一種自動(dòng)測量隧道斷面變形的方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及隧道施工工程領(lǐng)域，具體涉及一種在隧道施工期間自動(dòng)測量隧道斷面 變形的方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，隧道數(shù)量和 里程逐漸增多。截止2010年，我國已建鐵路隧道總長度超過7000km、公路隧道5000km，地 鐵線路1400km。預(yù)計(jì)至2020年，我國還將規(guī)劃建設(shè)隧道5000座，總長度9000公里以上。 我國已成為世界上隧道最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。
[0003] 在隧道施工和運(yùn)營階段，隧道變形監(jiān)測都發(fā)揮重要作用。一方面，隧道變形監(jiān)測是 隧道信息化施工的重要組成部分，是反饋圍巖和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化趨勢、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、保證施 工安全的重要手段。另一方面，隧道變形監(jiān)測也是隧道健康監(jiān)測的重要組成部分，對(duì)于實(shí)時(shí) 評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況，及時(shí)實(shí)施安全預(yù)警，最大限度延長隧道的使用年限具有重要作 用。
[0004] 傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測方法是在隧道的變形區(qū)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，使用收斂計(jì)、全站儀、水 準(zhǔn)儀和塔尺等測量儀器進(jìn)行逐點(diǎn)、逐斷面的測量。這種測量方法存在以下缺點(diǎn)：1)需要技 術(shù)人員到現(xiàn)場人工測量，不僅現(xiàn)場操作繁復(fù)、耗時(shí)費(fèi)力，而且人為因素對(duì)量測精度的影響較 大；2)隧道光線微弱，測量場地狹窄、環(huán)境復(fù)雜，影響因素眾多，導(dǎo)致測量的可靠度和靈敏度 不高；3)每個(gè)斷面僅測量有限幾個(gè)點(diǎn)位，很難準(zhǔn)確反映整個(gè)斷面的變形狀態(tài)；4)經(jīng)常干擾 隧道正常施工和運(yùn)營，常發(fā)生原有的測線不得不放棄情況，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的間斷；5)通常采 用文件管理和人工計(jì)算方式處理現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、共享和原始數(shù)據(jù)追 溯，導(dǎo)致分析效率低下，數(shù)據(jù)真實(shí)性得不到保證。因此，傳統(tǒng)監(jiān)測方法已無法滿足現(xiàn)代隧道 施工及運(yùn)營對(duì)自動(dòng)化、信息化監(jiān)控量測技術(shù)的需求。
[0005] 2000年前后我國從國外引進(jìn)了巴塞特收斂系統(tǒng)（Bassett Convergence System)， 該系統(tǒng)為用于隧道斷面變形監(jiān)測的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一串安裝在隧道內(nèi)壁環(huán)形斷面的、 首尾鉸接的短臂桿和長臂桿組成，每根桿臂上都裝有一只電解質(zhì)式傾角傳感器。當(dāng)量測斷 面發(fā)生變形時(shí)，各臂桿通過協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，將斷面變形信息轉(zhuǎn)換為臂桿的轉(zhuǎn)角信息，由傾角傳感 器測量獲取。巴塞特收斂系統(tǒng)具有高精度、自動(dòng)化的特點(diǎn)，但長短臂桿設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià) 昂貴，并且過多占用隧道斷面的通行面積，很難在實(shí)際工程中得到推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，使用方便，并且能夠精確監(jiān)測隧道斷面 變形的自動(dòng)測量裝置。具體技術(shù)方案為： 一種自動(dòng)測量隧道斷面變形的裝置，包括若干節(jié)測量桿件和固定座；所述測量桿件的 兩端通過所述固定座固定在隧道壁上，并連接形成所述隧道斷面的折線輪廓；每節(jié)測量桿 件均設(shè)置有傾角傳感器；所述測量桿件的長度隨所述隧道斷面的變形發(fā)生改變，測量桿件 上設(shè)置有位移傳感器，通過所述位移傳感器測量測量桿件的長度變化；所述數(shù)據(jù)處理單元 根據(jù)傾角傳感單元和測量桿件的長度得到所述隧道斷面的擬合曲線，監(jiān)測隧道斷面的變 形。
[0007] 進(jìn)一步，所述測量桿件的至少一端設(shè)置有關(guān)節(jié)軸承。
[0008] 進(jìn)一步，所述裝置還包括激光測距儀和旋轉(zhuǎn)支座；所述旋轉(zhuǎn)支座固定在所述隧道 斷面的兩端對(duì)應(yīng)的隧道壁上，所述激光測距儀固定在所述旋轉(zhuǎn)支座上。
[0009] 進(jìn)一步，所述激光測距儀和旋轉(zhuǎn)支座均設(shè)置為兩套，兩套所述激光測距儀旋轉(zhuǎn)時(shí) 發(fā)出的激光形成的旋轉(zhuǎn)面位于同一平面內(nèi)。
[0010] 進(jìn)一步，所述測量桿件包括滑動(dòng)桿、套筒和位移傳感器；所述滑動(dòng)桿在所述套筒 內(nèi)，與所述套筒可滑動(dòng)連接；所述位移傳感器對(duì)滑動(dòng)桿在套筒內(nèi)的位移進(jìn)行測量；所述傾 角傳感器對(duì)測量桿件的三維角度進(jìn)行測量。
[0011] 進(jìn)一步，所述傾角傳感器為雙軸傾角傳感器或三軸傾角傳感器。
[0012] 本發(fā)明還提供一種自動(dòng)測量隧道斷面變形的方法，所述方法的具體步驟為： 1) 選擇需要監(jiān)測的隧道斷面，在一側(cè)邊墻底部第一激光點(diǎn)，垂直于墻面安裝一套激光 斷面掃描單元； 2) 開啟該激光斷面掃描單元中的激光發(fā)射器，水平射向隧道另一側(cè)邊墻，激光照射點(diǎn) 作為第二激光點(diǎn)；將另一套激光斷面掃描單元垂直于墻面安裝在第二激光點(diǎn)； 3) 開啟兩套激光斷面掃描單元，掃描隧道斷面，記錄各測點(diǎn)的距離和激光的角度； 4) 根據(jù)傳感器測量的角度和激光測距傳感器測量的距離，得到整個(gè)隧道斷面曲線的初 始輪廓； 5) 數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)所述初始輪廓在隧道斷面曲線上設(shè)置測量桿件的固定點(diǎn)；并將固 定點(diǎn)的位置信息轉(zhuǎn)換為激光斷面掃描單元的激光掃描的角度值； 6) 根據(jù)所述角度值，激光斷面掃描單元通過激光在隧道壁上指示所述固定點(diǎn)；在每個(gè) 測點(diǎn)位置處安裝固定座，然后將每個(gè)測量桿件的兩端固定于相應(yīng)的固定座上。依次類推，將 整個(gè)隧道斷面布設(shè)上若干測量桿件； 7) 采集各測量桿件的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)測量桿件的位置和長度以及傾斜角度獲 得所述隧道斷面的擬合曲線數(shù)據(jù)。
[0013] 進(jìn)一步，所述方法還包括步驟8): 在隧道口外有GPRS信號(hào)的地方安裝GPRS轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置，將隧道內(nèi)采集的數(shù) 據(jù)遠(yuǎn)傳監(jiān)控中心。
[0014] 進(jìn)一步，所述GPRS轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置與所述數(shù)據(jù)處理單元通過有線或者無 線網(wǎng)絡(luò)連接。
[0015] 本發(fā)明自動(dòng)測量隧道斷面變形的裝置和方法；通過可伸縮的測量桿件適應(yīng)隧道斷 面的變形；通過位移傳感器將測量桿件的長度變化測量出來；通過傾角傳感器將測量桿件 的三維角度測量出來，根據(jù)各節(jié)測量桿件得到隧道斷面的擬合曲線，監(jiān)控隧道斷面的變形。 該裝置及測量方法監(jiān)測成本低，精度高，安裝方便，可重復(fù)使用，占用隧道通行面積少，不會(huì) 造成隧道通行困難。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明工作原理示意圖； 圖2為測量桿件單元的立體圖； 圖3為測量桿件單元的結(jié)構(gòu)剖面示意圖； 圖4為傾角傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為固定座與測量桿件的連接示意圖。
[0017] 圖中：1、激光斷面掃描單元；1-1、固定底座；1-2、旋轉(zhuǎn)支架；1-3、激光測距部件； 2、隧道斷面曲線；3、混凝土壁；4、隧道斷面折線輪廓；5、固定座；5-1、銷軸；5-2、墊片；6、 測量桿件；6-1、球頭座桿；6-1. 1關(guān)節(jié)軸承；6-2、傾角傳感單元；6-2. 1、封裝外殼；6-2. 2、 固定支架；6-2. 3、傾角傳感器電路板；6-2. 4、雙向防水插頭；6-3、套筒；6-3. 1、導(dǎo)塊； 6-3. 2、穿線孔；6-3. 3、頂絲孔；6-4、滑動(dòng)桿；6-4. 1、滑塊；6-4. 2、滑動(dòng)桿復(fù)位彈簧；6-5、球 頭座套桿；6-5. 1、關(guān)節(jié)軸承；6-6、位移傳感器單元；6-6. 1、位移傳感器固定支架；6-6. 2、頂 桿；6-6. 3、頂桿復(fù)位彈簧；6-7、鎖緊螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面利用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明。本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式， 并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。
[0019] 為了易于說明，在這里可以使用諸如"上"、"下""左""右"等空間相對(duì)術(shù)語，用于 說明圖中示出的一個(gè)元件或特征相對(duì)于另一個(gè)元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，除了圖 中示出的方位之外，空間術(shù)語意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中 的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征"下"的元件將定位在其他元件或特征"上"。 因此，示例性術(shù)語"下"可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或 位于其他方位)，這里所用的空間相對(duì)說明可相應(yīng)地解釋。
[0020] 如圖1所示，本實(shí)施例中的自動(dòng)測量隧道斷面變形的裝置，包括若干節(jié)測量桿件6 和固定座5 ;測量桿件6的兩端通過固定座5固定在隧道的混凝土壁3的內(nèi)壁上，并連接形 成隧道斷面的折線輪廓4,通過該折線輪廓可以擬合隧道斷面曲線2 ;每節(jié)測量桿件6均設(shè) 置有傾角傳感單元6-2 ;測量桿件6的長度隨隧道斷面的變形發(fā)生改變，測量桿件6上設(shè)置 有位移傳感器單元6-6 ;通過位移傳感器單元6-6測量測量桿件6的長度變化。
[0021] 如圖2所示，測量桿件6的兩端均設(shè)置有球座，球座內(nèi)安裝有關(guān)節(jié)軸承。當(dāng)然，也 可以僅在一端設(shè)置球座和關(guān)節(jié)軸承，另一端設(shè)置與銷軸適配的軸承或者銷軸孔。通過關(guān)節(jié) 軸承與球座配合，使測量桿件6能夠在隧道壁發(fā)生變形時(shí)，隨固定座5的偏移而改變與銷軸 的角度，避免因機(jī)械力受到損傷。
[0022] 安裝時(shí)如圖5所示，銷軸5-1從固定座5的一側(cè)壁穿入，依次穿過兩節(jié)量桿件6的 關(guān)節(jié)軸承的軸承孔，穿入固定座5的對(duì)側(cè)壁；通過螺母或者螺紋等與固定座5固定。兩節(jié)量 桿件6的關(guān)節(jié)軸承的軸承孔之間，以及關(guān)節(jié)軸承的軸承孔與固定座5的側(cè)壁之間通過墊片 5-2形成間隙，測量桿件6的旋轉(zhuǎn)留有一定的空間。該間隙的大小根據(jù)量桿件6的長度和隧 道的斷面輪廓線長度設(shè)計(jì)，使得留有足夠間隙，避免測量桿件6受損，同時(shí)也能保證測量的 準(zhǔn)確性。
[0023] 為了測量方便，盡可能使從一個(gè)方向計(jì)數(shù)時(shí)，次序?yàn)槠鏀?shù)的測量桿件6均在與斷 面平行的一個(gè)平面內(nèi)；次序?yàn)榕紨?shù)的測量桿件6均在與斷面平行的另一個(gè)平面內(nèi)；并且兩 個(gè)平面平行。當(dāng)然，如果不采用這種方案也可以得到準(zhǔn)確的測量結(jié)構(gòu)，只是計(jì)算會(huì)復(fù)雜。
[0024] 通常隧道斷面與路面垂直，不采用與路面垂直的隧道斷面也可以。
[0025] 如圖3所不，測量桿件6還包括滑動(dòng)桿6_4和套筒6_3?；瑒?dòng)桿6_4 -端與設(shè)置在 套筒6-3內(nèi)的滑塊6-4. 1連接，另一端穿過導(dǎo)塊6-3. 2與球頭座套桿6-5連接。球頭座套 桿6-5與滑動(dòng)桿6-4通過螺紋連接，通過旋轉(zhuǎn)球頭座套桿6-5可以改變球頭座套桿6-5與 滑動(dòng)桿6-4連接成的組件的長度；調(diào)整合適后，通過鎖緊螺母6-7將連接位置鎖定。位移傳 感器單元6-6通過頂絲固定在套筒6-3內(nèi)腔中；具體實(shí)施時(shí)，可以通過螺紋或者臺(tái)階面固定 位移傳感器。
[0026] 實(shí)施例中的位移傳感器包括頂桿6-6. 2和頂桿復(fù)位彈簧6-6. 3 ;滑動(dòng)桿6-4也配 有滑動(dòng)桿復(fù)位彈簧6-4. 2。通過設(shè)置頂桿復(fù)位彈簧6-6. 3和滑動(dòng)桿復(fù)位彈簧6-4. 2,可以分 別方便頂桿6-6. 2和滑動(dòng)桿6-4復(fù)位；同時(shí)，通過相對(duì)設(shè)置的兩根彈簧，作用力方向相反，使 滑動(dòng)桿6-4在未受力狀態(tài)下伸出的長度穩(wěn)定，便于對(duì)測量桿件6的初始長度進(jìn)行標(biāo)定。
[0027] 具體實(shí)施時(shí)，也可以將滑塊6-4. 1與頂桿6-6. 2連接，僅使用一根彈簧來實(shí)現(xiàn)對(duì)測 量桿件6在未受力狀態(tài)下的初始長度進(jìn)行