[发明专利]一种圆形隧道收敛变形的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道变形监测技术领域，尤其是涉及一种圆形隧道收敛变形的测量方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程的快速发展，为了解决大城市的交通拥堵问题，各大城市正在大力发展城市轨道交通工程。除了地铁隧道，我国的公路隧道修筑规模也不断扩大，目前公路隧道正以年均350公里的速度递增。在隧道的建设阶段和运营阶段，变形监测都是不可或缺的。由于隧道处在条件复杂的岩土介质当中，地层与结构的相互作用机理并不明确，因而目前仍然没有比较完善的隧道结构设计理论。

目前常用的隧道变形测量技术有收敛计、大地测量、巴塞特收敛系统。这些技术虽然有较高的精度，但测量效率较低，同时只能获取少量的测点数据，无法全面反映隧道的变形。如果为了反映整条隧道的变形状态，则需要以非常密集的间隔布设监测断面，虽然在技术上是可行的，但其成本将非常昂贵。

中国专利CN102878975A公开了一种隧道收敛变形监测方法，在选定的隧道横断面上沿衬砌环向布设若干锚固点，并以这些锚固点作为监测参考点；在每两个相邻锚固点之间依次用一个刚性的、具有标准长度的测量安装臂和一个滑动套筒连接，在测量安装臂上安装一个倾角传感器，同时在测量安装臂与滑动套筒之间安装一支振弦式变位计；再将上述形成的系统组件的两个自由端分别通过锚点铰支座对应锚固于衬砌上相邻的两个锚固点上；并以此法形成若干系统组件连续环向链接下去，直至达到观测设计要求的单元数；实现监测方法简单，成本低廉，设备占用隧道截面积小，能实现更高精度的监测。该专利存在只能获取少量的测点数据，无法全面反映整个隧道的变形的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种圆形隧道收敛变形的测量方法，能够快速高效地获取圆形隧道的收敛变形，无需布设监测点，减少对于隧道结构的干扰，测量效率非常高，并且能够获取隧道三维收敛变形，为施工和运营期的隧道提供了全面的监测数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种圆形隧道收敛变形的测量方法，包括：

步骤S1：沿隧道长度方向布设多个激光扫描测站，建立由三维激光扫描仪确定的参考坐标系，每一激光扫描测站之间设立至少3个公共的工作基点，三维激光扫描仪获取每一激光扫描测站的工作基点坐标以及隧道点云；

步骤S2：以步骤S1中工作基点作为拼接基准点，将步骤S1中所有激光扫描测站的隧道点云归并到一个统一的参考坐标系中，获得隧道三维点云，并按照管节将隧道三维点云分割为多环管节的点云；

步骤S3：根据改进的圆柱面拟合算法将步骤S2中一环管节的点云拟合为圆柱面并提取管节轴线点坐标，圆柱面根据管节轴线点坐标进行坐标变换和降噪处理后，沿管节轴线方向投影到平面上获得二维的隧道点云轮廓线，根据椭圆拟合算法将二维的隧道点云轮廓线拟合为用于表示隧道的横断面收敛变形的椭圆，将椭圆上任意一点距离圆心的数值与隧道标准圆半径进行数值比对，求取两者差值，即得到了该处对应的管节收敛变形值；

步骤S4：根据平面应变条件，将步骤S3中椭圆沿轴线拓展成三维的椭圆柱面，该椭圆柱面表示一环管节的收敛变形，由多环管节对应的椭圆柱面获得整个隧道的三维收敛变形。

所述步骤S1中每一激光扫描测站之间的间距由隧道半径决定，隧道半径越小则激光扫描测站间距越小。

所述步骤S2中隧道三维点云分割在点云后处理软件中进行，点云后处理软件删除与管节距离大于设定值的点。

所述点云后处理软件为Cylone、Polyworks、Realworks Survey、Geomagic中的任意一种。

所述步骤S3中根据最小二乘法进行圆柱面的拟合，通过最小二乘法获取五个待定参数y₀、z₀、λ、R，根据五个待定参数将点云拟合为圆柱面，其中，y₀为管节轴线上固定点的y轴坐标，z₀为管节轴线上固定点的z轴坐标，λ为管节轴线方向单位向量投影到xy平面后与x轴的夹角，为管节轴线方向单位向量与xy平面之间的夹角，R为待拟合的圆柱面半径。

所述步骤S3中圆柱面的拟合具体为：删除残差大于设定值的点云，再对点云进行均匀抽稀，再以100个点云进行圆柱面拟合，将此拟合结果作为一个初始值再对一环管节的点云进行圆柱面拟合。