运营隧道结构绝对位移量监测系统与使用方法

技术领域

本发明涉及隧道结构位移监测领域，特别是运营隧道结构绝对位移量监测系统与使用方法。

背景技术

近些年，随着国内经济的快速发展，隧道及地下工程大量建设。截止2022年7月，共有51个城市开通了地铁隧道，运营里程达9067公里。与此同时，国内已建设了大量的公路隧道、铁路隧道等等工程。目前，绝大部分隧道工程已进入运营维护期。

隧道投入运营过程中，需要时常对其变形量和破坏程度进行评估与修复。目前，国内对运营隧道结构的日常监测主要采用人工和监测设备联合配合的方式，一方面隧道检测人员采用目测或手持便携式测量设备对隧道结构裂纹、渗漏水、错台等进行检测，以评估隧道结构局部变形与损伤程度；另一方面检测人员采用激光扫描仪对隧道椭圆度进行测量，测量隧道整圆变形情况，或采用超声波探地雷达监测隧道壁后空鼓情况。但是，国内尚无对隧道结构上浮量与下沉量监测的有效方法和手段，导致运营的诸多隧道均出现不同程度的上浮量或下沉量超限等情况，一旦发生了隧道结构上浮量与下沉量超限，再进行纠正与治理极其困难。因此，对于隧道结构绝对位移量的日常监测至关重要。

进一步，由于运营隧道的每日停歇时间十分有限，如地铁隧道每天停歇时间在6个小时左右，监测人员无法实现在短时间内采用全站仪的方式测量隧道绝对位移量。因此，运营隧道结构绝对位移量监测是行业内的共性难题。

综上所述，运营隧道结构绝对位移量的日常监测对判断隧道结构是否需要维修至关重要，但是，目前国内尚无快捷、方便、有效的监测方式和方法。并且，由于运营隧道结构的停歇时间较短，也为隧道结构绝对位移量的监测提出了更加苛刻的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中旨在解决现有技术中仅能测量隧道结构特定断面，且测点相对位移的不足的问题。

本发明的具体方案是：

设计一种运营隧道结构绝对位移测量检测系统，包括安装在隧洞内的若干相对临时测量点，安装在隧洞外的固定绝对测量点和往返于隧道内外的无人机，所述无人机搭载测量点追踪与测量系统，捕获各测量点的信息以比较所述相对临时测量点的偏移信息；

其中，所述相对临时测量点点安装在若干测量面上，测量面间的距离10-200m，在每个测量面上的，以重心为原点形成临时坐标系；在所述临时坐标系上，选择坐标轴与隧洞的重合点为相对临时测量点，所述相对临时测量点上安装测量信息收发部件；

所述固定绝对测量点固定于隧道口处固定位置，测量信息收发部件上设有信息收发用信标，所述信息收发用信标为圆心所在的笛卡尔坐标系的三维坐标方向（x,y,z），圆心坐标值（0,0,0）；

所述无人机上设有至少一套测量点追踪与测量系统，以实现对每个相对临时测量点坐标位置的监测，所述无人机还连接远程信息传送装置，以将数字信息无线传递至后台服务器；

所述后台服务器连接显示器以实现图形模拟。

具体实施中，所述无人机的侧面安装雷达测距机构，以实现超近距离的预警和规避。

具体实施中，雷达测距机构替换为限定无人机直线偏移距离的内嵌式控制部件

具体实施中，所述相对临时测量点包括球形安装块，所述安装块的底部为圆形，表面上设有信息收发层。

具体实施中，所述信息收发层为带有荧光的贴纸，对应的无人机上的可移动追踪与测量仪内设有得以处理该荧光贴纸图像信息的图像处理机构。

具体实施中，所述安装块的顶部设有弹性拉绳以实现安装块间测距，所述弹性拉绳出口在安装块顶部，底部绕装在卷筒上，所述卷筒内部固定在卷簧上，所述安装块的顶部还设有垂直的十字形标线。

本发明还涉及一种一种运营隧道结构绝对位移量检测方法，使用运营隧道结构绝对位移检测系统，包括如下步骤：

（1）设备定位：在隧道洞口稳固安装固定绝对测量点，在隧道内以50-200cm划定测量面，在每个测量面所在的隧道圆的上、左、右三个极点安装临时测量点；

（2）设定绝对原点：开启无人机，以绝对测量点上的采集点设定为绝对原点，无人机行驶到隧洞入口所在平面的圆心处，以该圆心点为相对原点，开启测量

（3）采集临时测量点：无人机在隧洞内沿理论轴心飞行，每路过一个预定截面，悬停至少五秒，悬停时间为预定截面的信息采集时间，信息采集时间内，依据飞行数据，形成无人机处于的相对坐标原点，收集预订截面的三个极点的相对坐标信息，形成相对坐标值，之后实时传输至后台服务器

（4）信息的汇总和分析：利用绝对坐标原点值，相对坐标原点值和相对极点坐标值，得出极点的绝对坐标值，具体的，相对坐标原点值加相对极点坐标值，得出以绝对原点为中心的绝对坐标值，各几点坐标输入模拟系统，得出隧洞内变形情况，做出是否上浮或被挤压变形的结论。

步骤（2）中，以系统中心为原点，在移动过程中实时追踪中间传递信标，并记录干涉距离值D以及垂直度盘和水平度盘上的角度α、β，并根据下式计算相对位置关系：

步骤（2）中，所述可移动追踪与测量仪悬停于前后信标中间时，以每秒不低于10次采集后信标坐标值（x1,y1,z1），并根据一套激光测量系统测取的后信标坐标值（x1,y1,z1）与该测量系统坐标值（x2,y2,z2）相对位置关系（Δx,Δy,Δz），其换算公式如下：

或者，步骤（2）中，所述测量点追踪与测量系统悬停于前后信标中间时，利用一套测量点追踪与测量系统、对前后相邻的临时采集点，以每秒不低于10次采集后信标坐标值（x

本发明的有益效果在于：

在隧洞外建立了一套绝对坐标成型系统，之后利用无人机进行测量，建立绝对坐标和相对坐标的连接，最终形成准确的对于监控点的坐标监控，降低了工人的劳动时间，也提高了相关工作的工作效率；

安装块的设计自身也具备位置自查的功能，进一步降低工作人员的劳动强度。

附图说明

图1是本发明结构的工作的示意图；

图2是激光跟踪仪测量原理图；

图3是偏移效果前后效果对比图；

图4是实施例2中实时测量原理示意图；

图5是相对临时测量点的安装示意图；

附图中：6.隧洞；7.安装块；8.弹性拉绳的出入口；图中1#，2#、3#分别表示不同的测量面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种运营隧道结构绝对位移量检测系统，包括安装在隧洞内的若干相对临时测量点，安装在隧洞外的固定绝对测量点和往返于隧道内外的无人机，所述无人机搭载测量点追踪与测量系统，捕获各测量点的信息以比较所述相对临时测量点的偏移信息；

其中，所述相对临时测量点点安装在若干测量面上，测量面间的距离10-200m，在每个测量面上的，以重心为原点形成临时坐标系；在所述临时坐标系上，选择坐标轴与隧洞的重合点为相对临时测量点，所述相对临时测量点上安装测量信息收发部件；

所述固定绝对测量点固定于隧道口处固定位置，测量信息收发部件上设有信息收发用信标，所述信息收发用信标为圆心所在的笛卡尔坐标系的三维坐标方向（x,y,z），圆心坐标值（0,0,0）；

所述无人机上设有至少一套测量点追踪与测量系统，以实现对每个相对临时测量点坐标位置的监测，所述无人机还连接远程信息传送装置，以将数字信息无线传递至后台服务器；

所述后台服务器连接显示器以实现图形模拟。

工作过程中，首先定出绝对远点，建立一个绝对的坐标系，之后利用无人机测量每个测量点，测量结果为，无人机相对绝对坐标的差距+无人机测量的相对临时点的距离，形成一个累加的绝对坐标，之后输入系统，形成模拟，便于工作人员了解到整体变形和浮动情况。

所述无人机的侧面安装雷达测距机构，以实现超近距离的预警和规避。在实际工作中，也可以通过实时的红外测距结合报警电路来实现，目的就是避免和隧洞本身发生碰撞。

更可以的，本实施例中雷达测距机构替换为限定无人机直线偏移距离的内嵌式控制部件

所述相对临时测量点包括球形安装块，所述安装块的底部为圆形，表面上设有信息收发层。球形的设计便于多角度收发信息。

所述信息收发层为带有荧光的贴纸，对应的无人机上的可移动追踪与测量仪内设有得以处理该荧光贴纸图像信息的图像处理机构。

所述安装块的顶部设有弹性拉绳以实现安装块间测距，所述弹性拉绳出口在安装块顶部，底部绕装在卷筒上，所述卷筒内部固定在卷簧上，所述安装块的顶部还设有垂直的十字形标线。该设计的设计目的在于，安装时，可以通过弹性结构的拉线确定安装位置是否精准，各个安装块间的安装误差为多少，进而把这些结果引入模拟系统的建立，形成更加精准的模拟结果。

本发明还涉及到一种运营隧道结构绝对位移量检测方法，使用运营隧道结构绝对位移检测系统，包括如下步骤：

（1）设备定位：在隧道洞口稳固安装固定绝对测量点，在隧道内以50-200cm划定测量面，在每个测量面所在的隧道圆的上、左、右三个极点安装临时测量点；

（2）设定绝对原点：开启无人机，以绝对测量点上的采集点设定为绝对原点，无人机行驶到隧洞入口所在平面的圆心处，以该圆心点为相对原点，开启测量

（3）采集临时测量点：无人机在隧洞内沿理论轴心飞行，每路过一个预定截面，悬停至少五秒，悬停时间为预定截面的信息采集时间，信息采集时间内，依据飞行数据，形成无人机处于的相对坐标原点，收集预订截面的三个极点的相对坐标信息，形成相对坐标值，之后实时传输至后台服务器

（4）信息的汇总和分析：利用绝对坐标原点值，相对坐标原点值和相对极点坐标值，得出极点的绝对坐标值，具体的，相对坐标原点值加相对极点坐标值，得出以绝对原点为中心的绝对坐标值，各几点坐标输入模拟系统，得出隧洞内变形情况，做出是否上浮或被挤压变形的结论。

步骤（2）中，以系统中心为原点，在移动过程中实时追踪中间传递信标，并记录干涉距离值D以及垂直度盘和水平度盘上的角度α、β，并根据下式计算相对位置关系：

步骤（2）中，所述可移动追踪与测量仪悬停于前后信标中间时，以每秒不低于10次采集后信标坐标值（x1,y1,z1），并根据一套激光测量系统测取的后信标坐标值（x1,y1,z1）与该测量系统坐标值（x2,y2,z2）相对位置关系（Δx,Δy,Δz），其换算公式如下：

实施例2

本实施例的工作原理同实施例1，具体不同在于：步骤（2）中，所述测量点追踪与测量系统悬停于前后信标中间时，利用一套测量点追踪与测量系统、对前后相邻的临时采集点，以每秒不低于10次采集后信标坐标值（x

本实施例中未区分临时测量点目标测量断面的测量点，临时测量点所在断面间距为10-200m，且一个断面只需一个临时测量点即可。本实施例的设计目的在于，抵消悬停阶段机身晃动对数据的影响，设计一种多次取样的方案，之后在取样结果中去中止，有效抵消晃动的误差。

本实施例的设计依据在于，当需要进一步高精度的测量时，会发现，悬停不等于不动，依旧会有数据的偏差，此时安装两套测量机构，可以同时测量前后两个信标点，在多次拍照取样后取出最准确的均值，之后再进入绝对值计算，消除悬停误差。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。