适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及地铁监测技术领域，特别是涉及一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置、系统及方法。


背景技术：

2.传统的运营期地铁隧道的水平位移监测多采用全站仪配合脚架、棱镜进行导线测量的方法，由于隧道内光线较差，对中、整平误差大、效率低，且监测点距离较短，测站多，导致导线测量的累积误差大，达不到监测的精度要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置、系统及方法，以提高隧道水平位移监测的观测精度。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置，所述装置包括：套筒、对中杆和观测棱镜；
6.所述对中杆的一端插入所述套筒中，所述对中杆的另一端插入所述观测棱镜的固定端口，所述对中杆与所述套筒和所述观测棱镜之间均可拆卸。
7.优选的，与套筒连接的对中杆的一端具有外螺纹，所述套筒的内部具有内螺纹，所述对中杆与套筒螺纹连接。
8.优选的，所述装置还包括：螺帽；
9.所述螺帽具有外螺纹，所述螺帽与套筒螺纹连接；
10.所述螺帽上表面的中心位置设置十字刻划。
11.优选的，所述套筒为不锈钢材质，直径12mm，长度6cm。
12.一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测系统，所述系统包括：全站仪和前述的适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置。
13.一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测方法，所述方法应用前述的适用于运营期地铁隧道的水平位移监测系统，所述方法包括：
14.在地铁区间隧道道床上布设多个监测点，并在每个监测点处设置一个水平位移监测装置的套筒；
15.从地铁区间隧道的一端开始依次将多个监测点的序号设置为1至n；
16.初始化监测点的序号i为1；
17.在地铁区间隧道一端的车站结构上布设测站点；
18.将全站仪设置在所述测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆固定在第i个监测点处的套筒中；
19.利用全站仪对准观测棱镜进行水平角和平距观测，获得第i个监测点的水平角和平距；
20.判断第i+1个监测点到测站点的距离是否小于测量距离阈值，获得判断结果；
21.若所述判断结果表示是，则将序号i的数值增加1，返回步骤“将全站仪设置在所述测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆固定在第i个监测点处的套筒中”，直至遍历完所有监测点，获得本期观测中所有监测点的水平角和平距；
22.若所述判断结果表示否，则将第i个监测点更新为测站点，令序号i的数值增加1，返回步骤“将全站仪设置在所述测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆固定在第i个监测点处的套筒中”，直至遍历完所有监测点，获得本期观测中所有监测点的水平角和平距；
23.根据本期观测中每个监测点的水平角和平距，以及上一期观测中每个监测点的水平角和平距，确定每个监测点的横向水平位移和纵向水平位移。
24.优选的，所述在地铁区间隧道道床上布设多个监测点，并在每个监测点处设置一个水平位移监测装置的套筒，具体包括：
25.利用钢尺量取轨道宽度，并在地铁区间轨道的中间位置布设多个监测点；
26.使用冲击钻在每个监测点进行开孔作业；
27.在开孔后的监测点中放入植筋胶或快干水泥，并将带有螺帽的套筒插入孔内，使螺帽贴至道床面。
28.优选的，所述将全站仪设置在所述测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆固定在第i个监测点处的套筒中，之后还包括：
29.在地铁区间隧道一端的车站结构上布设后视点，并在地铁区间隧道另一端的车站结构上布设两个基准点；
30.自地铁区间隧道一端的车站结构上的测站点和后视点起，至地铁区间隧道另一端的车站结构上的两个基准点止，进行基准网的附合导线观测；
31.对附合导线观测的观测数据使用控制网平差软件进行严密平差，获得各监测点的坐标。
32.优选的，所述将第i个监测点更新为测站点，之后还包括：
33.将上一测站点更新为后视点。
34.优选的，所述根据本期观测中每个监测点的水平角和平距，以及上一期观测中每个监测点的水平角和平距，确定每个监测点的横向水平位移和纵向水平位移，具体包括：
35.根据本期观测中每个监测点的水平角和上一期观测中每个监测点的水平角，利用公式确定每个监测点的横向水平位移；其中，l
i
为第i个监测点的横向水平位移，为第j期观测的第i个监测点的水平角，为第j
‑
1期观测的第i个监测点的水平角，ρ为常数，l
i
为第i个监测点至测站点之间的距离；
36.根据本期观测中每个监测点的平距和上一期观测中每个监测点的平距，利用公式确定每个监测点的纵向水平位移；其中，δl
i
为第i个监测点的纵向水平位移，为第j期观测的第i个监测点的平距，为第j
‑
1期观测的第i个监测点的水平角。
37.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
38.本发明公开的一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置，观测棱镜通过对中杆固定在套筒中，实现了强制对中，无需再采用脚架对中的方式，减少了对中误差，提高
了观测精度。
39.本发明公开的一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测方法，利用全站仪对测量距离阈值内的监测点进行观测，待测监测点到测站点的距离超过测量距离阈值后，移动观测棱镜和全站仪，观测棱镜移至待测监测点，全站仪迁站至最后一个被观测的监测点，继续观测监测点，直至完成所有监测点的观测，相较于导线法等传统的运营期地铁隧道的水平位移监测的方法，进一步提高了隧道水平位移监测的观测精度。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本发明实施例一提供的一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置的结构图；
42.图2为本发明实施例一提供的螺帽的中十字刻划示意图；
43.图3为本发明实施例三提供的一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测方法的流程图；
44.图4为本发明实施例三提供的一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测方法的原理图；
45.图5为本发明实施例四提供的监测布设图；
46.符号说明：1
‑
套筒，2
‑
对中杆，3
‑
观测棱镜，4
‑
螺帽。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.本发明的目的是提供一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置、系统及方法，以提高隧道水平位移监测的观测精度。
49.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
50.实施例一
51.本发明提供了一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置，如图1所示，装置包括：套筒1、对中杆2和观测棱镜3。对中杆2的一端插入套筒1中，对中杆2的另一端插入观测棱镜3的固定端口，对中杆2与套筒1和观测棱镜3之间均可拆卸。
52.与套筒1连接的对中杆2的一端具有外螺纹，套筒1的内部具有内螺纹，对中杆2与套筒1螺纹连接。
53.作为一种优选方式，套筒1为不锈钢材质，直径12mm，长度6cm。
54.水平位移监测装置还包括：螺帽4；螺帽4具有外螺纹，螺帽4与套筒1螺纹连接；螺
帽4上表面的中心位置设置十字刻划，如图2所示。
55.本发明使观测棱镜3无需采用脚架对中的方式，达到了强制对中的目的，减少了对中误差，提高了工作效率。
56.实施例二
57.本发明提供了一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测系统，系统包括：全站仪和前述的适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置。
58.在使用时，套筒1埋设于地铁道床上，对中杆2通过螺纹连接于套筒1上，观测棱镜3与对中杆2连接，可直接采用全站仪对观测棱镜3进行观测，对中杆2及观测棱镜3拧下后，可将螺帽4与套筒1紧固连接，从而防止杂物进入，螺帽4上刻有十字丝刻划，参考螺帽4上的十字刻划进行全站仪的对中。
59.实施例三
60.本发明提供了一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测方法，如图3和4所示，方法应用前述的适用于运营期地铁隧道的水平位移监测系统，方法包括：
61.步骤101，在地铁区间隧道道床上布设多个监测点，并在每个监测点处设置一个水平位移监测装置的套筒，具体包括：
62.利用钢尺量取轨道宽度，并在地铁区间轨道的中间位置布设多个监测点；
63.使用冲击钻在每个监测点进行开孔作业；
64.在开孔后的监测点中放入植筋胶或快干水泥，并将带有螺帽的套筒插入孔内，使螺帽贴至道床面。
65.步骤102，从地铁区间隧道的一端开始依次将多个监测点的序号设置为1至n；
66.步骤103，初始化监测点的序号i为1；
67.步骤104，在地铁区间隧道一端的车站结构上布设测站点；
68.步骤105，将全站仪设置在测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆固定在第i个监测点处的套筒中；
69.在地铁区间隧道一端的车站结构上布设后视点，并在地铁区间隧道另一端的车站结构上布设两个基准点；
70.自地铁区间隧道一端的车站结构上的测站点和后视点起，至地铁区间隧道另一端的车站结构上的两个基准点止，进行基准网的附合导线观测；
71.对附合导线观测的观测数据使用控制网平差软件进行严密平差，获得各监测点的坐标。
72.步骤106，利用全站仪对准观测棱镜进行水平角和平距观测，获得第i个监测点的水平角和平距；
73.步骤107，判断第i+1个监测点到测站点的距离是否小于测量距离阈值，获得判断结果；
74.步骤108，若判断结果表示是，则将序号i的数值增加1，返回步骤“将全站仪设置在测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆固定在第i个监测点处的套筒中”，直至遍历完所有监测点，获得本期观测中所有监测点的水平角和平距；
75.步骤109，若判断结果表示否，则将第i个监测点更新为测站点，令序号i的数值增加1，返回步骤“将全站仪设置在测站点处，并将水平位移监测装置的观测棱镜通过对中杆
固定在第i个监测点处的套筒中”，直至遍历完所有监测点，获得本期观测中所有监测点的水平角和平距；
76.将第i个监测点更新为测站点，之后还包括：
77.将上一测站点更新为后视点。
78.步骤110，根据本期观测中每个监测点的水平角和平距，以及上一期观测中每个监测点的水平角和平距，确定每个监测点的横向水平位移和纵向水平位移，具体包括：
79.根据本期观测中每个监测点的水平角和上一期观测中每个监测点的水平角，利用公式确定每个监测点的横向水平位移；其中，l
i
为第i个监测点的横向水平位移，为第j期观测的第i个监测点的水平角，为第j
‑
1期观测的第i个监测点的水平角，ρ为常数，l
i
为第i个监测点至测站点之间的距离；
80.根据本期观测中每个监测点的平距和上一期观测中每个监测点的平距，利用公式确定每个监测点的纵向水平位移；其中，δl
i
为第i个监测点的纵向水平位移，为第j期观测的第i个监测点的平距，为第j
‑
1期观测的第i个监测点的水平角。
81.本发明中提供的水平位移监测方法，操作简单，效率高，有效降低了导线的传递误差，根据观测值直接计算水平位移变化量，精度高。
82.实施例四
83.为了进一步详细阐述本发明的监测方法，还提供了一个具体实施例。
84.水平位移监测方法，包括以下步骤：
85.步骤一：监测点布设
86.①
定位：先用钢尺量取轨道宽度，然后选择中间位置进行选点，并在布控位置作标记，如图5中s1、s2、s3、s4
……
sn为区间隧道内布设的监测点，该监测点为实施例一种的监测装置；
87.②
开孔：使用冲击钻在上述布控位置进行开孔作业，完成后将孔内碎屑清空；
88.③
埋设：开孔后放入植筋胶或快干水泥，将套筒1插入孔内，并用橡皮锤敲打进去，螺帽4贴至道床面为止。
89.步骤二：基准网观测
90.基准网a1、a2、b1、b2布设于地铁隧道两端的车站结构上，隧道两端的车站结构上分别布设两个水平位移基准点，基准网自a车站的基准点a1、a2起，至另b车站的基准点b1、b2止，进行附合导线观测。
91.步骤三：基准网平差计算
92.观测完成后形成电子原始观测文件，通过数据传输处理软件传输至计算机，使用控制网平差软件进行严密平差，得出各点坐标，同时通过对各期控制点的坐标和相邻控制点间的夹角、距离进行比较，以此判断各控制点的稳定性。
93.步骤四：架设仪器、棱镜，观测监测点水平角及平距
94.水平位移监测网从车站一基准边出发，附合于另一站的基准边：基准边～监测点～基准边。
95.首先以基准点a2为设站点，以相邻基准点a1为后视，使用全站仪观测水平角及平距，将相邻监测点s1的螺帽44拧开后，拧入对中杆2，并将观测棱镜3连接，进行水平角和平
距观测，观测完成后，将对中杆2取出，拧入螺帽4。按上述步骤对另一监测点s2进行观测，观测视线应小于100m，本站观测完成后，将仪器迁站于监测点s2，参照螺帽4上十字丝进行对中整平，以上一设站点a2为后视，使用全站仪观测水平角及平距，并依次向前进方向观测其余监测点s3、s4
……
，挡视线受阻或视线长度超过100m时，应迁站，继续向前观测，直至将s1、s2、s3、s4
……
sn全部观测完毕为止。
96.以后每期观测应采用相同的路线、相同的仪器、相同的人员。
97.步骤五：监测点变化量计算
98.根据各期观测的水平角和平距，分别计算每个点位相对于上一期的角度偏差和距离偏差，分别求得监测点在隧道横、纵两个方向上的水平位移变化量。
99.本实施例中观测数据如表1所示：
100.表1观测数据
[0101][0102]
计算公式如下：
[0103]
s1横向水平位移：l＝(α
i
‑
α
i
‑1)/ρ
×
l＝2
″
/2060265
×
33.5505
×
1000＝0.33mm
[0104]
式中：α
i
——本期观测的水平角(
″
)，其中i＝1、2、3......；
[0105]
α
i
‑1——上期观测的水平角(
″
)，其中i＝1、2、3......；
[0106]
l——监测点至测站点之间的距离(mm)；
[0107]
ρ——常数，其值为206265
″
。
[0108]
s1纵向水平位移：δl＝l
i
‑
l
i
‑1＝1.2mm
[0109]
式中：l
i
——本期观测的平距(mm)，其中i＝1、2、3......；
[0110]
l
i
‑1——上期观测的平距(mm)，其中i＝1、2、3......。
[0111]
同上，计算可得s2的横向水平位移为1.21mm，s2的纵向水平位移为0.3mm。
[0112]
本实施例中，步骤一中开孔钻头采用12mm的钻头，打入深度在7cm左右，将套筒1埋设于整体道床的轨枕上，露出道床约2
‑
3mm。
[0113]
本实施例中，步骤二中基准网观测时，设站点采用强制对中观测装置，向前交叉布设于隧道左右两侧。
[0114]
本实施例中，所述步骤二中基准网观测时，采用的仪器为leica ts30高精度测量机器人，测角精度0.5
″
，具有多测回自动测角测距的功能。
[0115]
本实施例中，步骤四中使用的全站仪为leica ts30，具有atr(自动目标照准)功能。
[0116]
本实施例中，步骤四中观测水平角及平距采用测回法，观测一个测回，左角平均值与右角平均值之和与360
°
的差值不大于
±
3.6
″
，水平角观测误差超限时，应按规定进行重测。
[0117]
本实施例中，在观测时为了减少望远镜调焦误差对水平角的影响，每一方向的读数，正倒镜不调焦完成。
[0118]
本发明利用一种适用于运营期地铁隧道的水平位移监测装置、系统及方法，相较于导线法等传统的运营期地铁隧道的水平位移监测的方法，具有操作简单、精度高等优点，大大提高工作效率。特别是近年来全站仪的发展提高了测角和测距的精度，同时自动化程度越来越高——测量机器人能自动识别、跟踪和精确照准目标，大大提高了工作效率。
[0119]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0120]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。