(jiān)測。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明一種全自動激光隧道斷面收斂儀的外部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明一種全自動激光隧道斷面收斂儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明一種全自動激光隧道斷面收斂儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明的采集通信系統(tǒng)的架構(gòu)圖；
[0043]圖5為本發(fā)明的監(jiān)測流程圖；
[0044] 圖6為本發(fā)明的監(jiān)測隧道內(nèi)徑收斂示意圖；
[0045] 圖7為本發(fā)明計算測點坐標示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細介紹。
[0047]請參見圖1、圖2、圖3，一種全自動激光隧道斷面收斂儀，包括三個子系統(tǒng):激光測 距系統(tǒng)、采集通信系統(tǒng)2、安裝固定系統(tǒng)3。
[0048]激光測距系統(tǒng)包含若干個激光測距模塊11，激光測距模塊11采用相位式激光測距 傳感器、激光雷達式測距傳感器、激光三角式測距傳感器中的任意一種。所有激光測距模塊 的測量軸線反向交匯于一點，可以根據(jù)具體工程需求，設(shè)計調(diào)整激光測距模塊的測量范圍 和各激光測距模塊之間的夾角，使