技术特征：
1.一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其特征在于，包括能在隧道内纵向自由移动的监测台车(1)，在监测台车(1)上设有多件激光射线装置(2)，所述激光射线装置(2)与后台处理系统电信连接；所述激光射线装置(2)用于对支护结构拱顶至拱脚全范围进行相对密集的点激光巡回测量工作，采集监测散点的坐标信息，所述后台处理系统用于通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状，并提取相应特征点的坐标信息并进行坐标换算，可得到施工过程所需要的支护结构变形数据，发出对应等级的预警信息。2.根据权利要求2所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其特征在于：所述监测台车(1)包括与隧道轮廓相对应的拱形桁架(101)，拱形桁架(101)底部设有行走机构(102)；所述激光射线装置(2)为多件环形布设在拱形桁架(101)的前侧面上，以实现对监测台车(1)前方隧道轮廓的全方位检测。3.根据权利要求2所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备，其特征在于：所述激光射线装置(2)包括激光射线头(201)，激光射线头(201)通过能实现其横向偏角和竖向偏角调节的固定架与拱形桁架(101)相连接。4.一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据现场施工需要，在隧道支护结构表面设置多个监测分区；s2、通过巡检方式对监测分区进行相对密集的点激光巡回测量工作，采集监测散点的坐标信息，并通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状；s3、获取特定监测断面轮廓形状上特定特征点在不同时间点的坐标信息，计算提取出所需要的初期支护变形数据；s4、制定相应的支护结构变形风险判定准则，以及相应的预警等级、自动应急措施。5.根据权利要求4所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：所述监测分区沿隧道纵向设置多环，每环上的监测分区沿隧道轮廓拱顶至拱脚全范围设置，并且相邻监测分区的纵向位置一一相对，使其构成多条纵向监测区。6.根据权利要求5所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：采集隧道测量坐标系以及监测散点的单位坐标系，所述的隧道测量坐标系与项目的施工控制网坐标系保持一致；所述的监测散点的单位坐标系以监测散点所在线位的切线线路方向为y轴的正向，竖直方向为z轴方向，其后根据右手定律确定x轴方向；通过免棱镜的测量技术，在后台处理系统内设置相关监测散点的分布规律，采用激光射线装置按相应的分布规律进行点激光巡回测量，得到密集的点坐标，并用其拟合特定断面的隧道轮廓形状，通过多个拟合得到的断面轮廓形状进一步拟合得到三维的隧道空间形状。7.根据权利要求6所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：密集点坐标的采集步骤如下：s2.1、针对每条纵向监测区，设置与之位置相对的激光射线装置，对各台激光射线装置进行编号，采用全站仪测量得到各台激光射线装置的绝对坐标值(x
qm
，y
qm
，z
qm
)，x
qm
、y
qm
、z
qm
分别为激光射线装置q在监测台车第m次移动位置上x、y、z坐标值；s2.2、监测过程中，有次序的调整激光射线装置的横向偏角β和竖向偏角α，使得监测散点相对均匀的分布在支护结构上；
s2.3、首先按固定数值调整横向偏角β进行监测分区的一环测点的测量工作，再按不固定角度ζ调整纵向偏角β，使得激光射线装置进入下一环测点位置并进行点激光测量，循环往复，记录激光射线装置q在监测台车第h移位位置、第m循环监测中，第n环向测线，第k监测散点的监测信息：t
qhmnk-(x
qh
+a
qhmnk
,y
qh
+b
qhmnk
，z
qh
+c
qhmnk
)；s2.4、采用内插的方式，根据前后相邻两条环向测线拟合构建两条环向测线之间特定断面的隧道轮廓形状，使多个拟合的隧道轮廓形状的纵向间距相等；而在隧道轮廓形状上，特定坐标点的坐标信息为前后环向测线上对应监测散点坐标的平均值。8.根据权利要求7所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：采用先调整横向角度，后调整纵向角度的监测散点布置方式，可使得相邻监测散点的监测时间差相对最小，具体调控过程为：(1)初始状态下，纵向角度归零至90度，横向角度调整至所属环向测量分区横向偏角的中间值，并测量巡回监测的测量偏距为d
q
；(2)横向角度调整至环向测量分区横向偏角的下限数值，进行点激光测量，其后按固定数值逐步调整横向偏角至环向测量分区横向偏角的上限数值，每个调整点均进行点激光测量工作，此时完成第一纵向角度断面的全部测量工作；再按不固定角度ζ调整纵向偏角至下一个数值，继续进行点激光测量；循环往复
…
(3)当纵向偏角调整到极限值并完成测量后，一次性调整激光射线装置返回初始状态，即纵向角度归零至90度，横向角度归零至环向测量分区横向偏角的下限数值，并继而开始下一巡回监测工作。9.根据权利要求8所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：所述横向偏角的调整固定数为1度-5度，根据实际需要由后台程序设定；纵向偏角的不固定角度ζ计算公式为：ζ1＝arctan(b/d
q
)ζ2＝arctan(2*b/d
q
)-ζ1…
ζ
n
＝arctan(n*b/d
q
)-ζ
(n-1)
式中，b为相邻环监测散点的纵向间距，根据实际需要由后台处理系统设定；在步骤(3)中，所述纵向角度的极限值为当激光射线的纵向偏角减小到已经照射到掌子面上为止。10.根据权利要求7所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：步骤2.4中，拟合构建隧道轮廓形状的具体过程如下：(1)根据点激光测量得到的监测散点拟合构建多道纵向间距为b的监测断面轮廓形状，构建断面所选用的监测散点为所构建断面前后相邻环监测散点，拟合断面的坐标参数为参与拟合监测散点坐标信息的内插值，时间参数为拟合监测散点监测时间的平均值；(2)根据拟合得到的监测断面轮廓形状，提取监测断面内拱顶、拱腰和拱脚位置特征点的坐标信息和时间参数。11.根据权利要求10所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于：根据特定特征点多个时间点的坐标信息，进行对应时间段内支护结构的变形情况的计
算分析，具体过程如下：第i特征点在t1的监测信息:i-(x
it1
,y
it1
,z
it1
)-t1；第i特征点在t2的监测信息:i-(x
it2
,y
it2
,z
it2
)-t2；(1)特征点i的沉降变形数值计算：δh
i(t2-t1)
＝z
it2-z
it1
特征点i的沉降变形速率计算：δvh
qn(mz-rh)
＝δh
i(t2-t1)
/(t
2-t1)＝(z
it2-z
it1
)/(t
2-t1)(2)特征点i的水平收敛数值计算：(2.1)当特征点单位坐标系y轴正向与隧道测量坐标系y轴正向一致时，即两者的夹角γ＝0度时，支护结构变形计算结果如下：特征点i的水平收敛数值计算：δx
i(t2-t1)
＝x
it2-x
it1
特征点i的水平收敛速率计算：δvx
i(t2-t1)
＝δx
i(t2-t1)
/(t
2-t1)＝(x
it2-x
it1
)/(t
2-t1)特征点i的轴向变形数值计算：δy
i(t2-t1)
＝y
it2-y
it1
特征点i的轴向变形速率计算：δvy
i(t2-t1)
＝δy
i(t2-t1)
/(t
2-t1)＝(y
it2-y
it1
)/(t
2-t1)(2.2)当特征点单位坐标系y轴正向与隧道测量坐标系y轴正向存在夹角时，即两者的夹角γ≠0度时，支护结构变形计算结果如下：δl＝((δx
i(t2-t1)
)2+(δy
i(t2-t1)
)2)
0.5
δ＝arctan(δx
i(t2-t1)
/δy
i(t2-t1)
)θ＝180
°‑
γ-δδx＇＝δl*sinθδy＇＝δl*cosθ上述式中：δl代表特征点在变形前后坐标点的连线长度；γ代表特征点单位坐标系y轴正向与隧道测量坐标系y轴正向的夹角；δ代表特征点变形前后坐标点连线与隧道测量坐标系y轴负方向的夹角；θ代表特征点变形前后坐标点连线与监测散点单位坐标系y轴正向的夹角；δx＇代表特征点单位坐标系x轴方向的位移值，也即特征点的水平收敛值，此时特征点的水平收敛速率为δx＇/(t
2-t1)；δy＇代表特征点单位坐标系y轴方向的位移值，也即特征点的轴向位移值,此时特征点的轴向位移速率为δy＇/(t
2-t1)。12.根据权利要求11所述的基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量方法，其特征在于，根据累计变形数值、变形速率判断监测情况，并通过后台处理系统预设支护结构变形风险判定准则以及相应的预警等级、自动应急措施，进行检测预警；1)累计变形数值判断准则：若监测散点的累计变形数值小于1/3预留变形量，则视为安全，正常监测；
若监测散点的累计变形数值介于1/3～2/3预留变形量之间时，自动将监测频率提高一倍，并通过监测设备的无线通信设施给项目相关负责人发出提醒信号；若监测散点的累计变形数值大于2/3预留变形量之间时，自动将监测频率提高二倍，并通过监测设备的无线通信设施给项目相关负责人发出风险预警信号；2)变形速率判断准则：若监测散点的变形速率小于0.2mm/d,则视为安全，正常监测；若监测散点的变形速率介于0.2mm/d～1mm/d之间时，应自动将监测频率提高一倍，并通过监测设备的无线通信设施给项目相关负责人发出提醒信号；若监测散点的变形速率大于1mm/d时，自动将监测频率提高二倍，并通过监测设备的无线通信设施给项目相关负责人发出风险预警信号。
技术总结
本发明公开了一种基于散点拟合测量的隧道自动化监控测量设备及方法，其包括能在隧道内纵向自由移动的监测台车，在监测台车上设有多件与后台处理系统相连的激光射线装置，多件激光射线装置按设定程序协同对支护结构拱顶至拱脚全范围进行相对密集的点激光巡回测量工作，进而通过监测散点的坐标信息拟合得到特定监测断面的轮廓形状；再通过后台处理系统提取监测断面相应特征点的坐标信息并进行坐标换算，可得到施工过程所需要的支护结构变形数据，实现隧道的全方位实时监测及预警。本发明通操作简便，结构简单，成本低廉，操作灵活性好，可靠性强，功能齐全，推广性高。推广性高。推广性高。
技术研发人员：胡强 李本云 崔炫 李培锋 张安睿 田娇 周刚贵 杨春平 曾仲毅
受保护的技术使用者：贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2022/6/28