一种自动测量隧道断面变形的方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道施工工程领域，具体涉及一种在隧道施工期间自动测量隧道断面 变形的方法与装置。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济和社会的不断发展，交通基础设施建设规模逐步扩大，隧道数量和 里程逐渐增多。截止2010年，我国已建铁路隧道总长度超过7000km、公路隧道5000km，地 铁线路1400km。预计至2020年，我国还将规划建设隧道5000座，总长度9000公里以上。 我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。
[0003] 在隧道施工和运营阶段，隧道变形监测都发挥重要作用。一方面，隧道变形监测是 隧道信息化施工的重要组成部分，是反馈围岩和结构动态变化趋势、优化支护参数、保证施 工安全的重要手段。另一方面，隧道变形监测也是隧道健康监测的重要组成部分，对于实时 评估隧道结构的安全状况，及时实施安全预警，最大限度延长隧道的使用年限具有重要作 用。
[0004] 传统的隧道变形监测方法是在隧道的变形区布设监测点，使用收敛计、全站仪、水 准仪和塔尺等测量仪器进行逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1)需要技 术人员到现场人工测量，不仅现场操作繁复、耗时费力，而且人为因素对量测精度的影响较 大；2)隧道光线微弱，测量场地狭窄、环境复杂，影响因素众多，导致测量的可靠度和灵敏度 不高；3)每个断面仅测量有限几个点位，很难准确反映整个断面的变形状态；4)经常干扰 隧道正常施工和运营，常发生原有的测线不得不放弃情况，导致测量数据的间断；5)通常采 用文件管理和人工计算方式处理现场监测数据，无法实现数据库管理、共享和原始数据追 溯，导致分析效率低下，数据真实性得不到保证。因此，传统监测方法已无法满足现代隧道 施工及运营对自动化、信息化监控量测技术的需求。
[0005] 2000年前后我国从国外引进了巴塞特收敛系统（Bassett Convergence System)， 该系统为用于隧道断面变形监测的测量系统。该系统由一串安装在隧道内壁环形断面的、 首尾铰接的短臂杆和长臂杆组成，每根杆臂上都装有一只电解质式倾角传感器。当量测断 面发生变形时，各臂杆通过协调运动，将断面变形信息转换为臂杆的转角信息，由倾角传感 器测量获取。巴塞特收敛系统具有高精度、自动化的特点，但长短臂杆设计机构复杂，造价 昂贵，并且过多占用隧道断面的通行面积，很难在实际工程中得到推广应用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种结构新颖独特，使用方便，并且能够精确监测隧道断面 变形的自动测量装置。具体技术方案为： 一种自动测量隧道断面变形的装置，包括若干节测量杆件和固定座；所述测量杆件的 两端通过所述固定座固定在隧道壁上，并连接形成所述隧道断面的折线轮廓；每节测量杆 件均设置有倾角传感器；所述测量杆件的长度随所述隧道断面的变形发生改变，测量杆件 上设置有位移传感器，通过所述位移传感器测量测量杆件的长度变化；所述数据处理单元 根据倾角传感单元和测量杆件的长度得到所述隧道断面的拟合曲线，监测隧道断面的变 形。
[0007] 进一步，所述测量杆件的至少一端设置有关节轴承。
[0008] 进一步，所述装置还包括激光测距仪和旋转支座；所述旋转支座固定在所述隧道 断面的两端对应的隧道壁上，所述激光测距仪固定在所述旋转支座上。
[0009] 进一步，所述激光测距仪和旋转支座均设置为两套，两套所述激光测距仪旋转时 发出的激光形成的旋转面位于同一平面内。
[0010] 进一步，所述测量杆件包括滑动杆、套筒和位移传感器；所述滑动杆在所述套筒 内，与所述套筒可滑动连接；所述位移传感器对滑动杆在套筒内的位移进行测量；所述倾 角传感器对测量杆件的三维角度进行测量。
[0011] 进一步，所述倾角传感器为双轴倾角传感器或三轴倾角传感器。
[0012] 本发明还提供一种自动测量隧道断面变形的方法，所述方法的具体步骤为： 1) 选择需要监测的隧道断面，在一侧边墙底部第一激光点，垂直于墙面安装一套激光 断面扫描单元； 2) 开启该激光断面扫描单元中的激光发射器，水平射向隧道另一侧边墙，激光照射点 作为第二激光点；将另一套激光断面扫描单元垂直于墙面安装在第二激光点； 3) 开启两套激光断面扫描单元，扫描隧道断面，记录各测点的距离和激光的角度； 4) 根据传感器测量的角度和激光测距传感器测量的距离，得到整个隧道断面曲线的初 始轮廓； 5) 数据处理单元根据所述初始轮廓在隧道断面曲线上设置测量杆件的固定点；并将固 定点的位置信息转换为激光断面扫描单元的激光扫描的角度值； 6) 根据所述角度值，激光断面扫描单元通过激光在隧道壁上指示所述固定点；在每个 测点位置处安装固定座，然后将每个测量杆件的两端固定于相应的固定座上。依次类推，将 整个隧道断面布设上若干测量杆件； 7) 采集各测量杆件的数据，数据处理单元根据测量杆件的位置和长度以及倾斜角度获 得所述隧道断面的拟合曲线数据。
[0013] 进一步，所述方法还包括步骤8): 在隧道口外有GPRS信号的地方安装GPRS转接数据采集发射装置，将隧道内采集的数 据远传监控中心。
[0014] 进一步，所述GPRS转接数据采集发射装置与所述数据处理单元通过有线或者无 线网络连接。
[0015] 本发明自动测量隧道断面变形的装置和方法；通过可伸缩的测量杆件适应隧道断 面的变形；通过位移传感器将测量杆件的长度变化测量出来；通过倾角传感器将测量杆件 的三维角度测量出来，根据各节测量杆件得到隧道断面的拟合曲线，监控隧道断面的变形。 该装置及测量方法监测成本低，精度高，安装方便，可重复使用，占用隧道通行面积少，不会 造成隧道通行困难。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明工作原理示意图； 图2为测量杆件单元的立体图； 图3为测量杆件单元的结构剖面示意图； 图4为倾角传感单元结构示意图； 图5为固定座与测量杆件的连接示意图。
[0017] 图中：1、激光断面扫描单元；1-1、固定底座；1-2、旋转支架；1-3、激光测距部件； 2、隧道断面曲线；3、混凝土壁；4、隧道断面折线轮廓；5、固定座；5-1、销轴；5-2、垫片；6、 测量杆件；6-1、球头座杆；6-1. 1关节轴承；6-2、倾角传感单元；6-2. 1、封装外壳；6-2. 2、 固定支架；6-2. 3、倾角传感器电路板；6-2. 4、双向防水插头；6-3、套筒；6-3. 1、导块； 6-3. 2、穿线孔；6-3. 3、顶丝孔；6-4、滑动杆；6-4. 1、滑块；6-4. 2、滑动杆复位弹簧；6-5、球 头座套杆；6-5. 1、关节轴承；6-6、位移传感器单元；6-6. 1、位移传感器固定支架；6-6. 2、顶 杆；6-6. 3、顶杆复位弹簧；6-7、锁紧螺母。
【具体实施方式】
[0018] 下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式， 并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
[0019] 为了易于说明，在这里可以使用诸如"上"、"下""左""右"等空间相对术语，用于 说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图 中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中 的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征"下"的元件将定位在其他元件或特征"上"。 因此，示例性术语"下"可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或 位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
[0020] 如图1所示，本实施例中的自动测量隧道断面变形的装置，包括若干节测量杆件6 和固定座5 ;测量杆件6的两端通过固定座5固定在隧道的混凝土壁3的内壁上，并连接形 成隧道断面的折线轮廓4,通过该折线轮廓可以拟合隧道断面曲线2 ;每节测量杆件6均设 置有倾角传感单元6-2 ;测量杆件6的长度随隧道断面的变形发生改变，测量杆件6上设置 有位移传感器单元6-6 ;通过位移传感器单元6-6测量测量杆件6的长度变化。
[0021] 如图2所示，测量杆件6的两端均设置有球座，球座内安装有关节轴承。当然，也 可以仅在一端设置球座和关节轴承，另一端设置与销轴适配的轴承或者销轴孔。通过关节 轴承与球座配合，使测量杆件6能够在隧道壁发生变形时，随固定座5的偏移而改变与销轴 的角度，避免因机械力受到损伤。
[0022] 安装时如图5所示，销轴5-1从固定座5的一侧壁穿入，依次穿过两节量杆件6的 关节轴承的轴承孔，穿入固定座5的对侧壁；通过螺母或者螺纹等与固定座5固定。两节量 杆件6的关节轴承的轴承孔之间，以及关节轴承的轴承孔与固定座5的侧壁之间通过垫片 5-2形成间隙，测量杆件6的旋转留有一定的空间。该间隙的大小根据量杆件6的长度和隧 道的断面轮廓线长度设计，使得留有足够间隙，避免测量杆件6受损，同时也能保证测量的 准确性。
[0023] 为了测量方便，尽可能使从一个方向计数时，次序为奇数的测量杆件6均在与断 面平行的一个平面内；次序为偶数的测量杆件6均在与断面平行的另一个平面内；并且两 个平面平行。当然，如果不采用这种方案也可以得到准确的测量结构，只是计算会复杂。
[0024] 通常隧道断面与路面垂直，不采用与路面垂直的隧道断面也可以。
[0025] 如图3所不，测量杆件6还包括滑动杆6_4和套筒6_3。滑动杆6_4 -端与设置在 套筒6-3内的滑块6-4. 1连接，另一端穿过导块6-3. 2与球头座套杆6-5连接。球头座套 杆6-5与滑动杆6-4通过螺纹连接，通过旋转球头座套杆6-5可以改变球头座套杆6-5与 滑动杆6-4连接成的组件的长度；调整合适后，通过锁紧螺母6-7将连接位置锁定。位移传 感器单元6-6通过顶丝固定在套筒6-3内腔中；具体实施时，可以通过螺纹或者台阶面固定 位移传感器。
[0026] 实施例中的位移传感器包括顶杆6-6. 2和顶杆复位弹簧6-6. 3 ;滑动杆6-4也配 有滑动杆复位弹簧6-4. 2。通过设置顶杆复位弹簧6-6. 3和滑动杆复位弹簧6-4. 2,可以分 别方便顶杆6-6. 2和滑动杆6-4复位；同时，通过相对设置的两根弹簧，作用力方向相反，使 滑动杆6-4在未受力状态下伸出的长度稳定，便于对测量杆件6的初始长度进行标定。
[0027] 具体实施时，也可以将滑块6-4. 1与顶杆6-6. 2连接，仅使用一根弹簧来实现对测 量杆件6在未受力状态下的初始长度进行