地下洞室横断面三维变形的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩体工程测量技术领域，尤其是设及一种测量井下巷道等地下桐室的 横断面=维变形的方法。
【背景技术】
[0002] 地下桐室开挖后，岩体的原岩应力状态遭到了破坏，引起应力重新分布，地下桐室 的围岩向临空面发生位移变化，会出现底臓、顶沉、两帮收缩等变形特征。地下桐室变形灾 害一直是影响地下工程安全生产的主要因素。岩体位移及变形数据是研究地下桐室变形灾 害防治的基础，准确获取其横截面=维变形情况是控制地下桐室稳定、确保工程顺利开展 的重要保障。而现有技术中并不存在能够准确测量地下桐室横断面=维变形情况的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是为了克服现有方法无法准确测量地下桐室横断面 =维变形情况的缺点，提供一种地下桐室横断面=维变形的测量方法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：地下桐室横断面=维变形的测量方 法，包括W下步骤：
[0005] 步骤一.在待测横断面上布置四个定位基点A、B、C、D，四个定位基点分别位于待 测横断面的四条边上，其中，A为下部基点，B为右侧基点，C为上部基点，D为左侧基点；
[0006] 步骤二.W定位基点A为坐标原点（0,0,0)建立S维空间坐标系，在该S维空间 坐标系中分析各定位基点，=维空间坐标系的建立过程如下：WA点为原点，W初始地下桐 室横断面俯视逆时针旋转90°后AB的水平投影指向为X轴，W水平垂直X轴于A点指向实 际D基点所在一侧的方向为y轴，W垂直xy平面于A点竖直向上的方向为Z轴；
[0007] 步骤依次获得相邻的两个定位基点之间的初始距离、初始方位角及初始倾 角，即得到 AB〇 (幻0，趴0，化〇)、B〇C〇 (6"，户占0，白占0)、D〇C〇 (c〇，祈0，0(々）、AD〇 (成，細，如0)， 曰〇、13〇、(3〇、(1〇分别为八8〇、8〇(：〇、0〇(：〇、八0〇的间距，取城、辦如昨自、獅自分别为八8〇、8〇(：〇、0〇(：〇、八0。 的方位角，0。。、0帕、0。。、0*分别为48。、8。(：。、〇。(：。、4〇。的倾角，所述方位角的范围为[0。， 360° )，所述倾角的范围为（0°，90° );
[000引步骤四.利用W下公式计算各初始定位基点B。、C。、0。的；维坐标，其中 [0009]B。的坐标（XB。，ye。，Zb。）为
[001引式中，a为地下桐室轴屯、线的方位角，即X轴正向的方位角，
[0014] C。的坐柄（XC。，yc。，Zco)为
[0022] 步骤五.在地下桐室发生变形或间隔一定时间后测量相邻的两个定位基点之间的 距罔、方位角及倾角，得到.A战.(成.，稱M.，..自.单拉?辦n.，兔a.)、.岛《n.CCr，'恥。，'旬.Al\ (處， 觀円.，.歲n)含'其中n=l、2、3、4 ,曰n、bn、Cn、dn分另リ为ABn、BnCn、DnCn、ADn白勺间足巨， 料。"、齡"、沁"、机"分别为48。、8品、斬(；、4〇。的方位角，0。。、0自。、0。。、0化分别为48。、8。(；、D"(；、AD。的倾角，所述方位角的范围为[0° ,360° )，所述倾角的范围为（0°，90° );
[0023] 步骤六.利用W下公式计算各基点实时的=维坐标，其中
[0024] B。的坐柄（XBn，yen,Zb。）为
[0027] z化=anSin白an;
[0028] 式中，a为地下桐室轴屯、线的方位角，即X轴正向的方位角，
[0029] B。的坐标相对于其初始定位基点B。点的相对位置变化为：
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[0049] 优选的，所述四个定位基点A、B、C、D分别位于待测量的横断面的四条边的中点位 置。
[0050] 进一步的，步骤四中还包括将D。点位置（X。。，Yd。，Z。。）通过AD〇 (成，如0，獅0)回 归于A点（0,0,0)进行回归检验，回归检验计算过程如下：
[0051] CN105115473A 说明书 4/11 页
[0054] 若求解A基点的S个坐标值XA。，yA。，ZA。与零相差的绝对值中至少有一个大于lmm， 则说明测量误差偏大，当次测量无效，应重新测量；若求解A基点的=个坐标值Xa。，y,。，Za。 与零相差的绝对值均不大于1mm，则说明测量成功，取（XM，yM，ZA。）= (0,0,0)。
[005引具体的，所述步骤四中还包括计算地下桐室上下基点AC。的距离和左右基点6。0。 的距离，其计算公式如下：
[0058] 具体的，所述步骤四中还包括计算地下桐室的上部和下部的高度h。、左右侧壁的 距离e〇,分别为：h〇=ZC0,e〇=yD〇-yB〇。
[0059] 进一步的，步骤六中还包括将D。点位置（XD。，y。。，Zd。）通过(成,，0斬，身曲> 回 归于A点（0,0,0)进行回归检验，回归检验计算过程如下： Jill 1_/1 I II \_11 I II <_L1 I
II l_tl I II I II \_I1 I
[006引若求解A基点的S个坐标值义4。，74^4。与零相差的绝对值中至少有一个大于11111]1， 则说明测量误差偏大，当次测量无效，应重新测量；若求解A基点的=个坐标值Xa。，y,。，Za。 与零相差的绝对值均不大于1mm，则说明测量成功，取（XA"，yA"，ZA。）= (0,0,0)。
[0064] 具体的，所述步骤六中还包括计算下空间上下基点AC。的距离和左右基点B。0。的 距离，其计算公式如下：
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[0067] 具体的，所述步骤D中还包括计算地下桐室的上部和下部的高度h。、左右侧壁的距 离e。分别为：h。=Z扣，yDn-yen。
[0068] 本发明的有益效果是：步骤简单，易于操作，可靠性强，通过本发明的方法能够定 期监测地下桐室横断面的相关基点=维变形数据，获得实时的=维变形情况，提高测量结 果的准确性，为地下桐室支护工程和围岩稳定评价提供参考和依据。本发明适用于现有地 下工程的建设与维护。
【附图说明】
[0069] 图1是本发明的方法流程图；
[0070] 图2是横断面基点布置完成后所需测试的初始数据的示意图；
[0071] 图3是本发明横断面基点变形后所需测试的实时数据的示意图；
[0072] 图4是本发明横断面基点变形后进行S维变形计算的示意图；
[0073] 其中，A、B。、C。、D。为初始定位基点，B。、C。、D。为变形后的定位基点，X、y、Z为S维 坐标系，a为地下桐室轴屯、线的方位角（即X轴正向的方位角），a。、b。、C。、屯分别为AB。、 BnCn、DnCn、ADn的间距，巧《、f細、的》、焊A分别为ABn、BnCn、DnCn、ADn的方位角，0an、0bn、 0cn、0dn分别为AB。、BnC。、DnC。、AD。的倾角，n为测量次数。
【具体实施方式】
[0074] 下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
[00巧]如图1所示，本发明的地下桐室横断面=维变形的测量方法包括W下步骤：
[0076] 1.根据地下工程实际的地质情况与施工条件，确定需要进行=维变形监测的地下 桐室横断面，根据精度需求和测试需要可布置一个或多个待测横断面，每个测量断面上布 置四个定位基点A、B、C、D，四定位基点不在各边中点照样能够进行本技术方案，可W不限制 必须处于中点位置，只是处于各边中点位置对于测量具有一定的有利条件，因此优选的，所 述四个定位基点A、B、C、D分别位于待测量的横断面的四条边的中点位置，其中，A为下部基 点，B为右侧基点，C为上部基点，D为左侧基点（面向X轴正向）。在实际操作中，应该在 地下桐室尽快布置好定位基点，将定位基点埋入待测横断面预定位置，可使用快凝水泥、树 脂胶泥等速凝材料固定基点。其中，定位基点B、C、D包括下述的初始定位基点B。、C。、D。^ 及变形后的实际的定位基点B。、C。、D。。
[0077] 2.横断面定位基点布置完成后，W定位基点A为坐标原点（0,0,0)建立立维空间 坐标系，立条坐标系分别为X、y、Z，在该=维空间坐标系中分析各定位基点，=维空间坐标 系的建立过程如下：WA点为原点，W初始地下桐室横断面俯视逆时针旋转90°后AB的水 平投影指向为X轴，W水平垂直X轴于A点指向实际D定位基点所在一侧的方向为y轴，W 垂直xy平面于A点竖直向上的方向为Z轴。
[0078] 3.首次测量时地下桐室基点位置情况如图2所示，依次测量获得相邻的 两个定位基点之间的初始距离、初始方位角及初始倾角并记录在表1中，即获得 AB〇 (a("巧,(,，（9。0)、B〇C〇 (如，脚岛，0W)、D〇C〇 (钟，斬0，伴〇)、AD〇 (如，.扔桃白(W)， a〇、秘0、0a。为AB。之间的初始距离、初始方位角及初始倾角，b。、卿0、0b。为BnC。之间的初 始距离、初始方位角及初始倾角，C。、斯0、0。。为D。旬之间的初始距离、初始方位角及初始 倾角，d。、口(/?、0d。为AD。之间的初始距离、初始方位角及初始倾角，方位角的范围为[0°， 360° )，倾角的范围为（0°，90° )。具体操作过程中，可W使用现有的测量仪器，如钢尺收 敛仪和=维罗盘，单次测量时获得两基点间的初始距离、初始方位角及初始倾角。
[0079] 4.根据上述参数计算各初始定位基点B。、C。、D。的=维坐标及空间相关数值。A点 的坐标置为（〇,〇,〇)，可通过W下公式可求得B、C、D的相对位置，并记录在表2中。具体如 下：
[0080] B点的初始位置B。的坐标（XB。，Yb。，Zb。）为：
[0084]式中，地下桐室轴屯、线的方位角为a，即X轴正向的方位角为a，
[0085] C点的初始位置C。的坐标（XC。，Yc。，zj为：
[009引最后一组数据AD:0.(遍，麵於御3可用作验证D。点位置（Xd。，Yd。，Zd。）。通过AD。回归于A点（0,0,0)进行回归检验。回归检验计算过程如下：
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[0097] 若求解A基点的S个坐标值XA。，yA。，ZA。与零相差的绝对值中至少有一个大于lmm， 则说明测量误差偏大，当次测量无效，应重新测量；若求解A基点的=个坐标值Xa。，y,。，Zm与零相差的绝对值均不大于1mm，则说明测量成功，取（XM，yM，ZA。）= (0,0,0)。
[009引此时，地下桐室上下基点AC。的距离和左右基点B。0。的距离如下，并记录在表4 中：
[0101] 地下桐室的上部和下部的高度h。、左右侧壁的距离e。分别为：h〇=Zc。，e〇 = yDo-ye。，并记录在表5中。
[0102] 5.在地下工程开挖后，岩体的原岩应力状态遭到了破坏，在应力重分布作用下地 下桐室发生位移变形。因此需要持续对地下桐室横断面进行变形监测。