一种隧道横断面几何形态检测装置及检测方法与流程

本发明涉及隧道断面几何检测领域，特别是涉及一种可自动确定隧道轴线的隧道横断面几何形态检测装置及检测方法，旨在提高隧道横断面检测的精度和效率。

背景技术：

随着社会经济的迅速发展，隧道工程大量涌现，隧道建设的标准也不断提高。在隧道施工过程中，常会遇到超欠挖的情况，超挖会增加开挖和初支成本，欠挖会导致隧道净空不够、影响初支质量，进而影响结构安全。在隧道运营过程中，结构可能出现收敛变形，不仅影响隧道的正常使用，还会危害到隧道结构的安全。准确测量隧道超欠挖及隧道变形等情况，及时发现隧道的薄弱部分，对于保证隧道施工运营的安全具有重要意义。

传统隧道断面测量技术主要使用收敛计、水准仪、全站仪等仪器。

收敛计是用于测量两点之间相对距离的一种便携式仪器，适用于测量隧道两侧的相对位移。将预埋件放入隧道两壁的基准点中，然后用收敛计将两基准点连接。当两基准点间随时间发生相对位移时，收敛计会自动保存不同时间内所测的相对位移。水准仪是建立水平视线测定地面两点间高差的仪器，用于测量拱顶位移和地表位移，通常与收敛计配合使用，同时获取隧道的横向位移和纵向位移。全站仪，即全站型电子测距仪，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。全站仪可通过直接测取断面上界限控制点的三维坐标进行隧道断面轮廓测量。另外还有基于激光扫描的隧道断面测量技术。

目前采用收敛计，可以较为准确测量测点之间的距离，但无法获取全断面的形状；全站仪、水准仪，通常限于测量少量点的坐标，检测效率低下，因此无法获取隧道全断面几何形态。三维激光扫描，可以获取隧道三维几何形态，但仪器价格高，点云数据处理时间长，且扫描速度较慢。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种成本低、测量速度快、测点多、且能获取隧道全断面几何形态的隧道横断面几何形态检测装置及检测方法。

为达到上述目的，本发明提出一种隧道横断面几何形态检测装置，其包括定位纠偏系统、测量系统、数据处理与存储系统、控制系统、输入系统、输出系统及底座，所述定位纠偏系统连接测量系统，所述定位纠偏系统通过所述控制系统连接所述数据处理与存储系统，所控制系统通过控制线连接所述测量系统，所述输入系统连接所述控制系统，所述输出系统连接所述数据处理与存储系统；所述定位纠偏系统用于测量前的隧道水平、倾斜以及轴线纠偏，所述测量系统用于隧道轴线纠偏与断面轮廓测量阶段的数据采集，所述数据处理与存储系统将采集的数据进行处理得到隧道轴线坐标、断面轮廓线及可视化结果；所述控制系统控制所述测量系统的旋转以及数据的采集频率；所述输入系统与输出系统用于参数输入以及数据与分析结果的导出。

所述定位纠偏系统包括基座、整平单元、水平刻度盘、竖直刻度盘及转动单元，所述转动单元能驱动检测装置主体沿所述水平刻度盘转动及驱动所述测量系统沿所述竖直刻度盘转动，所述转动单元包括水平转轴与竖直转轴，所述水平转轴位于所述基座上部，控制检测装置主体沿水平刻度盘转动，所述水平转轴与所述水平刻度盘平行，该水平刻度盘周边设有刻度，所述竖直转轴与所述竖直刻度盘平行设置，所述竖直刻度盘周边设有刻度；所述水平刻度盘上设有转台，该转台上设有能罩住该转台的“凹”形壳体。

所述整平单元包括圆水准气泡与三个转角螺旋，该三个转角螺旋设于所述基座与所述水平转轴之间，该圆水准气泡设于所述壳体上表面。

所述测量系统包括测杆、测头转轴、测头及设于该测头相对两端的激光测距仪，所述测头通过所述测头转轴连接所述测杆的一端，所述测杆另一端连接于所述竖直转轴，通过所述控制系统，所述竖直转轴控制所述测杆沿所述竖直刻度盘转动，所述激光测距仪通过所述测头转轴绕所述测杆顶端旋转。

所述控制系统及所述数据处理与存储系统设于所述壳体内的转台上，所述壳体表面设有所述输入系统与所述输出系统，所述壳体内的转台上设有电池组，该电池组为所述控制系统、数据处理与存储系统、输入系统及所述输出系统供电。

所述底座为固定三脚架，该固定三角架包括支座及设于该支座下方的三个伸缩腿，该伸缩腿长度可调，并通过锁紧部固定，所述基座设于该支座之上。

本发明还提供一种隧道横断面几何形态的检测方法，该方法包括：

利用定位纠偏系统对检测装置进行姿态调整，包括：对检测装置进行整平，对检测装置进行隧道倾斜纠偏，对检测装置进行轴线纠偏；

利用测量系统采集隧道断面轮廓极坐标数据，并存入数据处理与存储系统；

利用数据处理与存储系统对轮廓数据进行处理，包括：超欠挖分析，初衬、二衬施工质量分析，运营阶段隧道收敛变形检测；

通过输出系统显示分析结果。

所述对检测装置进行隧道倾斜纠偏的具体操作步骤为：把水平刻度盘的0刻度线方向调整到隧道轴线的迎坡方向，在输入系统中输入轴线坡度值θ后，竖直转轴控制测杆沿竖直刻度盘旋转θ+90°角度，使测杆与隧道底面垂直，完成隧道倾斜纠偏。

所述对检测装置进行轴线纠偏的具体步骤如下：

以检测装置放置位置为原点，以水平刻度盘0刻度线方向为极坐标轴，建立极坐标系；

取水平刻度盘0度方向为测头的电子刻度的0度方向，测头绕测杆旋转一周，得到一组极坐标系下的数据：

(l1a,α1a)，(l1b,α1b),(l2a,α2a)，(l2b,α2b)...(lna,αna)，(lnb,αnb)，将该组极坐标数据输入数据处理与存储系统，通过数据处理与存储系统由最小二乘拟合原理得到隧道两壁的拟合方程la、lb；

求得la、lb在笛卡尔坐标系下的角平分线方程lx，再将其转化为极坐标方程即为隧道轴线方程l轴，其与极坐标轴的夹角即轴线纠偏的角度α；通过控制系统控制水平转轴，沿水平刻度盘旋转相应的纠偏角度，此时水平刻度盘0刻度线与隧道轴线平行，完成轴线纠偏。

所述由最小二乘拟合原理得到隧道两壁的拟合方程la、lb的方式为：

将隧道一侧壁极坐标数据(l1a,α1a)，(l2a,α2a)，...，(lna,αna)通过下述公式转化为一系列笛卡尔坐标点(x1a,y1a)，(x2a,y2a)，...，(xna,yna)；

对于该坐标平面内一系列直线la,假设存在一条最优直线la，满足

由此得到一侧隧道壁上采集离散点的最小二乘拟合直线la，同理可得隧道另一侧壁拟合直线lb。

所述利用测量系统采集隧道断面轮廓极坐标数据的具体方式为：

通过竖直转轴使测杆由与隧道底面垂直的位置回转90度至与隧道底面平行的位置；

测头带动两边激光测距仪旋转360度，控制系统每隔2度记录一次距离数据，可得到360组极坐标数据(d1m,α1m),(d1n,α1n)...(d180m,α180m),(d180n,α180n)；

上述数据忽略了激光测距仪本身尺寸d0的影响，按照下式进行修正：

其中d0为激光测距仪两端之间距离，由此得到修正后的标准断面轮廓极坐标数据(l1m,α1m),(l1n,α1n)...(l180m,α180m),(l180n,α180n)。

所述初衬、二衬施工质量分析包括初衬平整度分析、二衬净空判断、初衬与二衬厚度判断。

本发明隧道横断面几何形态检测装置具有测点多、测量速度快、成本低等优点。使用该检测装置测量得到断面形态的同时，还可以对隧道的平整度、超欠挖情况作出判断，对衬砌的厚度、隧道的变形进行计算，适用于各种断面的隧道。

附图说明

图1为本发明隧道横断面几何形态检测装置结构示意图；

图2为本发明中的定位纠偏系统结构示意图一；

图3为本发明中的定位纠偏系统结构示意图二；

图4为本发明中定位纠偏系统内的结构示意图；

图5为本发明中测量系统结构示意图；

图6为本发明中的固定三脚架底座示意图；

图7为本发明实施例中倾斜纠偏示意图；

图8为本发明实施例中轴线纠偏原理图；

图9为本发明实施例中轴线纠偏过程示意图；

图10为本发明实施例中测量前测杆调节示意图；

图11为本发明实施例中激光测距仪单次测量数据示意图；

图12为本发明实施例中断面轮廓测量数据处理原理图；

图13为本发明实施例中断面轮廓测量过程示意图；

图14为本发明实施例中施工质量控制原理图；

图15为本发明实施例中初衬、二衬施工厚度判断原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明的隧道横断面几何形态检测装置，该装置主要用于测量各施工阶段的断面形态，也可在运营阶段进行隧道横断面收敛变形检测与评估。本发明装置的整体结构如图1至图4所示，该装置包括定位纠偏系统、测量系统、数据处理与存储系统15、控制系统14、输入系统7与输出系统及底座11，其中定位纠偏系统连接测量系统，定位纠偏系统通过控制系统14连接数据处理与存储系统15，控制系统14通过控制线连接测量系统，输入系统7连接控制系统14，输出系统连接数据处理与存储系统15。其中定位纠偏系统是本发明的核心组成部分，用于测量前的隧道水平、倾斜以及轴线纠偏；测量系统用于隧道轴线纠偏与断面轮廓测量阶段的数据采集；数据处理与存储系统15将采集的数据进行处理得到隧道轴线坐标、断面轮廓线等可视化结果；控制系统14控制测量系统部件的旋转以及数据的采集频率；输入系统7与输出系统用于参数输入以及数据与分析结果的导出。

如图1-图4所示，本发明中的定位纠偏系统包括基座9、整平单元、水平刻度盘10、竖直刻度盘5与转动单元，转动单元能驱动本发明的装置主体沿水平刻度盘10转动及驱动测量系统沿竖直刻度盘5转动，转动单元包括水平转轴16与竖直转轴12，水平转轴16位于基座9上部，控制检测装置主体沿水平刻度盘10转动，水平转轴16与水平刻度盘10平行，该水平刻度盘10周边设有刻度。竖直转轴12与竖直刻度盘5平行设置，竖直刻度盘5周边设有刻度。本发明中的水平刻度盘10上设有转台100，转台100上设有“凹”形壳体8，该壳体8罩住转台100，竖直刻度盘5与竖直转轴12位于转台100中部壳体外，该壳体8内转台100上设有电池组13，为数据处理与存储系统15、控制系统14、输入系统7及输出系统提供电力。本发明中的水平刻度盘10与竖直刻度盘5均包括实体和电子两部分。实体刻度盘用于显示对应部件当前位置，辅助人工观察，电子刻度盘则用于读取对应部件的转动角度。壳体8选用高密度塑料，保护内部组件免受室内灰尘与水汽及其他不可抗力的影响，增加美观与一体性。电池组13采用可拆卸更换充电的电池供电。

本发明中的整平单元包括三个转角螺旋17与圆水准气泡6，该三个转角螺旋17设于基座9与水平转轴16之间，该圆水准气泡6设于壳体8上表面。

本发明中的测量系统用于隧道轴线纠偏与断面轮廓测量阶段信息的采集。如2、图3与图5所示，本发明中的测量系统包括测杆4、测头转轴1、测头2及设于测头2相对两端的激光测距仪3，测头2通过测头转轴1连接测杆4的一端，测杆4另一端连接于竖直转轴12，竖直转轴12控制测杆4沿竖直刻度盘5转动，激光测距仪3可通过测头转轴1绕测杆4顶端旋转。

本发明的隧道横断面几何形态检测方法主要包括：

首先，定位纠偏系统用于在选定检测断面位置后，对装置姿态进行调整，以保证激光测距仪所测量的隧道断面为标准断面。纠偏过程分为整平、倾斜纠偏以及轴线纠偏三个环节。

①对装置进行整平

在确定并记录所测量断面的里程数后，用底座(如三脚架)进行粗略整平，接着手动调节三个转角螺旋至圆水准气泡居中，完成装置的整平工作，此时装置主体处于水平位置。

②对装置进行隧道倾斜纠偏

由于隧道在竖直方向上存在坡度，因此需要对装置进行竖直方向上的倾斜纠偏。具体操作步骤为：把水平刻度盘的0刻度线方向调整到隧道轴线的迎坡方向。此时经过整平后，测杆处于水平位置，如图7初始状态所示。在输入系统中输入轴线坡度值θ(由实际工程设计给出)后，竖直转轴控制测杆沿竖直刻度盘旋转θ+90°角度，使测杆与隧道底面垂直，完成隧道倾斜纠偏，如图7倾斜纠偏所示。

③对装置进行轴线纠偏

为使所测断面与标准断面重合，测量时装置的测杆应平行于隧道轴线，因此对仪器进行轴线纠偏。轴线纠偏的原理如下：如图8所示，以检测装置放置位置为原点，以水平刻度盘0刻度线方向为极坐标轴，建立极坐标系。取水平刻度盘0度方向为测头的电子刻度的0度方向，测头绕测杆旋转一周，得到一组极坐标系下的数据：

(l1a,α1a)，(l1b,α1b),(l2a,α2a)，(l2b,α2b)...(lna,αna)，(lnb,αnb)，将该组极坐标数据输入数据处理与存储系统，数据处理与存储系统可由最小二乘拟合原理得到隧道两壁的拟合方程la、lb，计算原理如下。

首先将(l1a,α1a)，(l2a,α2a)，...，(lna,αna)，通过下述公式转化为一系列笛卡尔坐标点(x1a,y1a)，(x2a,y2a)，...，(xna,yna)。

对于该坐标平面内一系列直线la,假设存在一条最优直线la，满足

由此得到一侧隧道壁上采集离散点的最小二乘拟合直线la，同理可得lb。

在该笛卡尔坐标系上求得la、lb的角平分线方程lx，再将其转化为极坐标方程即为隧道轴线方程l轴，其与极坐标轴的夹角即轴线纠偏的角度α。水平转轴通过控制系统控制，沿水平刻度盘旋转相应的纠偏角度。此时仪器水平刻度盘0刻度线与隧道轴线平行，轴线纠偏完成。如图9所示。

其次，利用测量系统采集隧道断面轮廓极坐标数据，并存入数据处理与存储系统。本发明测量系统中的激光测距仪采用高精度激光测距仪，分辨率达到0.1mm量级，满足施工质量控制与隧道变形监测要求。此外激光测距仪能够实时测距，光点每变动一次，读数都会相应改变。激光测距仪在绕测头转轴旋转时，控制系统可通过定位纠偏系统的电子刻度盘记录测头所旋转的角度以及每个角度对应的距离数据。本发明测量系统可进行断面轮廓测量，如图10所示，轴线纠偏后测杆隧道底面垂直，断面轮廓测量时测杆回转90度至与隧道底面平行的位置。测头带动两边激光测距仪旋转360度，控制系统每隔2度记录一次距离数据，如图11所示。

两个激光测距仪可得到360组数据(d1m,α1m),(d1n,α1n)...(d180m,α180m),(d180n,α180n)，上述数据忽略了激光测距仪本身尺寸d0的影响，按照下式进行修正：

由此得到修正后的标准断面轮廓极坐标数据：

(l1m,α1m),(l1n,α1n)...(l180m,α180m),(l180n,α180n)，如图12所示，存入数据处理与存储系统。

在选定检测位置，对检测装置进行整平后，完整的测量过程如图13所示。

另外，本发明利用数据处理与存储系统对轮廓数据进行处理，包括：超欠挖分析，初衬、二衬施工质量分析，运营阶段隧道收敛变形检测。如图4所示，本发明的控制系统14及数据处理与存储系统15设于定位纠偏系统壳体内的转台100上，其中数据处理系统用于对用户输入以及从激光测距仪采集到的数据作进一步处理，结合已有数据和结果得到可用于输出与分析的结果。数据处理的过程及原理如下。

(1)超欠挖分析

在钻爆法施工阶段，为判断某一进尺的超欠挖情况，需要得到该进尺的爆后断面轮廓，并与设计的标准轮廓断面b1(如图14(a)、(b)、(c)中粗体虚线)作比较。原理如下：

以测头转轴为原点，水平方向为极轴建立极坐标系。激光测距仪与水平方向的夹角记为α，将测距仪测得的数据点在极坐标系上表示出来，采用逐点连线的方式可得到隧道的实际断面轮廓a1，如图14(a)中的曲线所示。

以底面中点为基准原点，将a1与b1在同一坐标系中表示出来，其中检测装置所采集的数据极坐标转化为笛卡尔坐标，以其中一个激光测距仪的第i组坐标为例，转化公式如下：

其中：(x0,y0)为极坐标原点在笛卡尔坐标系中的坐标，x0,y0分别为测量设备与隧道底边中点的水平与竖直距离，在极坐标内自动计算得出。

比较实际断面轮廓a1与标准断面轮廓b1，分别用不同的灰度表示超挖和欠挖情况，对于超挖(欠挖)部分，将轮廓线相差超过50mm、100mm及200mm部分分别用不同灰度值标记出，表示超挖(欠挖)合理、不合理以及严重不合理的情况。假设超挖部分用深色灰度表示，欠挖部分用浅色灰度表示，则爆后断面超欠挖情况如图14(c)所示。

(2)初衬、二衬施工质量分析

①初衬平整度分析

钻爆法隧道常通过喷射混凝土施作初衬，以稳固围岩。为判断初衬的施工质量，在施作初衬后，扫描获得初步衬砌断面轮廓a2(原理同图12)，根据工程对应的安全等级可确定初衬的施工厚度及标准，再根据b1可得到初衬标准轮廓断面b2，标记出初衬实际施工质量情况(原理同图14)。

②二衬净空判断

二衬施作后的断面轮廓需满足净空要求。同理，比较二次衬砌的断面轮廓a3与二次衬砌标准轮廓断面b3，可判断二衬的净空是否满足设计要求。

③初衬、二衬厚度判断

如图15中(a)、(b)、(c)所示，对于同一检测位置，比较初衬的断面轮廓a2与爆后实际断面轮廓a1，二衬的断面轮廓a3与初衬断面轮廓a2，可分别判断锚喷混凝土厚度以及二次衬砌的实际厚度，对厚度不达标的部分做进一步处理，辅助控制施工质量。图15中(a)、(b)、(c)分别为导入断面轮廓、厚度标定、厚度测量结果图，图15(c)中颜色灰度越深，厚度越大。

(3)运营阶段隧道收敛变形检测

在隧道运营阶段，记每次检测衬砌断面得到的断面轮廓为xi，可得到某位置不同阶段的收敛变形量、总变形量以及变形速度等。

通过上述测量与分析，将数据结果通过输出系统显示出来。本发明中数据存储系统的作用是将实时采集的测量数据以及处理得到的数据存储起来，再根据需要传送到其它设备如计算机与输出系统等中，供进一步的处理或利用，数据存储系统有内存储器和存储卡两种。

本发明的控制系统用于在纠偏阶段以及断面测量阶段根据输入的指令控制测量系统的部件执行对应的功能，包括测杆绕竖直转轴的竖向转动，检测装置绕水平转轴的水平转动，测头的旋转以及测头所旋转的角度、测头所测量距离的数据记录工作。控制系统由模块电路以及对应功能的电机组成。

本发明的输入系统7的功能为在人机交互过程中执行数值或指令的输入功能，如倾斜纠偏及隧道轴线纠偏模式的选择，倾斜纠偏时倾斜角的输入、里程数的输入等。输入系统连接控制系统，如图2所示，输入系统7设于定位纠偏系统的壳体8上，输入系统主要为键盘，包括电源按钮、数字键、模式键(包括倾斜纠偏、轴线纠偏及断面测量三个功能模式)及辅助操作键(确定、返回、前一项、后一项)。

本发明的输出系统执行数据处理与存储系统中结果的显示与导出。主要包括显示屏与usb接口(如图2所示)，显示屏可显示当前断面的施工质量收敛变形等，接口可将记录的原始数据(包括测点里程、断面点坐标)及分析结果导出，以用于进一步处理分析。本发明中的输入系统与输出系统可集成在一起。

在隧道施工阶段，本发明检测装置的底座11为固定三脚架，如图6所示，该固定三角架包括支座18及设于支座下方的三个伸缩腿20，伸缩腿20可以调节长度，并通过锁紧部19固定，可以对检测装置进行粗略整平。定位纠偏系统的基座9设于该支座18之上。在隧道运营阶段使用时，可将固定三脚架底座替换为移动底座，通过轨道或地面移动装置，进行隧道横断面检测。在用于运营期的有轨隧道时，由于轨道基本与隧道断面垂直，故不需进行纠偏。

本发明具有以下实际有益效果：

(1)本发明隧道横断面几何形态检测装置可自动进行轴线纠偏，该检测装置可通过激光测距仪测量得出隧道两壁的方向，进而得出隧道轴线的方向，并自行转向修正。该方式可确保测量断面为与隧道轴线垂直的标准横断面，有效提高测量精度。

(2)本发明提供一种在有坡度的隧道中测量横断面的修正模式，在该模式中输入设计隧道坡度或施工监测修正隧道坡度，检测装置中的测杆会自行转动相应坡度角，确保测量断面为与隧道底面垂直的断面，有效提高测量精度。

(3)本发明提供一种用于轴线纠偏过程的数值处理方法，通过最小二乘拟合原理得到隧道两壁的拟合方程，并将两壁的角平分线方程作为测得的隧道轴线方向。

(4)本发明测量速度快，成本低，在完成测量工作后，可对数据做进一步处理：①通过比较所测断面几何形态和标准断面几何形态，对所测断面进行质量判断。②通过比较不同施工阶段的所测断面形态，可对全断面中初衬和二次衬砌的厚度做出判断。③通过比较运营期间同一断面不同时间的断面形态，可对全断面的收敛变形参数(总变形量、变形速度等)进行评估。

(5)通过装配固定三脚架底座，可在无轨隧道中进行断面测量工作；通过装配移动底座，可在有轨隧道中进行断面测量工作。在施工隧道中，可通过测量判断断面施工质量及衬砌厚度；在运营隧道中，可通过测量判断断面的收敛变形情况。

本发明隧道横断面几何形态检测装置制作简单，经济成本低，只需要一人操作。在测量过程中，测量员只需要对装置进行安置和简单的指令控制，即可实现快速的隧道全断面检测作业；并且可以通过更换底座，实现有轨、无轨隧道中的断面测量，还可以用于施工隧道及运营隧道的断面测量工作中，适用范围广。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。