一种隧道拱顶的实时标高测量方法与流程

本发明属于隧道监控量测技术领域，特别涉及一种隧道拱顶的实时标高测量方法。

背景技术：

在隧道施工中，需要对围岩、地表、支护结构的变形和稳定状态，以及周边环境动态进行经常性的观察和量测。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。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隧道的拱顶下沉式监控量测的必测项目之一，在实际施工测量中，技术人员通过监测隧道拱顶测点的标高变化来获取测点的相对下沉值。

目前的拱顶标高测量方式，接触式测量方法大多采用精密水准仪和铟钢挂尺，非接触式测量，通常采用全站仪进行，测量的数据每天上报工管中心。总体来看，现有测量仪器设备和测量方法难以解决以下几个问题：一是现场测量需要繁琐复杂的操作或者安装过程，费时费力，测量时效性较差，还没有实现在线实时测量，这造成了监测数据特别是开挖初期的数据缺失较严重；二是测量模型设定比较简单，没有详细分析隧道自身复杂的变形状态和实际施工工况等因素的限定条件；三是测量的整体工作量大，对于每个测点，通常需要持续监控一个星期或更长时间，对于一些强变点，持续监测要求时间甚至超过数月；四是因人工操作和安装过程的偶然性和随机性较多，易出现人为误差，难以满足规程中的测量精度要求；五是测量与施工相互干扰，影响双方工作进度，特别是在喷锚、出渣或大型车辆出入等情况下测量，甚至会直接给监控测量人员的工作带来不安全因素。

因此，隧道施工监控量测的测量方法与测量仪器设备的研究仍然是非常亟需的，目前出现的一些新型监控量测手段和仪器设备如：中国专利申请号cn201621260511.8公开了一种隧道拱顶下沉测量的实用新型专利，该发明采用红外测距装置和数据采集器对拱顶相对下沉进行测量，该系统需要把测距装置埋设在隧道横断面直边的中点，该系统无法对拱顶测点的绝对标高进行测量；中国专利申请号cn201510626712.9公开了一种提高对边测量隧道拱顶下沉精度的发明专利，该发明采用全站仪对边量测法，基于现场隧道拱顶下沉量测实际情况，通过选择合理的后视点及全站仪布设位置，提高测量精度，该方案依然是基于全站仪测量方式，依然无法解决前述操作繁琐复杂、测量时效性较差以及与施工相互干扰等问题；中国专利申请号cn201310259298.3公开了一种隧道收敛位移和拱顶沉降的测量装置及测量方法，该发明基于2个激光测距仪和复杂的几何变换公式，对拱顶下沉和净空收敛进行测量，该方案的测量模型限定为测量设备所在的定线装置(测量基准点)在测量过程中是静止的，其标高测量每次都需要使用精密水准仪配合进行，该方案仍没有解决当隧道自身存在变形造成测量基准点移动情况下的测量问题和实时标高测量问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道拱顶的实时标高测量方法，以方便技术人员准确、实时、高效进行隧道施工的现场测量工作。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种隧道拱顶的实时标高测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在隧道内依据已有的一个基准点(或称控制点)，该基准点的标高设为hjz，进而需要测量的隧道拱顶实时标高为h，h为拱顶被测点与引入到隧道内的基准点之间的高度差；在隧道内壁从上而下依次稳固的安装水箱t1、沉降测量单元t2和基准测量单元t3，确保水箱t1处于高位，沉降测量单元t2处于中位，基准测量单元t3处于低位，并安装在稳定位置处(二衬后隧道壁上)；在隧道拱顶被测点位置安装反光板；

步骤2：测量出基准测量单元t3所在水平面与基准点所在水平面之间的高度差h0，

步骤3：所述基准测量单元t3采用静力水准仪，测量出水箱t1所在水平面与基准测量单元t3所在水平面的相对标高h1；

步骤4：设置有沉降测量单元t2，所述沉降测量单元包括激光测距仪和静力水准仪，测量出水箱t1所在水平面与沉降测量单元t2所在水平面的相对标高h2；

步骤5：计算拱顶被测点所在水平面与所述沉降测量单元t2所在水平面之间的高度差h3；计算方法为：h3＝r*sinθ，式中，r为激光测距仪测得的沉降测量单元t2与拱顶被测点之间的距离，θ为激光测量仪的测线仰角；

步骤6：计算拱顶被测点标高h，h＝h0+h1-h2+h3+hjz。

进一步的，还包括步骤7：通过监测隧道拱顶被测点的标高变化计算出拱顶被测点的相对下沉值，即设前后两个时刻的拱顶被测点标高分别为h1、h2，则拱顶被测点的下沉值是h2-h1。

进一步的，还包括步骤8：以相同水箱t1和相同基准测量单元t3作为参考，在隧道需测量的拱顶被测点处，设置相同的沉降测量单元t2，进而能够同时测得隧道多处拱顶被测点标高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了高精度、非接触、一站式自动化实时在线测量。该系统可以扩展为多个断面拱顶下沉同时进行实时在线测量，只需要增加沉降测量单元即可，不需要技术人员对每个断面都进行基准点标高的人工测量和导入，实现了对隧道内壁下沉或变形等情况下带来的测量误差的消除。因导入的是基于水箱t1所在水平面沉降测量单元和基准测量单元的差值，实现了对水箱内液位变化带来的测量误差的消除。可以扩展为多个断面同时进行实时在线测量，通过循环移动推进的模式完成所有测量任务，不需要技术人员对每个断面都进行基准点标高的人工测量和导入。设备都安装于隧道内壁，不会导致测量和施工的互相影响。

附图说明

图1是本发明隧道拱顶的实时标高测量原理图；其中，t1是水箱，t2是沉降测量单元，t3是基准测量单元，1-拱顶沉降待测点，2-待测点所在平面，3-激光测线，4-沉降测量单元所在平面，5-水箱所在平面，6-基准测量单元基准测量单元所在平面，7-基准点所在平面，8-引入到隧道内的基准点(标高设为hjz)，9-激光测线仰角。

图2是本发明中拱顶下沉测量原理图。

图3是本发明中多断面拱顶标高同时测量原理图；其中，t1是水箱，t2是沉降测量单元，t3是基准测量单元，1-拱顶沉降待测点，2-待测点所在平面，3-激光测线，4-沉降测量单元所在平面，5-水箱所在平面，6-基准测量单元基准测量单元所在平面，7-基准点所在平面，8-引入到隧道内的基准点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，在隧道内壁从上而下依次稳固的安装水箱t1、沉降测量单元t2和基准测量单元t3，确保水箱t1高于后两者，沉降测量单元t2高于后者，在隧道拱顶被测点位置安装反光板。先调整每个沉降测量单元t2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，完成测量装置的水平微调，然后调整测量装置的激光收发模块，使得测量激光射向隧道拱顶测点上的反光板，然后通过调节锁定装置固定锁死，用专用测量连通管接通水箱t1、基准测量单元t3和沉降测量单元t2基座上的快速插头。

如果想要多个断面同时监控量测，则在每个隧道内壁的拱顶被测点依次安装沉降测量单元t2，安装的高度可以不必严格一致，如图3所示，并在对应的每个拱顶被测点安装反光板，和前述基准测量单元t3、水箱t1构成一个测量组，调整好每个激光收发模块，使得每个测量激光都打向对应的反光板，并用专用连通管和线缆连接所有沉降测量单元的快速插头。收到测量指令后，每个被测点沉降测量单元t2里高度微变传感器的测量值，激光收发模块的仰角值，激光测线的距离测量值，以及该测量组的基准高度测量值等参数发送到采控站的数据采集模块，采控站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采控站，也可以通过中心服务器或手持移动终端随时发送测控指令、查看测量数据、改变测量设置，从而实现对每个测点的长期实时在线测量。

如果某断面完成了测量任务，则可以把该断面的沉降测量单元t2移动安装到下一个监控量测断面，连接专用连通管和测量线缆，该测量组的其它设备可以保持不变，从而通过循环移动推进的模式完成所有测量任务，操作和安装过程简单，不需要对每个断面都频繁进行基准标高的测量导入。

拱顶下沉的测量原理如图2所示，通过沉降测量单元能够得到其相对于拱顶测点的实时距离，不失一般性，设拱顶的初始位置是b，与测量装置之间的对应距离为r，拱顶下沉后的位置是b`，对应的距离为r`，激光测线的仰角为θ，则存在以下几何关系：

sinθ＝(b’-b)/(r-r’)

所以，拱顶下沉的值b-b’可以表示为：

b’-b＝(r-r,)×sinθ

如果此时沉降测量单元所在平面也发生了沉降或者其它原因引起的高度变化，从初始位置a下沉到位置a`，则拱顶下沉的测量值可以表示为：

拱顶下沉测量值＝[(r-r’)×sinθ]-(a’-a)

其中，沉降测量单元t2所在平面高度的变化值(a’-a)可以通过装置内的高度微变传感器测量得到。

本发明还包括高度误差的差分自动消除。因为拱顶下沉的测量值包含沉降测量单元所在平面高度的变化值(a’-a)，所以，当隧道内壁发生了变形或者沉降时；当水箱内液体因长期工作而挥发或者出现微小渗漏而减少时；当测量系统安装移动到不同断面测点时；或者其它一些外界因素，都会给测量系统带来误差，使得无法获取真实标高值h。

如图1和图3所示，通过基准测量单元t3，可以完成基准点标高对本测量系统的导入，从而完成拱顶测点标高值的实时测量，并联合高度微变传感器，通过相对标高的差值(h1-h2)完成高度误差，水箱液面变化，以及安装点变化等因素带来的系统误差的自动消除。

为实现本发明所述的测量方法，需要涉及到的装置包括：沉降测量单元t2，基准测量单元t3，采控站，温/湿度传感器、配件(连接线缆、反光板等)和测控软件。

沉降测量单元t2由激光收发测量模块、数据处理模块、高度微变传感器、倾角传感器、调节锁定装置、快速接插头、水平状态显示装置、可调节脚架等组成，其中高度微变传感器用以完成沉降测量单元的高度值监测，倾角传感器用以完成激光测线的仰角同步，调节锁定装置用以完成激光收发测量模块的微调瞄准和锁定，快速接插头用以工作人员现场快捷连接测量线缆，可调节脚架用以测量装置底座水平状态的微调。

基准测量单元t3用以完成本测量系统对基准点标高的导入，从而完成拱顶测点标高值的实时监测，并联合高度微变传感器完成隧道内壁出现复杂变形、安装点更新等因素带来的系统误差的自动消除。

采控站由数据采集模块、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/蓝牙等方式完成采控站与上位机的通讯、数据上传等功能，电源模块为整个测量系统供电使得该系统在没有外接电源的情况下也可以独立工作，显示屏和操作面板用以完成状态查看、测量设置、系统自检等功能。

测控软件安装在中心服务器和手持式移动终端，通过软件可以远程完成所有测量、数据汇总、过程线生成和显示控制等操作。