基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法与流程

本发明涉及一体浇筑管涵隧洞变形监测领域，具体涉及基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法。

背景技术：

1、一体浇筑管涵隧洞在设计施工阶段会根据地质情况进行相应的衬砌、管片或喷浆处理，后期会根据管涵变形的情况推算结构内力变化，以对一体浇筑管涵隧洞的安全进行预警。因此一体浇筑管涵隧洞变形观测是确保一体浇筑管涵隧洞安全的一个重要指标，其中一体浇筑管涵隧洞收敛变形是确定管涵受围压情况下是否安全的重要指标。目前针对一体浇筑管涵隧洞收敛变形观测，主要有以下几种方式：

2、第一，利用全站仪进行定点测量。该方式通过将人工/自动化的全站仪设置在相对稳定点之上，同时在一体浇筑管涵隧洞监测断面上布设反光棱镜，依靠测量绝对坐标来判断管涵收敛情况。该方法优点在于可以测量管涵绝对坐标，缺点在于全站仪精度本身较低，只有大于1mm的位移变形才能够被测量，同时该设备还需要一整套完备的光学测量系统，不适用于运行期的水利管涵和部分交通管涵。

3、第二，利用阵列位移计等方式进行测量。该方式是近年来新兴的管涵测量方式。其通过在管涵布置多个硬性连接的测量单元，通过各单元角度变化来计算单个节点的位移值，再通过多个测量节点数据的递增来获取管涵收敛情况。该方法优点在于可适用于多工况的自动化测量，缺点在于单节点长度一般小于1m，对于大跨度洞径来说就需要多个节点进行测量。同时因为测量单元间的刚性连接，使得节点重量较大，在运行期的轨道交通等管涵中实施时，保证安全的难度巨大。而且在管涵无法保证该方法内置的加速度传感器均为水平放置，在欧拉角影响下，导致测量精度严重不足。

4、第三，利用三维激光等进行免接触监测。这是近10余年来监测领域一个重大研究课题，但由于激光的精度本身就在cm级之间，即便在管涵布置反光条，其精度仍与传统全站仪差别较大，而且实现自动化监测成本更为巨大，目前该方式几乎没有成功的自动化监测案例。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，用于解决现有技术中管涵收敛变形监测的缺陷。本发明适用于对圆型、拱型（马蹄型）、方形等一体浇筑或预制的管涵，如地铁、交通、水利等隧洞、输水涵管、钢铸预应力管道等在外部作用下的变形进行计算，尤其适用于工程运行期间的对管涵进行便携式安装和短期或长期监测应用。

2、为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

3、本发明所述的基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，包括以下步骤：

4、s1，基于mems高精度倾角变形传感器布设监测点，测量一体浇筑管涵隧洞的初始形态；

5、s2，获取所述初始形态的一阶导数，通过计算，获取各监测点的瞬时极坐标，并提取各监测点的初始极坐标；

6、s3，监测各监测点的极坐标变化量，将各监测点的所述极坐标变化量与对应的所述初始极坐标相加，获得各监测点当前极坐标；

7、s4，利用插值法获取一体浇筑管涵隧洞截面上各点当前的极坐标；

8、s5，根据各点当前的所述极坐标和dx、dy值，积分获得一体浇筑管涵隧洞当前的形态；

9、s6，通过计算一体浇筑管涵隧洞当前的形态与初始形态中相关点的闭合差，确定一体浇筑管涵隧洞变形坐标。

10、进一步地，所述监测点布设在以一体浇筑管涵隧洞横断面中心为原点的坐标系中每个象限的斜45度方向；当一体浇筑管涵隧洞为不规则圆时，还需在结构计算不变形的位置布设监测点。

11、进一步地，所述mems高精度倾角变形传感器应水平安装，且保证z轴向下。

12、进一步地，所述插值法包括b样条插值法、协克里金插值法。

13、进一步地，当所述监测点较少时，使用协克里金插值法。

14、进一步地，所述闭合差中水平平差以横向分布的mems高精度倾角变形传感器为主，纵向平差以纵向分布的mems高精度倾角变形传感器为主。

15、本发明的优点在于:

16、第一，精度更高。本发明在安装过程中充分考虑了重力加速度方向对于倾角变化的影响，充分利用最佳的倾角变化范围进行安装，因此理论测量精度远大于的阵列位移计等监测方法的监测精度。

17、第二，安装更便捷。本发明相对于传统的阵列位移计监测方法，本发明无需钢性连接套件，且可实现无线监测，安装更为便捷。相对于自动化测量机器人的监测方法，本发明无需安装全站仪等设施，因此对于自动化测量机器人安装点的稳定性无硬性要求。同时本发明中除了传感器和rtu等设备外，无需其它贵重的仪器设备。

18、第三，成本更低。在多种监测方法中，自动化测量机器人的测量成本最高，应用范围最小。阵列位移计由于存在刚性连接套件，其单价成本为一个传感器的2~3倍。同时由于阵列位移计节点的刚性连接，使得部分没有角度变化隧洞区域也存在需要诸多传感器，造成大尺寸洞径监测所需要的传感器数量远远超过本发明所需的传感器数量，存在严重的传感器浪费现象，造成成本偏高。

技术特征：

1.一种基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，其特征在于：所述监测点布设在以一体浇筑管涵隧洞横断面中心为原点的坐标系中每个象限的斜45度方向；当一体浇筑管涵隧洞为不规则圆时，还需在结构计算不变形的位置布设监测点。

3.根据权利要求1所述的基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，其特征在于：所述mems高精度倾角变形传感器应水平安装，且保证z轴向下。

4.根据权利要求1所述的基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，其特征在于：所述插值法包括b样条插值法、协克里金插值法。

5.根据权利要求1所述的基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，其特征在于：当所述监测点较少时，使用协克里金插值法。

6.根据权利要求1所述的基于倾角测量的一体浇筑管涵隧洞收敛变形监测方法，其特征在于：所述闭合差中水平平差以横向分布的mems高精度倾角变形传感器为主，纵向平差以纵向分布的mems高精度倾角变形传感器为主。

技术总结
本发明公开了一种基于高精度倾角测量的隧洞收敛变形计算方法，基于MEMS高精度倾角变形传感器布设监测点，测量一体浇筑管涵隧洞的初始形态；获取初始形态的一阶导数，计算各监测点的瞬时极坐标，并提取各监测点的初始极坐标监测各监测点的极坐标变化量，将各监测点的所述极坐标变化量与对应的所述初始极坐标相加，获得各监测点当前极坐标；利用插值法获取一体浇筑管涵隧洞截面上各点当前的极坐标；根据各点当前的极坐标和dx、dy值，积分获得一体浇筑管涵隧洞当前的形态；计算一体浇筑管涵隧洞当前的形态与初始形态中相关点的闭合差，确定一体浇筑管涵隧洞变形坐标。本发明的优点在于:精度更高、安装更便捷、成本更低。

技术研发人员：姜文龙,刘阳,李亚楠,涂善波,岳善平,黄新军,马若龙,张亚玲,周锡芳,张宪君,郭士明
受保护的技术使用者：黄河勘测规划设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14