一种隧道轴向变形量的测量系统及方法与流程

本发明涉及隧道建设领域，具体为一种隧道轴向变形量的测量系统和方法。

背景技术：

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式，为了保证隧道的安全运行，人们需要定期对隧道进行安全检测，其中就要判断隧道墙上是否有裂缝并检测隧道在轴向上的变形量。

对地铁隧道裂缝进行监测，目前采用振弦式传感器、电阻应变，上述设备测量的数据需转换才能识别隧道的变形量，而且数据处理较复杂，精度很难。如果采用光纤传感器监测技术，该方法存在着成本太高，而且传感系统的延伸率有限。

针对上述问题，有必要设计一种新的测量系统，实现隧道变形量的快速精确检测。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种隧道轴向变形量的测量系统及方法，采用光学原理对隧道的轴向变形量进行测量，提高测量效率和精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种隧道轴向变形量的测量系统，包括激光发射器、光电显示板，沿隧道轴线间隔设置的两个反光板，两个反光板对称设置，且与隧道的轴线垂直，该轴线为直线；

所述激光发射器和光电显示板设置在其中一个反光板上，或分别设置在两个反光板上，激光发射器和光电显示板分别设置在反光板的上下两端，激光发射器发出的光束经过多次反射后能够照射在光电显示板上。

优选的，所述反光板通过调节装置与底座连接，底座固定在隧道的侧壁上，调节装置用于调节反光板的角度。

优选的，所述反光板固接在护板上，护板通过调节装置与底座连接。

优选的，所述调节装置包括轴套、转轴和锁紧装置，所述轴套设置在护板的侧壁上，并向底座的一侧延长，转轴设置在底座上，并且转轴的端部配装在轴套中，锁紧装置用于对轴套的旋转方向限位。

优选的，所述限位装置为螺母，所述轴套与转轴通过螺纹连接，螺母设置在转轴上。

优选的，所述护板与底座之间设置有支撑装置，其包括支撑杆和滑槽；

所述支撑杆与转轴平行设置，支撑杆的一端与护板固接，滑槽设置在底板的表面，支撑杆的端部配装在滑槽中，并能够沿滑槽移动。

优选的，所述滑槽为弧形槽，圆心与旋转轴同心。

优选的，所述支撑杆的端部设置有轴承，轴承位于滑槽中。

优选的，与激光发射器正对的反光板上设置有校准点，激光光束照射在校准点上，用于校准两个反光板的平行度。

一种隧道轴向变形量的测量系统，包括以下步骤：

步骤1、在未变形的隧道上沿其轴向间隔设置标记点；

步骤2、隧道变形后，在变形区域两侧的两个标记点安装底座，并在底座上安装带有反光板的护板，使反光板与隧道的轴向垂直，并且使反光板的表面与标记点平齐；

步骤3、调节激光发射器的发射角度，向正对的反光板发射激光光束，激光光束经过多次反射后照射在光电显示板上；

步骤4、获取激光从发射至照射在光电显示板的这一阶段内在两平面间折返的光线数量n，以及激光的发射角度θ，两个标记点的初始距离l，根据获取的参数计算计算轴向变形量为l；

其中，△l为激光发射器的边长，h1为与激光发射器同一护板上反光镜的高度，h为光点在光点显示板上的刻度值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种隧道轴向变形量的测量系统，包括沿隧道轴向间隔设置的两个反光板，两个反光板相互平行并与隧道的轴向垂直，在反光板的上端和下端设置激光反射器和光电显示板，激光发射器发射的管束经过多次反射照射在光电显示板上，进而根据光点的成像位置与光源的起点之间的距离，以及光束的折射线的数量，以及光线的反射角度，将光路等价为三角形进而计算隧道的轴向变形量，该装置结构简单，便于操作，同时利用光束线作为计算参数，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明测量系统的正视图；

图2为本发明测量系统的俯视图；

图3为本发明测量系统的侧视图；

图4为本发明护板的侧视图；

图5为本发明底板的正视图。

图中：1、护板；2、反光板；3、光电显示板；4、激光发射器；5、底座；6、支撑杆；7、轴承；8、轴套；9、转轴；10、锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1-5，一种隧道轴向变形量的测量系统，包括激光发射器4、光电显示板3，沿隧道轴线间隔设置的两个反光板，两个反光板对称设置，且与隧道的轴线垂直，所述轴线为直线；

所述激光发射器4和光电显示板3设置在其中一个反光板2上，或分别设置在两个反光板2上，激光发射器4和光电显示板3分别设置在反光板的上下两端，激光发射器4发出的光束经过多次反射后能够照射在光电显示板3上。

上述反光板2通过底座5固定悬挂在隧道的侧壁上，通过悬挂设置便于调节反光板的角度，同时由于反光板采用为玻璃材质容易破损，同时不利于悬挂安装，所述反光板固定在护板上，护板1与底座5连接。

具体的，上述底座5固定在隧道的侧壁上，护板1通过调节装置与底座连接，调节装置用于控制反光板2的光线反射角度。

调节装置包括轴套8、转轴9和锁紧装置，所述轴套8设置在护板1的侧壁上，并向底座的一侧延长，转轴设置在底座的中心，并且转轴的端部配装在轴套中8，轴套与转轴通过螺纹连接，锁紧装置用于对轴套周向限位，也就是对反光板的角度定位。

锁紧装置为锁紧螺母，锁紧螺母套接在转轴9上，当反光板的角度调节完成后，旋转锁紧螺母使其与轴套的端部抵接，即可实现对轴套的周向定位。

在另一实施例中，锁紧装置为顶丝，顶丝设置在轴套上，对轴套周向定位时，旋转顶丝使其端部穿过轴套抵接在转轴上，完成轴套周向定位。

同样的，轴套和转轴也可以换位设置，将轴套设置在底板的中心，将转轴设置在护板的侧壁的中心。

进一步，在护板和底座之间还设置有支撑装置，用于提供反光板的稳定性，支撑装置包括支撑杆6和轴承7，支撑杆与转轴平行设置，支撑杆的一端与护板固接，轴承7设置在支撑杆的另一端，所述底座上与护板正对的表面设置有滑槽，轴承配装在滑槽中，当调节反光板角度时，轴承能够在滑槽中滑动，所述滑槽为弧形槽，护板通过支撑板支撑在底座的滑槽上，将大大减轻转轴的受力，使反光板的调节更加方便。

所述护板上设置有多个支撑装置，优选为两个，分别设置在护板的上下两端。

所述激光发射器4和光电显示板3设置在同一块反光板上，光电显示板位于反光板2的顶部，并且固定在护板上，所述激光反射器位于反光板的底部，也与护板连接。

所述激光发射器4包括壳体，以及设置在其内部可旋转的光源，在壳体的表面设置有分度盘，分度盘为透明状，光源与调节手柄连接，手柄伸出壳体，通过旋转手柄即可调节光源的发射角度。

与激光发射器4正对的反光板上设置有校准点，激光光束照射在校准点上，则两个反光板相互平行。

优选的，所述底座的宽度与护板和反光板总宽度相同，该宽度为沿隧道延长方向的尺寸。

所述刻度板上自下而上设置有刻度线，用于观察接收的激光点的位置。

下面对本发明提供的一种隧道轴向变形量的测量系统的测量方法进行的说明，需要说明的是，该测量系统测量变形量时，需要用到隧道未变形时的轴向数据，因此需要在隧道建成后建立至少两个标注测量点，并记录两个标注测量点之间的距离。

具体包括以下步骤：

步骤1、隧道施工完毕后，沿隧道的轴向在其侧壁上间隔固定距离刻画多个标记点，标记点沿隧道轴向呈直线排列。

步骤2、当隧道投入使用较长时间后且隧道内壁出现裂缝之后，在裂缝部位两侧选取最近的两个标记点，在两个标记点位置分别安装底座，并在底座上安装带有反光板的护板，使反光板与隧道的轴向垂直，并且使反光板的表面与标记点平齐。

在安装过程中，通过调节转轴调节护板的角度，进而实现反光板角度的调节，使反光板与隧道的轴向垂直。

调整反光镜与隧道轴向垂直安置：使护板绕中间转轴转动，同时结合结合激光水平仪观察直至反光镜和隧道轴向垂直。

步骤3、验证两平面反光镜保持平行，调节激光发射器的发射角度为0，此时发射的光线与反观镜垂直，打开激光发射器发射激光，若光束照射在正对反光镜的校准点上，则两个反光板相互平行。

由于两个反光板平行，因此反射光线与入射光线重合，激光原路返回，末端光点呈现板上不会出现光点，所以只要观察到光电显示板上没有出现光点即可证明左右两平面反光镜保持平行。

步骤4、调节激光发射器的发射角度，向正对的反光板发射激光，激光经过多次反射后照射在光电显示板上。

所述发射角度θ的范围为0°﹤θ﹤90°。

步骤5、获取激光从发射至照射在光电显示板的这一阶段内在两平面间折返的光线数量n，光点显示板的高度h2，以及激光的发射角度θ，两个标记点的初始距离l，根据获取的参数计算计算轴向变形量为l。

根据平面反光镜成像特征将原光路等价为直角三角形：

只要光电显示板上呈现有光点，则必定有：

根据数学关系知

解①得

其中，△l为激光发射器的边长，h1为与激光发射器同一护板上反光镜的高度，光点显示板的高度h2，h为光点在光点显示板上的刻度值，光点显示板的0刻度位于光点显示板与反光板的拼接处。

下面对本发明的一种隧道轴向变形量的测量系统的测量方法的测量结果进行分析。

由知利用这套系统和方法测量所包含的误差有两个，一是来自人工对h的读数误差，二是在科学计算时四舍五入所带来的误差，后者难以避免，但可以努力减小前者带来的误差，具体分析如下

两边对l求导,化简得由于人工读数的天然缺陷可知dh在确定范围内无法有效缩小，为了尽可能缩小dl,只能寄希望于增大ntanθ，这样可以有效提高测量的精确度。

根据表达式可知θ与n呈负相关。

其实际指导意义包括：在制造设备时尽可能增大护板的下边缘线到右侧平面反光镜与光电显示板交线的距离h1；在选择底板黏接位置时，适当减小左右两底板的间距，从而减小两平面反光镜的距离l。又当设备制造业已成型和隧道内壁标志点位置确定后，h1，h2，△l和l皆已是确定值，又θ与n呈负相关，在实际测量时，每确定一个θ，根据表达式皆可获得唯一确定的n值，在实际测量中可以调整高精密角度头的角度θ来控制ntanθ使其最大化，所以探寻能使精确度达到允许条件下的最大值时的θ范围便对提高测量精确度具有更切实且重大的意义。以下是基于该目的所设计的实验以及得到的部分数据:

由表中数据可得：△l＝100，h1＝600mm,h2＝100mm,l＝1mm,l＝200mm的条件下，当激光发射角度θ＝19°时，ntanθ最大为3.44。该套测量装置正是依靠微小放大法的核心思想将隧道微小的轴向变形量放大为径向上数倍的变形量，以此来减小测量时人工读数所带来的较大误差。

与传统激光直接测距相比，本方法由于激光发射时存在一定的角度θ，使得光线能在两平面反光镜内反射数十甚至数百次，能将最后人工读数带来的误差给予相应消除。此外，亦可以将该装置固定在隧道内壁上一直不拆卸，通过观察光点显示板上光点的位置移动，经过相关计算实现对隧道轴向变形量的动态测量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。