一种隧道洞周形变无基准测量方法及集成系统

1.本公开涉及隧道工程监测技术领域，具体涉及一种隧道洞周形变无基准测量方法及集成系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.隧道监控量测是如今隧道施工中不可缺少的一环，洞周收敛是隧道监控量测的必测项目，隧道洞周收敛监测方法分为接触式测量与非接触式测量两种，接触式测量主要采用收敛仪进行测量，此方法监测效率低，通常会受到现场施工环境的影响。非接触式测量通常采用全站仪对断面进行监测，传统的全站仪监测方式依靠全站仪自带的后方交会功能和已知点设站功能对全站仪进行定向操作，建立大地坐标系，确立监测点的相对坐标，通过坐标转换得到此断面的洞周位移收敛值，从而达到监测的目的。此方法局限性在于为了满足全站仪定向的要求，需要在适当的位置埋设基准点，并且对全站仪的摆放位置要求比较高，准备阶段的工作比较繁琐。
4.发明人发现，在采用全站仪边角测量功能进行隧道监测时，由于隧道两侧的洞壁之间距离较长，容易导致前期在埋设反光片的过程中产生人为失误导致洞壁两侧的反光片位置不对称，使得全站仪测水平角的过程产生较大的误差，影响隧道变形监测结果的可靠性。


技术实现要素：

5.本公开为了解决上述问题，提出了一种隧道洞周形变无基准测量方法及集成系统，其采用全站仪对边测量法及测距法，通过数学方法对采集数据进行转换，得到隧道洞周位移收敛值。
6.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
7.一种隧道洞周形变无基准测量方法，包括：
8.架设全站仪并埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；
9.转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；
10.获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；
11.上述量测结束后，读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。
12.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
13.一种隧道洞周形变无基准测量集成系统，包括：
14.数据采集模块，用于架设全站仪并埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；
15.获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；
16.位移计算模块，用于读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。
17.根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
18.一种终端设备，其特征在于，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法。
19.与现有技术相比，本公开的有益效果为：
20.本公开提供了一种隧道洞周形变无基准测量方法，相比于传统的监测手段，本公开提出的方法更加高效，在进行隧道监测的过程中，不需要为全站仪定向而寻找基准点，只需要将全站仪放置于通视条件好、测量方便的位置即可，省去前期繁琐的准备工作。本公开通过前期的数据采集以及后期的数据转换解决了全站仪边角测量过程中因人为原因致使埋设反光片的位置不对称导致的测量误差问题。
附图说明
21.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
22.图1为本公开实施例中提供的隧道洞周形变无基准测量方法的流程示意图；
23.图2为本公开实施例中提供的隧道洞周形变无基准测量方法测点的相对位置图；
24.其中，图2中的(a)为当反光片向正上方偏移时的相对位置图；
25.图2中的(b)为当反光片向左上方偏移时的相对位置图；
26.图2中的(c)为当反光片向右上方偏移时的相对位置图；
27.图2中的(d)为当反光片向正下方偏移时的相对位置图；
28.图2中的(e)为当反光片向左下方偏移时的相对位置图；
29.图2中的(f)为当反光片向右下方偏移时的相对位置图。
具体实施方式：
30.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.实施例1
34.本公开提供了一种隧道洞周形变无基准测量方法，包括：
35.步骤一：架设全站仪并埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；
36.步骤二：转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；
37.步骤三：获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；
38.步骤四：上述量测结束后，读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。
39.作为一种实施例，本公开提出的一种数学算法获取监测断面隧道洞周位移收敛值，优点为前期使用过程中无需为全站仪寻找基准点。全站仪摆放位置要求低，只需摆放在通视条件好的位置即可。在采用边角测量模式计算隧道洞周位移收敛值时，此方法可以消除前期因人为原因导致的洞周两侧反光片粘贴位置不对称而导致的测量误差。具体的，如下：
40.首先，在监测断面的左右洞壁上布设两个反光片监测点，即图2所示的a点与c点，a,点是与a点相对称的假设点，因人为原因，监测点a与监测点c未能对称布置，c点的位置相对于a,向洞壁左上方偏移，a与c位置关系见图2。
41.在监测断面前寻找一处通视条件好、操作方便的位置架设全站仪，记录全站仪的位置为位置d。首先采用全站仪的对边测量功能，以监测点a的位置为起始位置，全站仪照准监测点a，转动全站仪至全站仪照准监测点c，记录全站仪测得的数据分别为全站仪位置d与监测点a和监测点c的斜距l
da
、l
dc
；c点与a点的高差h。采用全站仪测角功能，照准监测点a，在点a处将水平度盘读数调为0，旋转全站仪至照准监测点c，测得a点与c点之间的水平角记为∠α。最后，采用全站仪测距功能，全站仪照准监测点c，测得监测点c与全站仪位置点d之间的垂直距离h。
42.全站仪量测结束，读取全站仪所采集数据，采用数学方法进行数据转化，以获取监测断面的洞周位移收敛值l
ac
；具体实施方式如下：
43.步骤1：埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，将第一反光片、第二反光片的位置分别记为位置a与位置c。
44.步骤2：将全站仪架设在通视条件好、测量方便的位置；将全站仪的安装位置记为位置d。
45.步骤3：转动全站仪照准点a，点a的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；
46.步骤4：通过全站仪对边测量功能以及测角功能获取全站仪位置点与反光片之间的斜距l
da
、l
dc
；两个反光片之间的高差h及水平角∠α。
47.步骤5：转动全站仪照准点c，通过全站仪的测距功能获取点c与全站仪位置点的垂直距离h。
48.步骤6：当全站仪量测结束时，读取采集数据，采用以下方式，得到监测断面对应的洞周位移收敛值l
ac
。
49.作为一种实施例，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值的方法包括两种情况方式，分别为偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移和偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移。
50.其中，第一种情况为：当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移时，所述向上偏移包括正上方偏移、左上方偏移以及右上方偏移，此时，两个反光片之间的高差大于0。
51.即：偏移点c相对于a点对称点a,向上偏移(正上方、左上方、右上方)，如图2中的(a)(b)(c)所示，此时h＞0；
52.第二种情况为：当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移时，所述向下偏移包括正下方偏移、左下方偏移以及右下方偏移，此时，两个反光片之间的高差小于0。
53.即：偏移点c相对于a点对称点a,向下偏移(正下方、左下方、右下方)，如图2中的(d)(e)(f)此时h＜0；
54.然后，读取全站仪采集的数据，将数据进行转化的方式为采用数学方法，利用三角形勾股定理以及三角余弦定理计算洞周位移收敛值。
55.其中，当第一种情况：偏移点c相对于a点对称点a,向上偏移(正上方、左上方、右上方)此时h＞0时，计算方式为：
56.1)根据三角形勾股定理，采用下式，得到全站仪位置点d到假设点e的距离l
ed
:
[0057][0058]
其中，e点为c点处所作垂线与测量仪器位置点d所在平面的交点。
[0059]
2)根据三角形勾股定理，采用下式，得到全站仪位置点d到假设点b的距离l
db
：
[0060]
lbe＝h-h
[0061][0062]
其中，b点为c点处所作垂线与a点所在水平面的交点。
[0063]
3)根据三角形余弦定理，采用下式，得到反光片位置点a与假设点b之间的距离lab：
[0064][0065]
其中，∠α为点a与点c之间的水平角，即直线da与db的夹角。
[0066]
4)根据三角形勾股定理，采用下式，得到监测断面对应的洞周位移收敛值l
ac
：
[0067][0068]
其中，当第二种情况：偏移点c相对于a点对称点a,向下偏移(正下方、左下方、右下方)，此时h＜0；计算方式为：
[0069]
根据三角形勾股定理，采用下式，得到全站仪位置点d到假设点e的距离l
de
：
[0070][0071]
其中，e点为c点处所作垂线与测量仪器位置点d所在平面的交点。
[0072]
根据三角形勾股定理，采用下式，得到全站仪位置点d到假设点b的距离l
db
：
[0073]
l
be
＝h+|h|
[0074][0075]
其中，b点为c点处所作垂线与a点所在水平面的交点。
[0076]
根据三角形余弦定理，采用下式，得到反光片位置点a与假设点b之间的距离l
ab
：
[0077][0078]
其中，∠α为点a与点c之间的水平角，即直线da与db的夹角。
[0079]
根据三角形勾股定理，采用下式，得到监测断面对应的洞周位移收敛值l
ac
：
[0080][0081]
实施例2
[0082]
本公开的一种实施例提供了一种隧道洞周形变无基准测量集成系统，包括：
[0083]
数据采集模块，用于记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；
[0084]
获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；
[0085]
位移计算模块，用于读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。
[0086]
其中，首先，在监测断面的左右洞壁上布设两个监测点，即图四所示a点与c点，a、点是与a点相对称的假设点，因人为原因，监测点a与监测点c未能对称布置，c点的位置相对于a、向洞壁左上方偏移，a与c位置关系见图四。
[0087]
在监测断面前寻找一处通视条件好、操作方便的位置架设全站仪，记录全站仪的位置为位置d。首先采用全站仪的对边测量功能，以监测点a的位置为起始位置，全站仪照准监测点a，转动全站仪至全站仪照准监测点c，记录全站仪测得的数据分别为全站仪位置d与监测点a和监测点c的斜距lda、ldc；c点与a点的高差h。采用全站仪测角功能，照准监测点a，在点a处将水平度盘读数调为0，旋转全站仪至照准监测点c，测得a点与c点之间的水平角记为∠α。最后，采用全站仪测距功能，全站仪照准监测点c，测得监测点c与全站仪位置点d之间的垂直距离h。
[0088]
全站仪量测结束，读取全站仪所采集数据，采用数学方法进行数据转化，以获取监测断面的洞周位移收敛值l
ac
。
[0089]
作为一种实施例，读取全站仪所采集数据，采用数学方法进行数据转化，以获取监测断面的洞周位移收敛值l
ac
；具体实施方式如下：
[0090]
步骤1：埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，将第一反光片、第二反光片的位置分别记为位置a与位置c。
[0091]
步骤2：将全站仪架设在通视条件好、测量方便的位置；将全站仪的安装位置记为位置d。
[0092]
步骤3：转动全站仪照准点a，点a的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；
[0093]
步骤4：通过全站仪对边测量功能以及测角功能获取全站仪位置点与反光片之间的斜距l
da
、l
dc
；两个反光片之间的高差h及水平角∠α。
[0094]
步骤5：转动全站仪照准点c，通过全站仪的测距功能获取点c与全站仪位置点的垂直距离h。
[0095]
步骤6：当全站仪量测结束时，读取采集数据，采用以下方式，得到监测断面对应的洞周位移收敛值l
ac
。
[0096]
作为一种实施例，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值的方法包括两种情况方式，分别为偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移和偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移。
[0097]
其中，第一种情况为：当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移时，所述向上偏移包括正上方偏移、左上方偏移以及右上方偏移，此时，两个反光片之间的高差大于0。
[0098]
即：偏移点c相对于a点对称点a,向上偏移(正上方、左上方、右上方)，如图2中的(a)(b)(c)所示，此时h＞0；
[0099]
第二种情况为：当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移时，所述向下偏移包括正下方偏移、左下方偏移以及右下方偏移，此时，两个反光片之间的高差小于0。
[0100]
即：偏移点c相对于a点对称点a,向下偏移(正下方、左下方、右下方)，如图2中的(d)(e)(f)此时h＜0。
[0101]
实施例3
[0102]
本公开的一种实施例提供了一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法。
[0103]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0104]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0105]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

技术特征：
1.一种隧道洞周形变无基准测量方法，其特征在于，包括：架设全站仪并埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；上述量测结束后，读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。2.如权利要求1所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法，其特征在于，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值的方法包括两种方式，分别为偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移和偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移。3.如权利要求2所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法，其特征在于，当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移时，所述向上偏移包括正上方偏移、左上方偏移以及右上方偏移，此时，两个反光片之间的高差大于0。4.如权利要求2所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法，其特征在于，当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移时，所述向下偏移包括正下方偏移、左下方偏移以及右下方偏移，此时，两个反光片之间的高差小于0。5.如权利要求1所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法，其特征在于，所述读取全站仪采集的数据，将数据进行转化的方式为采用数学方法，利用三角形勾股定理以及三角余弦定理计算洞周位移收敛值。6.一种隧道洞周形变无基准测量集成系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于架设全站仪并埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；位移计算模块，用于读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。7.如权利要求6所述的一种隧道洞周形变无基准测量集成系统，其特征在于，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值的方法包括两种方式，分别为偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移和偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移。8.如权利要求7所述的一种隧道洞周形变无基准测量集成系统，其特征在于，当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向下偏移时，所述向下偏移包括正下方偏移、左下方偏移以及右下方偏移，此时，两个反光片之间的高差小于0。9.如权利要求7所述的一种隧道洞周形变无基准测量集成系统，其特征在于，当偏移点相对于第一反光片位置点的对称点向上偏移时，所述向上偏移包括正上方偏移、左上方偏移以及右上方偏移，此时，两个反光片之间的高差大于0。
10.一种终端设备，其特征在于，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1-5中任一项所述的一种隧道洞周形变无基准测量方法。

技术总结
本公开提供了一种隧道洞周形变无基准测量方法及集成系统，涉及隧道工程监测技术领域，方法包括架设全站仪并埋设第一、第二反光片于隧道洞壁两侧，记录第一、第二反光片以及全站仪的安装位置；转动全站仪照准第一反光片，将第一反光片的位置作为起始位置，再旋转全站仪照准第二反光片；获取全站仪位置点与两个反光片之间的斜距、两个反光片之间的高差以及水平角，转动全站仪再照准第二反光片，获取第二反光片与全站仪位置点的垂直距离；上述量测结束后，读取全站仪采集的数据，将数据进行转化，通过判断反光片偏移的方向，计算断面洞周位移收敛值。本公开可以消除前期因人为原因导致的洞周两侧反光片粘贴位置不对称而导致的测量误差。的测量误差。的测量误差。


技术研发人员：贺鹏 董金雨 郑程程 姜枫 徐一帆 陈岩 闫志强
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25