专利名称：隧道结构沉降变形自动群测系统及其群测方法
技术领域：
本发明涉及工程測量技术领域，尤其是ー种长期自动监测隧道结构上纵向成群被测点的水平位置和垂直位置变化的技木。
背景技术：
地铁作为新型交通工具正不断改善城市交通拥挤状况和人们出行条件。由于地铁隧道结构所处的水文地质和地表承载条件及其变化、隧道掘进エ艺和注 浆质量问题、隧道周边临近工程施工扰动、地铁列车运行震动等因素，地铁营运过程中可能面临隧道结构不均匀沉降变形问题，严重时将影响列车行驶安全和隧道结构安全。因此，地铁营运需要掌握隧道不均匀沉降变形的定量信息，尤其是隧道不均匀沉降变形数值接近安全警戒值时要求连续监测。目前对隧道结构沉降变形的监测方法主要采取的方法有人工测量方法，在隧道内布设导线传递坐标，每隔10米左右在隧道结构表面上布设多个测点，用全站仪获得多个的测点空间数据进行分析，这种方法測量I公里双管地铁隧道需要I个月的时间，劳动强度大、效率低。自动测量方法，主要包括以下几种方法静力水准仪测量隧道沉降的方法每ー环管片(约I. 2米)设置I个测点，应用连通管原理多点连通，通过连通容器中的浮子跟踪液位，将测点的微小高差变化转换为标志杆的垂直位移，该方法不能测量测点的水平位移，不能反映隧道变形的信息，一般在隧道沉降问题严重区域采用该方法；倾斜传感器测量隧道变形方法德国VMT公司的RCMS管片收敛測量系统在隧道管片的同一环的每个管片上设置ー个倾斜传感器，传感器组的角度变化信息由计算机软件计算出该环管片变形数值，该方法适用于监测隧道施工过程中管片变形情况，一般在最新完成的若干环管片循环使用，缺点是不能測量管片的垂直沉降信息，在营运隧道批量使用成本太闻;全站仪测量隧道沉降变形方法适用于施工过程中对关键控制区域的自动检測，缺点是测点棱镜不宜布置太多，又因为不断寻找测量目标的工作方式将影响全站仪的机械寿命，不适应长期测量的工作方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能自动群测上百个相对静止测点水平位置和垂直位置的变化，长期提供隧道沉降变形定量信息的自动群测方法及群测系统。为实现上述技术效果，本发明公开了ー种隧道结构沉降变形自动群测方法，所述群测方法主要包括以下步骤在隧道测点位置分别布置激光组件；依次激励所述激光组件向一目标靶发射激光；
依次采集各激光组件所发出激光在所述目标靶上的成像位置与入射角度，通过计算得出各激光组件所在测点的水平位置数值与垂直位置数值；比较本次测得的水平位置数值与垂直位置数值与上一次测得的水平位置数值与垂直位置数值，得出所述测点的水平位置偏移与垂直位置偏移。其中，所述群测方法进ー步的改进在于，所述激光通过ー防护玻璃后投射于一前幕布并在所述前幕布上成像，所述激光进ー步透射所述前幕布投射于ー后幕布并在所述后幕布上成像，分别通过一电子照相机采集所述前幕布与所述后幕布上所成的像，获取成像位置与入射角度。本发明还公开了ー种隧道结构沉降变形自动群测系统，所述群测系统包括一目标靶，所述目标靶安装于隧道结构上；
一主控制器，所述主控制器电连接所述目标靶；复数激光组件，所述激光组件分别布置于隧道测点位置，所述激光组件电连接所述主控制器。其中，所述群测系统进ー步的改进在于，所述目标靶包括一机箱，所述机箱的前端设有ー防护玻璃，所述机箱内距离所述防护玻璃一段距离处倾设有一前幕布，距离所述前幕布一段距离处设有一与所述前幕布平行的后幕布，所述机箱内还架设有ニ电子照相机，所述电子照相机的镜头分别正对所述前幕布与所述后幕布的中心，所述电子照相机电连接所述主控制器。所述群测系统进ー步的改进在于，所述激光组件包括一激光发射器以及ー电连接所述激光发射器的控制单元，所述控制単元电连接所述主控制器。本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果是所述目标靶“相机背源”结构具有可避免外部杂光干扰的特点，所述目标靶“双靶成像”具有一次完成入射激光位置和入射激光角度监测的特点，所述主控制器在一个测量周期内依次激励所有隧道测点的所述激光组件向所述目标靶发射激光，所述主控制器在一个采样周期内处理所述目标靶中所述电子照相机获取的图像信息，计算激光在所述目标靶的位置和角度数值，并与测点标定值比较，得出隧道结构沉降变形的水平偏差值和垂直偏差值，实现隧道结构沉降变形的数据处理功能。
图I是本发明隧道结构沉降变形自动群测系统的结构示意图。图2是本发明隧道结构沉降变形自动群测系统中目标靶的放大结构示意图。
具体实施例方式为利于对本发明结构的进ー步了解，本发明以图I的一较佳实施例作说明。如图I所示，本发明的隧道结构沉降变形自动群测系统I主要由一目标靶10、一电连接目标靶10的主控制器11、复数激光组件12组成。进ー步结合图2所示，目标靶10包括一机箱101,机箱101的前端设有ー防护玻璃102,机箱101内距离防护玻璃102 —段距离处倾设有一前幕布103，距离前幕布103 —段距离处设有一与所前幕布103平行的后幕布104，机箱101内还架设有ニ电子照相机105，电子照相机105的镜头分别正对前幕布103与后幕布104的中心，电子照相机105电连接主控制器11，激光组件12布设于距目标靶10近百米可视区域内的各隧道测点上，激光组件12包括一激光发射器121以及ー电连接激光发射器121的控制单元122，控制单元122电连接主控制器11。本发明的隧道结构沉降变形自动群测系统I可以通过以下步骤对隧道的结构沉降变形进行监测
第一歩初始化设置以读取管理文件的方式定义群测周期、测点采样周期，定义测点号、测点地址号；以读取数据文件的方式获取测点初始绝对位置值，定义测点上次标定相对位置值；所有内部变量和测点控制状态复位。第二步触发激光源主控制器11按采样周期依次向上百组激光组件12发送当前测点的通信地址、发送开启或关闭该测点激光源的控制信息，依次激光组件12向目标靶10发射激光。第三步激光图像处理上述激光通过目标靶10前端的防护玻璃102后投射于前幕布103并在前幕布103上成像，上述激光进一步透射前幕布103投射于后幕布104并在后幕布104上成像，主控制器11在采样周期中依次微延时并触发电子照相机105依次获取前幕布103与后幕布104所呈像的电子图象，通过滤波和阈值处理形成红色激光图像，通过重心算法求得激光在图像坐标上的位置数值Txl, yl、Tx2, y2，Txl, yl、Tx2, y2经图像畸形矫正处理后得到激光在幕布坐标的位置数值Bxl,yl、Bx2,y2，进一歩得到平行于防护玻璃102平面并以前幕布103与后幕布104下延边为參考点的虚拟像的位置数值Pxl,yl、Px2,y2，关闭本测点激光源。第四步水平位置偏差和垂直位置偏差计算Cl1为防护玻璃102厚度、d2为前幕布103下延边至防护玻璃102内侧距离、d3为前幕布103与后幕布104下延边间距，水平方向入射角Θ x=arctg (Px2-Pxl)/d3，垂直方向入射角 0 y=arctg (Py2-Pyl) /d3 ；Θ 2为入射角、η2为玻璃折射率、Ii1为空气折射率、Θ I为激光入射角，由折射公式Ii1Sin Θ J=Ii2Sin Θ 2可求得玻璃折射在水平误差Wfd'tg (arcsin Oi1Sin ( θ x)/n2))和垂直方向的误差Wfd-tg(arcsin Oi1Sin ( Θ y)/n2)),求得激光在防护玻璃102外表面的水平位置Gx=Pxi-Wx_d2*tg θ x、垂直位置Gy=Pyl-Wy-d2*tg Θ y,与上次标定数据相比，求得被测点的水平位置和垂直位置的变化数值。第五步数据处理将计算值存入数据文件，若误差大于设定值，则进行报警。以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种隧道结构沉降变形自动群测方法，其特征在于所述群测方法主要包括以下步骤 在隧道测点位置分别布置激光组件； 依次激励所述激光组件向一目标靶发射激光； 依次采集各激光组件所发出激光在所述目标靶上的成像位置与入射角度，通过计算得出各激光组件所在测点的水平位置数值与垂直位置数值； 比较本次测得的水平位置数值与垂直位置数值与上一次测得的水平位置数值与垂直位置数值，得出所述测点的水平位置偏移与垂直位置偏移。
2.如权利要求I所述的隧道结构沉降变形自动群测方法，其特征在于 所述激光通过一防护玻璃后投射于一前幕布并在所述前幕布上成像； 所述激光进一步透射所述如.布投射于一后.布并在所述后.布上成像； 分别通过一电子照相机采集所述前幕布与所述后幕布上所成的像，获取成像位置与入射角度。
3.—种隧道结构沉降变形自动群测系统，其特征在于所述群测系统包括 一目标靶，所述目标靶安装于隧道结构上； 一主控制器，所述主控制器电连接所述目标靶； 复数激光组件，所述激光组件分别布置于隧道测点位置，所述激光组件电连接所述主控制器。
4.如权利要求3所述的隧道结构沉降变形自动群测系统，其特征在于所述目标靶包括一机箱，所述机箱的前端设有一防护玻璃，所述机箱内距离所述防护玻璃一段距离处倾设有一前幕布，距离所述前幕布一段距离处设有一与所述前幕布平行的后幕布，所述机箱内还架设有二电子照相机，所述电子照相机的镜头分别正对所述前幕布与所述后幕布的中心，所述电子照相机电连接所述主控制器。
5.如权利要求3所述的隧道结构沉降变形自动群测系统，其特征在于所述激光组件包括一激光发射器以及一电连接所述激光发射器的控制单元，所述控制单元电连接所述主控制器。
全文摘要
本发明公开了一种隧道结构沉降变形自动群测方法，在隧道测点位置分别布置激光组件；依次激励所述激光组件向一目标靶发射激光；依次采集各激光组件所发出激光在所述目标靶上的成像位置与入射角度，通过计算得出各激光组件所在测点的水平位置数值与垂直位置数值；比较本次测得的水平位置数值与垂直位置数值与上一次测得的水平位置数值与垂直位置数值，得出所述测点的水平位置偏移与垂直位置偏移。所述主控制器在一个采样周期内处理所述目标靶内采集的图像信息，计算激光在所述目标靶的位置和角度数值并与测点标定值比较，得出隧道结构沉降变形的水平偏差值和垂直偏差值，实现隧道结构沉降变形的数据处理功能。
文档编号G01C5/00GK102661737SQ20121017405
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者朱雁飞, 杨宏燕, 秦立祥, 裴烈烽 申请人:上海隧道工程股份有限公司