专利名称：围岩位移计算方法
技术领域：
本发明涉及一种地下工程围岩位移计算方法，属于工程测量领域。
背景技术：
围岩变形监测是地下工程建设中动态调整施工方案，确定支护时机与参数的重要 依据。地下工程的围岩变形监测包括表面和内部位移监测，围岩内部位移的测量一般采用 多点位移计，而围岩表面位移一般采用收敛计或者全站仪观测。为了确定围岩物理力学参 数和原岩应力场，必须同时获取两种位移数据。因为多点位移计获得的围岩内部位移不是 绝对的位移，而是测量钻孔表面与孔内固定测点之间的距离变化，要知道围岩内部测点的 真正空间位移，必须同时了解孔口表面的空间位置变化。目前工程上，这两种位移是分开观 测的，甚至是两组观测人员在不同时间进行，信息不能及时整合；而且大多处于手工测量、 人工读数的状态，费力费时，对实施新奥法施工中的围岩参数反分析、动态施工方案调整十 分不利，常常造成设计方案和施工组织修改调整的延误，容易造成工程安全隐患或浪费，而 且影响施工进度。因此，需要发展同时观测围岩内部和表面位移的实时观测方法。本发明人之前的专利申请公开了一种地下工程围岩位移实时观测装置，能远距 离、方便地直接观测得到围岩表面位移和内部测点的绝对位移，有利于地下工程围岩变形 反分析参数的准确获得和施工方案的快速调整。该地下工程围岩位移实时观测的装置，如图1所示，它包括带转轴的支架，定位盘 固定安装在转轴上，表面以转轴为圆心灰度切向渐变，圆环状位移转盘套装于转轴上，且其 内圆周处带凸缘，可以围绕转轴转动，位移转盘以转轴为圆心均勻对称地分布有三个窗口 ； 围岩测点锚固头与钢丝相连，钢丝绕过位移转盘上的凸缘，与重锤连接，钢丝的移动可以无 滑动地带动位移转盘转动；转轴端面上装置有反光膜片；还包括全站仪，与计算机相连。通过上述的地下工程围岩位移实时观测的装置中全站仪实时记录反光膜片、定位 盘反射的全站仪照准激光；进行反射激光的亮度信息分析，获得观测装置转轴和锚固头的 空间绝对位置位移。
发明内容
观测装置转轴和锚固头的空间绝对位移的计算方法可以有多种，本发明所要解决 的技术问题在于提供一种计算方法。本发明的围岩绝对位移的计算方法包括以下步骤
(1)读取全站仪CCD上的栅格化激光光斑数据，去除边缘的不规则亮点数据；根据反光 膜片、定位盘反光点数比率m，删除CCD图像中心区域反光膜片反射的激光成像点；
(2)激光光斑亮度数据归一化；
(3)在亮度统计分布图的亮度级坐标轴上将多个亮度峰值等间距化；
(4)计算与上一次观测结果激光亮度分布模式的亮度级差值，计算位移转盘的转角角
度；(5)根据转角角度和转轴半径，计算得到转轴和锚固头的相对位移值；
(6)读取全站仪对反光膜片测距结果和VH角度值，并根据全站仪本身空间位置，计算 转轴和锚固头的空间位置。上述方案中，步骤(3)中采用2阶Mvitzky-Golay拟合，并采用最小二乘法为判 据，使柱状图拟合峰之间的距离Δ X相等。本发明具有以下的优点和效果
①计算准确，消除了全站仪激光强度可能受到空气粉尘衰减的影响，避免了由于观测 角度导致激光强度不同对测点位置位移计算结果的影响，稳定性好。②可同时实施围岩表面和内部位移观测。由于装置转轴通过支架和围岩表面刚性 连接，转轴的空间位移就表征了围岩表面的位移。结合锚固头与转轴之间的相对位移，即可 获得围岩内部和表面点的绝对位移，对围岩参数反演和稳定性分析非常有利。③观测速度快，对大量测点高时间密度的围岩变形测量十分有利，有助于实时分 析和施工方案的快速调整。
图1为围岩位移实时观测装置结构示意图。图2为位移装盘局部结构示意图。图3为转轴局部结构示意图。图4为定位盘示意图。图5为反光膜片示意图。图6为反射激光CXD成像图。图7为反射激光信号统计分析示意图。图8为反射激光信号差值分析示意图。其中计算机1、全站仪2、位移转盘3、窗口 4、转轴5、钢丝6、测点锚固头7、 定位盘8、重锤9、反光膜片10、支架11和凸缘12。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细的说明
使用本发明计算方法的地下工程围岩位移实时观测装置，它包括带转轴5的支架11， 定位盘8固定安装在转轴5上，表面以转轴为圆心灰度切向渐变，圆环状位移转盘3套装于 转轴5上，且其内圆周处带凸缘12，可以围绕转轴转动，位移转盘以转轴为圆心均勻对称地 分布有三个窗口 4 ；围岩测点锚固头7与钢丝6相连，钢丝6绕过位移转盘3上的凸缘12， 与重锤9连接，钢丝6的移动可以无滑动地带动位移转盘3转动；转轴5端面上装置有反光 膜片10 ；还包括全站仪2，与计算机1相连。计算机1内装有分析软件(“隧道变形监测系统”，软件著作权登记号 2007SR01365)，可实时记录反光膜片10反射的全站仪2测距激光，以及通过位移转盘3上 窗口 4中定位盘8和反光膜片10反射回来的全站仪2照准激光，通过分析多窗口形成的激 光四峰值结构灰度信号得到测点锚固头7表征的围岩绝对位移数据。如图1、图2和图3所示，计算机1与全站仪2相连，组成观测分析部分，可实时观测记录反光膜片10的距离和角度，得到围岩表面位置；同时可实时记录通过位移转盘3上 窗口 4中由定位盘8反射回来的激光与反光膜片10反射回来的激光，计算机1中软件分析 激光灰度信号，如图6所示，呈现四峰值结构。根据事先标定的数据，得到当前位移转盘3 的旋转位置，结合由反光膜片10观测得到的观测装置空间位置，进一步计算得到围岩表面 和内部的移动距离和绝对位置。转轴5端面装有反光膜片10，配合全站仪2进行测距测角。定位盘8固定装在支 架7上，不随转轴5旋转；位移转盘3可绕转轴5旋转，并遮盖住定位盘8。位移转盘3上 以转轴5轴线为圆心，均勻对称地分布有窗口 4三个，可透过外部远处的全站仪2发射的照 准激光。定位盘8被位移转盘3遮盖，可以通过窗口 4有效反射全站仪2发射的照准激光。 如图4所示，定位盘8呈环形条带，顺时针或者逆时针灰度渐变。如图5所示，反光膜片10 为圆形，采用带中心瞄准标记。支架11固定在围岩测量钻孔外岩石表面，起支撑作用。测 点锚固头7位于围岩测量钻孔内，测点锚固头7与岩石固定连接。观测装置转轴和锚固头的空间绝对位置位移的计算方法可以有多种，本发明公开 的一种数据处理方法，包括数据准备和数据计算两部分。数据准备的步骤只要在观测装置 更换时进行一次，数据计算的步骤每次观测都需要进行。观测的数据准备步骤
(1)读取照准激光照射下，反光膜片反射到全站仪CCD上的栅格化激光光斑数据，作为 标定数据1 ；
(2)读取照准激光照射下，位移转盘遮挡情况下定位盘反射到全站仪CXD上的栅格化 激光光斑数据，作为标定数据2 ；
(3)根据标定数据1和标定数据2，计算反光膜片、定位盘CXD上反光点数比率m； 通过该装置中全站仪实时记录反光膜片、定位盘反射的全站仪照准激光；进行反射激
光的亮度信息分析，获得观测装置转轴(反光膜片10中心点)和测点锚固头7的空间绝对位 置位移，具体步骤为
(1)读取全站仪CCD上的栅格化激光光斑数据(如图6中激光光斑)，去除边缘的不规则 亮点数据；根据反光膜片、定位盘反光点数比率m，计算反光膜片的反射成像点数，删除CCD 图像中心区域反光膜片反射的激光成像点(如图6所示中心部分光斑)；
(2)激光光斑亮度数据归一化；
(3)在亮度统计分布图的亮度级坐标轴上将多个亮度峰值等间距化；即统计得 到光斑亮度级累计值柱状分布图(如图7所示)，对数据进行平滑拟合，例如采用2阶 Mvitzky-Golay拟合，并采用最小二乘法为判据，使柱状图拟合峰之间的距离Δ X相等(如 图7所示)；
(4)计算与上一次观测结果激光亮度分布模式的亮度级差值ΔG，以三窗口反射为例 (如图8所示)，本次测量的光斑统计拟合峰为灰色，上一次测量光斑统计拟合峰为黑色，两 峰值在亮度级上的差值(横坐标差值)为AG，转盘的转角角度Δ θ = AG * / 120;
(5)计算转轴和锚固头的相对位移值AL;Δ L = Δ θ * R，其中转角角度Δ θ，转 轴半径R ；
(6)读取全站仪对反光膜片测距结果和VH角度值，并根据全站仪本身空间位置，钻孔 方向，计算转轴和锚固头的空间位置。
具体实施时，计算机1采用具备串行口的便携机或台式机，可与全站仪2通信交换 信息，获取测距、测角数据和激光反射成像数据，进行分析计算。全站仪2采用CCD成像型 电子全站仪，可选用的型号有Topcon MS系列、徕卡TPS1200系列等。钢丝6采用铟钢丝或 高强度不锈钢丝。位移转盘3采用亚光黑色塑料盘制作，圆盘外直径略大于定位盘8外直 径，盘面上以转轴5轴线为圆心均勻对称开有窗口 4三个(窗口间呈120度间距分布)，使得 计算机1对激光多峰值结构灰度信号的分辨更稳定更容易。转轴5端面装有反光膜片10， 配合全站仪2实现测距测角。反光膜片10呈圆形，采用带中心标记的Leica或Topcon测 量反光膜制成，灰度均勻。反光膜片10转轴5同轴转动，其中心不发生侧移，与位移转盘3 及定位盘8具有固定的相对位置关系，保证全站仪2的望远瞄准和反射激光分析的准确度。 定位盘8呈环状，采用3M 钻石级反光膜、Leica或Topcon测量反光膜，外直径10 20厘 米，上覆透明薄膜，透明薄膜采用电镀印刷级PC薄膜或者PET薄膜印刷制成。定位盘8反 射区域灰度为顺时针或者逆时针渐变，透光率最低处不低于50% ；定位盘8内直径比转轴5 直径略大，套装在转轴5上，不随转轴5旋转，背面固定在支架11上。支架11采用不锈钢 制作，可用螺栓固定在围岩测量钻孔孔口的岩石上。转轴5采用不锈钢制作，装在支架11 上，可以稳定旋转。测点锚固头7可采用膨胀木、螺栓锚固等方式与围岩测量钻孔内岩石固定。通过本发明的计算方法，在工程实践中的测量过程如下
①全站仪2照准激光照射步进旋转的定位盘8与反光膜片10，得到反射光后记录，与全 站仪2照准激光单独照射反光膜片10的反光光线对比，形成灰度模式基准，记录。②将观测装置连接好后，通过支架11固定在围岩测量钻孔孔口岩壁上，测点锚固 头7与孔内岩石固定，放置好重锤9后，钢丝6紧绷，设置为初始状态；
③全站仪2自由设站，瞄准反光膜片10中心，进行首次激光位置测量，得到观测装置的 空间绝对位置，记录；
④同时启动全站仪2照准激光，照射定位盘8与反光膜片10，计算机1通过全站仪2获 取反射激光信号，分析并记录反射激光灰度模式，设置为围岩内部变形初始零位置；
⑤地下工程围岩各部分位移时，内部固定的测点锚固头7与重锤9牵引钢丝6，带动位 移转盘3转动，与定位盘8有一个角度错动；
⑥在一定时间间隔后再次观测该处围岩位移情况，全站仪2瞄准反光膜片10中心，测 距激光测量、计算，得到观测装置的绝对位移；全站仪2照准激光照射定位盘8与反光膜片 10，获取反射光后分析光线灰度模式，对比计算得到位移转盘3的相对转动角度，得到围岩 内部测点与观测装置的相对移动距离，结合观测装置的绝对位移，计算得到围岩内部测点 的绝对位移；
⑦根据工程围岩观测要求，重复观测，计算机1记录。
权利要求
1.一种围岩位移计算方法，其特征在于，包括以下步骤(1)读取全站仪CCD上的栅格化激光光斑数据，去除边缘的不规则亮点数据；根据反光 膜片、定位盘反光点数比率m，删除CCD图像中心区域反光膜片反射的激光成像点；(2)激光光斑亮度数据归一化；(3)在亮度统计分布图的亮度级坐标轴上将多个亮度峰值等间距化；(4)计算与上一次观测结果激光亮度分布模式的亮度级差值，计算位移转盘的转角角度；(5)根据转角角度和转轴半径，计算得到转轴和锚固头的相对位移值；(6)读取全站仪对反光膜片测距结果和VH角度值，并根据全站仪本身空间位置，计算 转轴和锚固头的空间位置。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于步骤(3)中采用2阶Savitzky-Golay 拟合，并采用最小二乘法为判据，使柱状图拟合峰之间的距离Δ X相等。
全文摘要
本发明属于工程测量领域，公开了一种围岩位移计算方法根据反光膜片、定位盘反光点数比率m，删除全站仪CCD栅格化图像中心区域反光膜片反射的激光成像点；在亮度级统计分布图的亮度级坐标轴上将多个亮度峰值等间距化；利用激光亮度分布模式的亮度级差值△G计算位移转盘的转角角度△θ，进一步计算转轴和锚固头相对位移；读取全站仪对反光膜片测距结果和VH角度值，并根据全站仪本身空间位置，计算转轴和锚固头的空间位置。本方法计算准确，消除了全站仪激光强度可能受到空气粉尘衰减的影响，避免了由于观测角度导致激光强度不同对测点位置位移计算结果的影响，稳定性好。
文档编号G01B11/16GK102135414SQ20101061139
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者刘小燕, 刘泉声, 张程远 申请人:武汉大学