一种隧道沉降收敛自动测量系统的制作方法
本发明属于隧道监控量测技术领域，特别涉及一种用于测量隧道拱顶下沉、净空收敛和地表沉降的测量仪器设备及测量方法。
背景技术：
在隧道建设过程中要对围岩的沉降、收敛变形进行及时准确的测量与分析，以确保施工安全及结构的长期稳定性，有效指导施工、避免地质灾害和施工事故的发生，积累量测数据、为信息化设计与施工提供依据。例如，铁路隧道监控量测技术规程(q/cr9218-2015)4.1.4条规定：监控量测工作应随施工工序及时进行，测点应及时埋设，支护后2小时内读取初始数据，并应依据现场情况及时调整监控项目和内容。同时，该技术规程还明确规定了监控量测最重要的必测项目，其中隧道拱顶下沉、净空收敛和地表沉降就是其中的3个。因此，对应的现场测量仪器设备与测量方法的研究是非常重要的。
目前的监控量测大多采用全站仪进行，测量班组一般为11人左右，测量的数据每天上报工管中心。总体来看，现有监控量测采用的仪器设备和测量方法都比较复杂，主要存在以下问题：
一是现场测量费时费力、测量数据处理繁琐、工作效率低，不能实时掌握情况、反馈指导施工，特别是难以掌握初始状态急速沉降情况，给施工安全带来一定隐患；
二是测量工作量较大，甚至会影响施工进度，例如在五级危岩情况下，对拱顶沉降和净空收敛等项目的监控量测，要求间隔6不超过小时，每次测量通常需要至少3名专业人员约2个小时完成，而对于每个测点，通常需要持续监控一个星期甚至更长时间；
三是因人工操作的偶然性和随机性较多，易出现人为误差，难以满足0.5mm~1mm的测量精度要求。
四是施工与测量相互干扰，特别是在喷锚、出渣或大型车辆出入等情况下，会直接影响监控测量人员工作和安全。
目前精确快速的隧道监控量测手段和仪器设备仍在不断研究之中，但还没有行之有效的完善测量方法和仪器设备，特别是也没有与本发明类似的专利申请出现。
技术实现要素：
本发明的目的是为解决上述现有技术设备的不足，提供一种优于当前隧道沉降收敛的测量分析仪器设备及测量方法，可以方便技术人员高效的开展隧道施工的实时现场测量与数据处理工作。本系统为非接触式、自校准、一站式自动化测量系统，既可实现隧道各段的整体移动测量，也可实现单个监测点移动测量；既可同时测量拱顶下沉、净空变化和地表沉降，也可单独测量这3项参数；既可以连续不间断时间监测，也可按要求设置为定时测量；既能在本地自动记录测量数据，也能通过无线网络自动上传测量数据；既可以利用系统自带电池短期独立工作，也可以外接交流电源供电长期工作；既可以通过控制终端现场操作测量，也可以在中心服务器或手持式移动终端完成测量操作。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种隧道沉降收敛自动测量系统，综合采用激光相位测距亚毫米测量技术、精密水准仪测量技术、自组网超低功耗无线通信技术、函数换算间接测量技术、高度基准导入技术、软件化测控技术，以及快速装拆连接方法，保证了系统的高精度和自动化。该系统主要由净空收敛测量单元、沉降测量单元（含拱顶下沉测量装置和地表沉降测量装置）、控制终端、温/湿度传感器、配件（专用测量连通管、连接线缆、反光板等）和一套测控软件组成。
收敛测量单元由激光收发模块、相位比较模块、数据处理模块、调节锁定装置、快速接插头等组成，其中调节锁定装置完成测量激光的瞄准和测量单元的物理固定。
沉降测量单元里的拱顶下沉测量装置由激光收发模块、相位比较模块、数据处理模块、倾角传感器、调节锁定装置、快速接插头等组成，其中倾角传感器完成测量激光的仰角同步。
沉降测量单元里的地表沉降测量装置由高度微变传感器、水平状态显示装置、底座、可调节脚架、快速接插头等组成，其中高度微变传感器完成沉降测量单元的高度基准导入，可调节脚架完成测量单元底座水平状态的微调，快速接插头用于测量人员现场快捷连接测量所需要的连通管以及线缆。
控制终端由数据采集模块、信号处理模块、数据存储模块、自检模块、无线收发模块、电源模块、显控屏、操作面板组成，其中无线收发模块通过wifi/gprs/蓝牙等方式完成控制终端与上位机的通讯、数据上传等功能，电源模块为整个测量系统供电使得测量在没有外接电源的情况下也可以独立进行，显示屏和操作面板可以让测量工作人员完成测量设置、状态查看、系统自检等功能。
测控软件安装在中心服务器或手持式移动终端，通过软件可以远程完成所有控制、测量、数据汇总、过程线生成和显示等操作。
附图说明
图1是测量系统的示意图，其中，1是控制终端，2是沉降测量单元（2.1是拱顶下沉测量装置，2.2是地表沉降测量装置），3是收敛测量单元，4是测量激光，5是专用测量连通管/线，6是反光板，7是中心服务器/移动终端，8是无线收发信道。
图2是拱顶下沉测量原理图，其中1是下沉测量单元，2是测量激光，3是隧道拱顶初始位置，4是隧道拱顶下沉后的位置，5是地表初始位置，6是地表沉降后的位置，7是拱顶下沉测量单元的仰角。
图3收敛测量单元的结构图，其中3.1是激光收发模块，3.2是调节锁定装置，3.3是快速接插头，3.4是状态指示灯。
图4是沉降测量单元的结构图，其中4.1是底座，4.2是激光收发模块，4.3是高度微变传感器，4.4是水平状态显示装置，4.5是快速接插头，4.6是可调节脚架，4.7是调节锁定装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
1.隧道地表沉降的测量
地表沉降通过地表沉降测量装置获得，如附图1所示，在隧道内部地面待测点安放地表沉降测量装置（附图1中的2.2），调整每个测量装置底座下面的可调节脚架（如附图4中的4.6），同时观察底座上的水平状态显示气泡（如附图4中的4.4），完成测量单元的水平微调，如果想要多个测点同时测量，则在每个测点依次安放并调整好沉降测量装置。依次用专用测量连通管和线缆连接每一个测量装置基座上的快速插头，最后一个测量装置的测量连通管连接到指定的高度基准参考点，最后一个测量装置的测量线缆连接到控制终端。开机后，每个地表沉降测量装置的高度微变传感器就能实时测量本基座的真实高度相对于高度基准参考点的变化，并通过测量线缆把每个测点的沉降值发送到控制终端的数据采集模块，控制终端把采集到的所有数据处理后保存并通过无线收发模块上传到中心服务器或手持移动终端。测量工作人员可以在现场直接操作控制终端，也可以通过中心服务器甚至手持移动终端随时查看测量数据、改变测量设置，从而实现对每个测点的长期不间断测量。
2.隧道净空收敛的测量
净空收敛的测量可以通过直接测量隧道内壁的相对距离微变得到，如附图1所示，在隧道内壁的预留测点位置安装收敛测量单元（如附图1中的3），调节该装置，使得测量激光垂直于隧道内壁射向对面隧道内壁上的反光板，然后通过调节锁定装置（如附图3中的3.2）固定锁死，如果想要多个测点同时测量，则在每个测点依次安装并调整好收敛测量单元，同时在每个收敛测点的下方地面布置一个地表沉降测量装置（如附图1中的2.2），按照附图1所示依次连接好所有收敛测量单元和地表沉降测量装置的测量线缆，最后连接到控制终端。开机后，每个收敛测量单元的激光收发模块发射激光束（如附图1中的4），通过相位干涉原理获得隧道内壁的相对距离微变，并通过测量线缆把每个测点的微变值发送到控制终端的数据采集模块，控制终端把采集到的所有数据处理后保存并通过无线收发模块上传到中心服务器或手持移动终端。测量工作人员可以在现场直接操作控制终端，也可以通过中心服务器甚至手持移动终端随时查看测量数据、改变测量设置，从而实现对每个测点的长期不间断测量。
3.隧道拱顶下沉的测量
隧道拱顶下沉的测量可以通过函数换算间接测量得到，如附图1所示，在靠近隧道内壁的稳固地面放置沉降测量单元（如附图1的2），先调整每个测量装置底座下面的可调节脚架同时观察底座上的水平状态显示气泡，完成测量单元的水平微调，然后调整测量单元的激光收发模块（如附图4中的4.2），使得测量激光射向隧道拱顶内壁上的反光板，然后通过调节锁定装置（如附图4中的4.7）固定锁死。如果想要多个测点同时测量，则在每个测点依次安放沉降测量单元，调整好其顶部的拱顶下沉测量装置，使得每个测量激光都打向对应的反光板。依次用专用测量连通管和线缆连接每一个测量装置基座上的快速插头，最后一个测量单元的测量连通管连接到指定的高度基准参考点，最后一个测量单元的测量线缆连接到控制终端，开机后，每个沉降测量单元通过测量线缆把每个测点的地表沉降值和与隧道拱顶之间的距离发送到控制终端的数据采集模块，控制终端把采集到的所有数据处理后保存并通过无线收发模块上传到中心服务器或手持移动终端。测量工作人员可以在现场直接操作控制终端，也可以通过中心服务器甚至手持移动终端随时查看测量数据、改变测量设置，从而实现对每个测点的长期不间断测量。
3.1函数换算间接测量
拱顶下沉的测量原理如附图2所示，通过拱顶下沉测量单元能够得到其相对于拱顶的实时距离，不失一般性，设3拱顶的初始位置是b，与测量单元之间的对应距离为r，4拱顶下沉后的位置是b、，对应的距离为r、，7测量激光的仰角为θ，则存在以下几何关系：
所以，拱顶下沉的值
3.2高度基准的导入
如果此时地面也发生了沉降，从初始位置a下沉到位置a、，则拱顶下沉的真实值可以表示为：
其中，地表高度的变化值
最后说明的是，以上优选实施例仅用于详细描述本发明的技术方案而并非对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员应当明白，在本发明技术方案的基础上，没有经过创造性劳动对其形式和细节上作出的各种改变仍在本发明的保护范围以内。
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