[发明专利]一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法

说明书

本发明公开了一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法，该方法包括隧道内安装并级联多台激光扫描仪，对隧道多个横向截面和纵向截面进行自动实时采样；通过系统误差修正算法去除机械抖动、激光器固有误差和施工人员及设施影响，获得准确的隧道截面曲线；通过曲线匹配算法，将截面曲线与基准曲线采用可配置窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降以及收敛等隧道形变现象；通过位置聚类算法，计算出隧道三维模型内掉块、沉降及收敛等形变的位置及其面积。

技术领域

本发明涉及隧道工程建设领域，尤其涉及一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法。

背景技术

隧道开挖施工过程中，需要对隧道周壁进行测量监控，及早发现可能存在的安全隐患，防止隧道出现形变、裂缝、漏水、塌方等安全事故。

现有技术中，主要是利用测绘器材全站仪进行人工监测，但是利用全站仪监测存在一些问题：第一，需要人工监测，监测数据的精准度与测量人员的技术水平有关；第二，全站仪反射点需要布置反射棱镜，监测点间隔大；第三，每次测试耗时较长，需要预留较多时间；第四，测试时间受施工窗口限制，停工监测，无法对风险预警。

另外，隧道施工过程中，根据隧道结构安全等级，可以分为4个作业区域：掌子面区域、台阶区域、初支结构安装区域和仰拱闭合区域。这四个区域中危险性最高的是掌子面区域的开挖作业，现有技术中难以在掌子面区域布置传感器，风险性最高的区域则无法对隧道顶壁进行监测。台阶区域属于隧道开挖过程中结构未稳定的区域，是隧道内表面变形最容易发生的区域，特别是刚开挖的阶段，每日内面位移量能达到2mm～5mm，如果不对变形进行监测和控制，极容易导致损伤扩展诱发安全事故。初支结构安装区域原本处于稳定状态，但是该区域的初支结构重量是由下卧土层直接承力，如果下卧土层结构因为开挖振动，地下水系干扰导致改变，容易引发初支结构整体沉降，导致隧道结构出现破坏，因此初支结构安装区域也应该进行监测。

对于仰拱闭合区域施工完成后，由于初支结构已形成了一个完整的环形截面，抗切向应力的能力大大提高，在这个阶段初支结构内部的相对变形基本处于稳定阶段，对实时监测需求已经不太急迫。可以看出，在建隧道施工过程中应该对前三个区域进行重点监测，确保隧道施工安全。

因此，可以看出，对隧道开挖建设过程中，需要根据建设进度的向前推进，能够不断对前向开挖的区域进行跟踪监测，并且要能够适应这种工程建设的进度，监测区域范围要可以扩大调整，监测的准确度要高，以及监测的时效性要强等。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法，解决现有技术中隧道建设过程不能对隧道进行全程范围内各区域的连续性、高精度和时效性强的监测。

为解决上述技术问题，本发明采用的一种基于激光测距的隧道内结构形变的监测方法,包括以下步骤：

S1将多台激光扫描仪以一定间距安装在隧道内壁或者隧道侧面底部，实时测量多个隧道横向截面和多段隧道纵向截面，多台激光扫描仪通过光电复合线缆级联方式相连接，能同时运行；

S2激光扫描仪通过自动旋转结构，对横向和纵向截面进行自动多点可配置采样；

S3使用系统误差修正算法去除机械抖动和激光器固有误差，以及隧道中施工人员、施工车辆快速移动物体造成的影响，从而获得修正后的隧道扫描数据；

S4通过截面曲线匹配算法，将截面曲线与基准截面曲线采用不同大小的窗口滑动比对，判断隧道内是否发生掉块、沉降以及收敛现象，并对多期采集的截面曲线综合分析，判断隧道掉块、沉降以及收敛随时间呈现的趋势；

S5将横向截面和纵向截面曲线重建隧道三维模型，通过位置匹配算法，计算出隧道内掉块、沉降以及收敛形变位置及其面积，