CN115615346A - 一种隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置，属于隧道工程技术领域，包括以下步骤：设置基准点；设立监测点；确定激光测距仪行驶轨迹和入射角度；首次测量并安装激光感应接受片；编辑并记录激光照射距离及激光感应接受片的照射位置；计算首次测量时照射位置的空间坐标；再次监测并记录激光测距仪行驶轨迹，记录每个激光感应接受片的激光照射距离及激光感应接受片照射位置；该隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置，将激光测距仪固定在轨道车上并设有平衡补偿装置，保证激光测距仪测量时平行于隧道横截面，通过将激光测距仪架设于轨道车上，搭配角度控制器，实现定点多角度自动化监测，固定监测点的轨道和隧道的多处监测。

Description

一种隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置。

背景技术

目前隧道变形和轨道变形的监测是一个非常需要人力资源的庞大工作，在高铁和地铁的保护性监测中，设计要求的监测点布置密度很高，因此实现对隧道及轨道的自动化监测是目前隧道工程的难点之一。

在隧道和轨道收敛变形的监测过程中，激光测距仪是常用的监测设备之一，常以手持测量的方式，对轨距、隧道的净空和宽度等多个参数进行监测，而激光测距仪的使用过程中存在以下缺点：

激光测距仪仪器质量较轻体积较小，在人为操作过程中会破坏仪器的平衡并且改变激光的角度；

激光测距仪的摆放过程中很难做到与轨道垂直即平行于隧道的横截面，同一监测点每次测量的数据很难控制在同一平面内造成数据的不准确；

手持激光测距仪进行定点监测时，只能测出该位置是否发生变形，不能通过距离的变化量，判断隧道变形形式，计算出轨道或隧道发生的变形方向及其变形量,因此，需在研发一种隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置来解决现有的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置，以解决轨道及隧道变形无法自动化监测的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种判断隧道及轨道变形的装置的自动化监测方法，包括以下步骤：

设置基准点；

设立监测点；

确定激光测距仪行驶轨迹和入射角度；

首次测量并安装激光感应接受片；

编辑并记录激光照射距离及激光感应接受片的照射位置；

计算首次测量时照射位置的空间坐标；

再次监测并记录激光测距仪行驶轨迹，记录此时每个激光感应接受片的激光照射距离及激光感应接受片照射位置；

计算此时原首次测量的照射位置的空间坐标；

通过首次照射位置的空间坐标变化计算变形方向、变形量，以及隧道变形特征判别，激光感应接受片在布置时，其y轴方向是轨道车的行驶方向，光是沿直线传播的，如果再次测量的时候激光照射的点与首次照射的点位置不同，说明这块隧道或者轨道肯定是发生了变形的，那么首次记录的点和再次记录的点的位置关系通过激光感应接受片得到具体的坐标数值，然后变形方向和变形量就可以得到，若是局部变形方向和变形量，结合轨道车行驶方向可以从整体来把控隧道变化情况。

优选的，所述记录激光照射距离及激光感应接受片照射位置包括：

调节角度控制器使激光测距仪的激光照射到隧道壁及轨道侧面处，在激光照射处安装激光感应接受片，记录每个激光感应接受片对应的角度控制器的角度，并对其进行编号，以初始位置处激光测距仪的位置为坐标原点（0，0，0），以垂直于地面方向为z轴，方向竖直向上，以隧道延伸方向为y轴，方向为轨道车的前进方向，以垂直于隧道延伸方向为x轴，方向指向角度控制器0°方向，即可表示每个激光感应接受片照射处的空间坐标位置，首个监测点角度30°的激光感应接受片为1-30°、角度60°的激光感应接受片为1-60°……；令1-30°的测量距离为x₀₁，则1-30°的位置可表示为（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°），令1-60°的测量距离为x₀₂，则1-60°的位置可表示为（x₀₂*cos60°，0，x₀₂*sin60°）……，记录首次照射点位于每个激光感应接受片的相对位置。

优选的，所述计算首次测量时照射位置的空间坐标包括：

轨道车行至首个监测点，根据空间坐标基准站的定位信息确定此时激光测距仪的定位为（a₁,b₁,c₁）,得到两个监测点之间激光测距仪的形式路径：（a₁-0）=（b₁-0）=（c₁-0）；以同样的角度和方式布置和命名每个激光感应接受片（1），激光感应接受片（1）相对于点（a₁,b₁,c₁）的相对位置为：（x₁₁*cos30°，0，x₁₁*sin30°）、（x₁₂*cos60°，0，x₁₂*sin60°）……，通过坐标转换，将首个监测点各个激光感应接受片照射处的空间用绝对坐标表示；

将所有监测点的激光感应接受片进行安装、命名并测出其激光照射处的坐标，得到轨道车的形式轨迹以及每个监测点每个激光感应接受片首次的照射位置的空间坐标，以及首次监测时激光照射处在激光感应接受片处的相对位置。

优选的，所述再次监测并记录激光测距仪行驶轨迹包括：

将轨道车置于首次监测的相同初始位置，记录初始位置的坐标有无变化，若发生变化记录其坐标增量，将角度控制器调整到与首次测量同样的数值，记录下每个激光感应接受片相应的激光入射距离，计算每个激光感应接受片入射点的相对坐标和绝对坐标，并记录其在激光感应接受片处留下的入射点位置，轨道车到达下一个监测点进行测量，直至所有监测点均完成该步骤，得到激光测距仪的行驶轨迹以及每个监测点的每个激光感应接受片本次的照射位置的空间坐标，以及首次监测时激光照射处在激光感应接受片处的相对位置。

优选的，所述变形方向，变形量计算方法包括：

若多次监测时，监测点激光测距仪的坐标数值超过设定误差范围，记录其坐标增量（ΔX,ΔY,ΔZ），则在异常轨迹范围内，两侧轨道发生了整体沉降、抬升即Z坐标发生明显变化、整体位移即X和Y坐标发生明显变化，不影响后续测量结果的相对坐标，不影响局部变形方向及变形量的计算，在进行基准站绝对坐标转换时，需将坐标增量加入，影响隧道的整体变形特征；

所述局部变形方向及变形量的计算包括：

以首个监测点的激光感应接受片开始，若首次监测1-30°时，激光测距仪的测量距离为x₀₁，则首次激光照射点相对坐标为（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°）；

第二次监测时，激光测距仪的测量距离为x₀₁ ^（1），则该监测时激光照射点相对坐标为（x₀₁ ^（1）*cos30°，0，x₀₁ ^（1）*sin30°），由于方形的激光感应接受片的尺寸小于激光发射点到激光感应接受片的距离，作为垂直于激光入射方向的平面，且其一条边长平行于隧道延伸方向，方向指向轨道车的前进方向相对坐标记为b，另一条边既垂直于隧道延伸方向，又垂直于激光入射方向，相对坐标记为a；

若首次激光入射位置为（a₀，b₀），下一次监测时，激光入射位置为（a_i，b_i），则其在隧道延伸方向即y轴方向的坐标变化量为b₀-b_i，在垂直于地面方向即z轴方向的坐标变化量为（a₀-a_i）*sin（90°-30°），在平行于角度控制器0°方向的坐标变化量为（a₀-a_i）*cos（90°-30°），第二次监测时，首次照射点的位置变化至（x₀₁ ^（1）*cos30°+（a₀-a_i）*cos（90°-30°），b₀-b_i，x₀₁ ^（1）*sin30°+（a₀-a_i）*sin（90°-30°）），与首次照射点的相对坐标（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°）对比，两个坐标相连形成的向量的方向即为该处隧道或轨道的相对变形方向，该向量的长度即为该处隧道或轨道的变形量。

优选的，所述变形特征判别包括：

整体变形：同一监测点多次测量时，激光测距仪位于空间坐标基准站绝对坐标系中前后坐标发生超过误差范围的变化，每个激光感应接受片的相对坐标也发生相应增量的改变，则以首次测量的激光测距仪坐标作为向量始点，末次测量的激光测距仪坐标作为向量终点，该向量的方向即为隧道或轨道的整体变形方向，向量的长度即为隧道或轨道的整体变形量，此时隧道和轨道发生整体沉降、抬升或侧向位移；

局部变形：若隧道或轨道上的激光感应接受片发生局部位移，根据局部变形方向及变形量计算方法，即可判断该处隧道或轨道的变形方向和变形量，结合多个监测点的监测结果，若隧道前后段激光感应接受片的位移方向接近，则隧道一段区域内收到的应力方向一致，变形量最大处接近受力点，若隧道前后段激光感应接受片的位移方向不一致，则隧道受到多个方向的应力，各个方向变形量最大值处接近该方向应力的作用点。

本发明另提供一种隧道及轨道变形的监测装置，包括：

激光感应接受片，所述激光感应接受片布置于隧道或轨道上用于捕捉并定位激光；

激光测距仪，所述激光测距仪与激光感应接受片匹配用于测量距离；

角度控制器，所述角度控制器用于调整激光测距仪激光照射方向；

平衡自动补偿器，所述平衡自动补偿器上安装角度控制器；

定位发射器，所述定位发射器设置于激光测距仪用于对其定位；

空间坐标基准站，所述空间坐标基准站布设于基准位置用于接收激光测距仪的位置。

优选的，所述装置还包括：

轨道车，所述轨道车用于承载平衡自动补偿器并沿轨道移动；

监测点，所述监测点设置于隧道路线中用于使轨道车在监测位置停止并监测。

优选的，所述轨道车上垂直于轨道方向架设有平衡自动补偿器、角度控制器及激光测距仪，使激光测距仪可平行于隧道横截面转动。

优选的，所述激光感应接受片为正方形，安装时使其一条边平行于隧道延伸方向，正方向指向隧道延伸方向，且法线方向与激光照射方向平行。

本发明的技术效果和优点：该隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置，将激光测距仪固定在轨道车上并设有平衡补偿装置，保证激光测距仪测量时平行于隧道横截面，通过将激光测距仪架设于轨道车上，并搭配角度控制器，实现定点多角度自动化监测，实现在固定监测点的轨道和隧道的多处监测；在隧道中设有监测卡口，令轨道车在指定位置处停止前进并进行自动化准确测量，避免人为操作误差，保证数据准确性；激光测距仪下方设有角度控制器，精确操控激光测距仪的测量角度，并实现在同一测量卡口测量隧道、轨道的多个位置参数；在每个监测卡口指定位置处包括隧道和轨道的固定监测位置装有激光感应接受片，能够记录激光照射的准确位置从而准确记录该处轨道或隧道的变形方向和变形量；通过在不发生沉降变形处的基准上架设空间坐标基准站，建立坐标系统，并以初次测量时激光测距仪的初始位置作为坐标原点，建立空间坐标系，可以评价隧道和轨道有无发生整体沉降，同时通过该坐标系统可以准确计算出隧道和轨道各个监测位置的变形方向和变形量；

本发明解决轨道及隧道变形无法自动化监测的问题，精确判断轨道与隧道的变形形式，变形方向和变形量，利用激光测距仪定点多角度进行测距，同时利用激光感应接受片准确记录每次测量时激光的照射位置，通过激光照射位置的变化，以构建空间坐标系的形式，反映隧道和轨道的变形特征、变形方向和变形量，为分析隧道和轨道的受力情况，找出变形原因起指导作用；以激光测距仪初始位置为坐标原点搭建空间坐标系，通过激光感应接受片可以精确反映监测位置处隧道或轨道的空间坐标改变量，可以准确反映隧道的变形位置和变形特征；使用激光测距仪和激光感应接受片进行监测，精度高，成本低，使用方便。

附图说明

图1为本发明监测流程图；

图2为本发明测量方式示意图；

图3为本发明首次监测入射点坐标计算示意图；

图4为本发明监测装置的安装示意图。

图中：1、激光感应接受片；2、激光测距仪；3、角度控制器；4、平衡自动补偿器；5、轨道车。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明另提供如图1、图2所示的一种判断隧道及轨道变形的装置的自动化监测方法，包括：

步骤1、设置监测基准点，架设空间坐标基准站，监测基准点设置的位置要求不发生沉降，不会被破坏干扰；

步骤2、在整个隧道路线中设置监测点,即监测位置，比如路卡，使得轨道车5在监测位置准确停止并可开始监测工作；

步骤3、在隧道初始处置入轨道车5，使其车轮与轨道平行，在轨道车5上垂直于轨道方向架设平衡自动补偿器4、角度控制器3,使得激光测距仪2可平行于隧道横截面转动及激光测距仪2，在激光发射处安装定位发射器；

步骤4、根据监测需要调节角度控制器3，使得激光测距仪2的激光照射到隧道壁及轨道侧面处，在激光照射处安装激光感应接受片1，激光感应接受片为正方形，具有方向性，安装时一定保证其一条边平行于隧道延伸方向，正方向指向隧道延伸方向，同时接受片的法线方向与激光入射方向平行,此安装方式，方便将激光在激光感应接受片1上入射点的位移量从激光感应接受片1自身的坐标系中转化到由激光发射点作为坐标原点的坐标系统中，不仅能够方便计算隧道上同一位置的前后空间位移情况,同时利用激光感应接受片1记录入射点的前后位移量，大大降低了设备误差,因为若以激光测距仪2为主体，记录隧道上同一点的前后空间位移情况，涉及激光的入射角度和距离，由于激光测距仪2发射位置距离隧道较远，约10余米，该设备误差会被放大,比如市面上激光测距仪2角度的设备误差约为0.01°，假设入射距离10m的话，其在纸片上的位移误差将达到1.7cm，并且该误差的方向不能确定，而利用入射点在激光感应接受片1上的位移来计算隧道上同一位置前后的位移情况，不仅位移量能够精确到0.001cm，同时可以保证位移的方向不会差生较大偏差,将记录此时每个激光感应接受片1对应的角度控制器3角度，并对其进行编号,比如：1号监测点，角度30°的激光感应接受片1为1-30°，角度60°的激光感应接受片1为1-60°……,同时以初始位置处激光测距仪2的位置为坐标原点（0，0，0），以垂直于地面方向为z轴，方向竖直向上，以隧道延伸方向为y轴，方向为轨道车5的前进方向，以垂直于隧道延伸方向为x轴，方向指向角度控制器3的0°方向，则可表示各接受片照射处的空间坐标位置，比如：令1-30°接受片的测量距离为x₀₁，则1-30°接受片的位置可表示为（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°），令1-60°接受片的测量距离为x₀₂，则1-60°接受片的位置可表示为（x₀₂*cos60°，0，x₀₂*sin60°）……，记录首次照射点位于各个激光感应接受片的相对位置；

步骤5、安装好激光感应接受片1后，轨道车5至下一个1号监测点即1号卡口，根据基准站的定位信息确定此时激光测距仪2的定位为（a₁,b₁,c₁）,由于隧道较长，两个卡口之间的距离相对较短，可默认轨道车5的行驶轨迹为一条直线，因此可以得到两个卡口之间激光测距仪2的形式路径：（a₁-0）=（b₁-0）=（c₁-0）,以同样的角度和方式布置和命名激光感应接受片1，则激光感应接受片相对于点（a₁,b₁,c₁）的相对位置为：（x₁₁*cos30°，0，x₁₁*sin30°）、（x₁₂*cos60°，0，x₁₂*sin60°）……，通过坐标转换，可以将1号监测点各个激光感应接受片1照射处的空间用绝对坐标表示出来，相对位置是以激光测距仪定位（a₁,b₁,c₁）作为坐标原点表示的，如果代入基站所确定空间坐标系，坐标原点的定位是（a₁,b₁,c₁），而y轴正方向是轨道车5行驶轨迹的方向，是已知的，可进行坐标转换由相对坐标系，转化到基站所确定的大的空间坐标系中，根据监测需要，同一监测点我们在隧道和轨道上布置了多个激光感应接受片1，用以监测隧道和轨道在该监测点的变形情况，以空间坐标基准站搭建的绝对坐标系统中，激光感应接受片1的绝对坐标较难计算，因为以激光发射点作为坐标原点的相对坐标系统与绝对坐标系统有一定角度，可以计算出来的；

步骤6、如图3所示，按照步骤5将所有监测点的激光感应接受片1进行安装、命名并测出其激光照射处的坐标,至此首次安装激光感应接受片1并测量的工作完成,得到轨道车5的形式轨迹以及各个监测点的各个激光感应接受片1首次的照射位置的空间坐标，同时得到了首次监测时激光照射处在激光感应接受片1处的相对位置；

步骤7、待到下一次监测时间，将轨道车5置于相同的初始位置，记录初始位置的坐标有无变化,若发生变化记录其坐标增量，该增量不影响后续测量结果的相对坐标，但进行基准站绝对坐标转换时，需将坐标增量加入，然后将角度控制器3调整到与第一次测量同样的数值，记录下各个激光感应接受片1相应的激光入射距离，计算每个接受片入射点的相对坐标和绝对坐标，并记录其在接受片处留下的入射点位置，一旦隧道发生变形，两次入射的坐标点在接受片中肯定是不同的，第二次入射的点，连向第一次入射的点，所形成的向量，即为隧道的变形方向与变形量，轨道亦然，由于激光感应接受片为光敏原件，根据激光感应接受片1每个点位背后的光敏电阻可以感知。完成后驱动轨道车5携带激光测距仪2等所有设备到达下一个监测点，完成同样的测量工作，直至所有监测点均完成该步骤,至此完成这一期的监测工作，得到了激光测距仪2的行驶轨迹以及各个监测点的各个激光感应接受片1本次的照射位置的空间坐标，同时得到了首次监测时激光照射处在接受片处的相对位置；

步骤8、隧道或轨道的变形方向、变形量计算及隧道变形特征判别：

若多次监测时，监测点激光测距仪2的坐标发生超过误差允许范围的变化，记录其坐标增量（ΔX,ΔY,ΔZ），则在这些异常轨迹范围内，两侧轨道发生了整体沉降、抬升也就是Z坐标发生明显变化、整体位移也就是X和Y坐标发生明显变化，不影响后续测量结果的相对坐标，不影响局部变形方向及变形量的计算，但进行基准站绝对坐标转换时，需将坐标增量加入，影响隧道的整体变形特征；

局部变形方向及变形量的计算：

以某一监测点的某个激光感应接受片记录结果为例，若首次监测1-30°激光感应接受片1时，激光测距仪2的测量距离为x₀₁，则首次激光照射点相对坐标为（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°）；

第二次监测时，激光测距仪2的测量距离为x₀₁ ^（1），则该监测回次时激光照射点相对坐标为（x₀₁ ^（1）*cos30°，0，x₀₁ ^（1）*sin30°），由于方形激光感应接受片1的尺寸,边长约3cm远远小于激光发射点到接受片1的距离，可看为一个垂直于激光入射方向的平面，且其一条边长平行于隧道延伸方向，方向指向轨道车5的前进方向相对坐标记为b，另一条边既垂直于隧道延伸方向，又垂直于激光入射方向，相对坐标记为a；

若首次激光入射位置为（a₀，b₀），下一次监测时，激光入射位置为（a_i，b_i），则其在隧道延伸方向即y轴方向的坐标变化量为b₀-b_i，在垂直于地面方向即z轴方向的坐标变化量为（a₀-a_i）*sin（90°-30°），在平行于角度控制器0°方向的坐标变化量为（a₀-a_i）*cos（90°-30°），因此第二次监测时，首次照射点的位置变化至（x₀₁ ^（1）*cos30°+（a₀-a_i）*cos（90°-30°），b₀-b_i，x₀₁ ^（1）*sin30°+（a₀-a_i）*sin（90°-30°）），与首次照射点的相对坐标（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°）对比，两个坐标相连形成的向量的方向即为该处隧道或轨道的相对变形方向，向量的表达式为（x₀₁*cos30°-x₀₁ ^（1）*cos30°-（a₀-a_i）*cos（90°-30°），-b₀+b_i，，x₀₁*sin30°-x₀₁ ^（1）*sin30°-（a₀-a_i）*sin（90°-30°））；该向量的长度即为该处隧道或轨道的变形量；此处变形方向与变形量就是由入射点的前后位置表征的，但是这个变形方向和变形量在接受片所在的坐标系统中，难以直观表征隧道的变形方向与变形量，需要换算到前面描述的相对系统和绝对系统中，方便我们对隧道或轨道的变形情况进行分析。

轨道和隧道的变形特征判别：

整体变形方面，同一监测点多次测量时，激光测距仪2位于空间坐标基准站绝对坐标系中前后坐标发生超过误差范围得变化，各个激光感应接受片1的相对坐标也发生相应增量的改变，则以首次测量的激光测距仪2坐标作为向量始点，末次测量的激光测距仪2坐标作为向量终点，该向量的方向即为隧道或轨道的整体变形方向，向量的长度即为隧道或轨道的整体变形量,此时隧道和轨道发生整体沉降、抬升或侧向位移；

局部变形方面，若隧道或轨道上的激光感应接受片1发生局部位移，根据上述计算方法，即可判断该处隧道或轨道的变形方向和变形量，结合多个监测点的监测结果,若隧道前后段激光感应接受片1的位移方向大体接近，则隧道一段区域内收到的应力方向一致，变形量最大处接近受力点,若隧道前后段激光感应接受片1的位移方向不一致，则隧道受到多个方向的应力，各个方向变形量最大值处接近该方向应力的作用点；

本发明另提供了如图4中所示的一种隧道及轨道变形的监测装置，包括：

轨道车5、定位发射器、平衡自动补偿器4，比如平衡自动补偿器、角度控制器3，角度控制器3的控制范围0°~360°、激光测距仪2、激光感应接受片1,比如光敏接受片、空间坐标基准站、变形特征处理器；其中轨道车5起运输作用，在轨道上行驶，轨道车5上安装有平衡自动补偿器4，平衡自动补偿器4上置有角度控制器3，用于调整激光发射方向，其上安装激光测距仪2，激光测距仪2底部有定位发射器用于对其定位；激光感应接受片1，定点布置于轨道和隧道上，用于捕捉并精准定位激光；空间坐标基准站架设于基准位置用于时刻接收激光测距仪的位置，判断其所处位置是否发生沉降变形，更好的记录各监测点的位置信息，用于对隧道和轨道的变形方向、变形量和变形特征进行处理得出结论，基准位置要求无沉降变形。

以往在进行隧道、轨道监测时，主要是从激光照射位置处进行各种激光方向及距离的监测，监测的是隧道或轨道上的同一位置，根据激光的角度和距离变化，转化为空间坐标进行轨道或隧道变形方向和变形量计算，这样做由于激光距离较大，设备误差的影响会造成结果的不精确，数据难以使用；

而本方案中的监测方法，保持了激光方向不变，监测的位置发生了改变，根据激光直线传播原理，利用接受片能够清楚的记录出，保持直线传播的激光，其入射至隧道上的位置变化，通过接受片记录该变化，在进行坐标转化计算隧道的变形方向和变形量，激光的直线传播是不会有误差的，通过隧道入射点的位移变化来表征隧道变形情况，避免了由于入射距离过大对设备误差的进一步放大，监测结果更为准确，数据可信度高；

该隧道及轨道变形的自动化监测方法及监测装置，将激光测距仪2固定在轨道车5上并设有平衡补偿装置，保证激光测距仪2测量时平行于隧道横截面，通过将激光测距仪2架设于轨道车5上，并搭配角度控制器3，实现定点多角度自动化监测，实现在固定监测点的轨道和隧道的多处监测；在隧道中设有监测卡口，令轨道车5在指定位置处停止前进并进行自动化准确测量，避免人为操作误差，保证数据准确性；激光测距仪2下方设有角度控制器3，精确操控激光测距仪2的测量角度，并实现在同一测量卡口测量隧道、轨道的多个位置参数；在每个监测卡口指定位置处包括隧道和轨道的固定监测位置装有激光感应接受片1，能够记录激光照射的准确位置从而准确记录该处轨道或隧道的变形方向和变形量；通过在不发生沉降变形处的基准架设空间坐标基准站，建立坐标系统，并以初次测量时激光测距仪的初始位置作为坐标原点，建立空间坐标系，可以评价隧道和轨道有无发生整体沉降，同时通过该坐标系统可以准确计算出隧道和轨道各个监测位置的变形方向和变形量；

本发明解决轨道及隧道变形的无法自动化监测的问题，精确判断轨道与隧道的变形形式，变形方向和变形量，利用激光测距仪2定点多角度进行测距，同时利用激光感应接受片1准确记录每次测量时激光的照射位置，通过激光照射位置的变化，以构建空间坐标系的形式，反映隧道和轨道的变形特征、变形方向和变形量，为分析隧道和轨道的受力情况，找出变形原因起指导作用；以激光测距仪2初始位置为坐标原点搭建空间坐标系，通过激光感应接受片1可以精确反映监测位置隧道或轨道的空间坐标改变量，可以准确反映隧道的变形位置和变形特征；使用激光测距仪2和激光感应接受片1进行监测，精度高，成本低，使用方便。

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。

Claims (10)

1.一种隧道及轨道变形的自动化监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

设置基准点；

设立监测点；

确定激光测距仪（2）行驶轨迹和入射角度；

首次测量并安装激光感应接受片（1）；

编辑并记录激光照射距离及激光感应接受片（1）的照射位置；

计算首次测量时照射位置的空间坐标；

再次监测并记录激光测距仪（2）行驶轨迹，记录每个激光感应接受片（1）的激光照射距离及激光感应接受片（1）照射位置；

计算此时原首次测量的照射位置的空间坐标；

通过两次照射位置的空间坐标变化计算变形方向、变形量，以及判别隧道变形特征。

2.根据权利要求1所述的一种隧道及轨道变形的自动化监测方法，其特征在于：所述记录激光照射距离及激光感应接受片（1）照射位置包括：

调节角度控制器（3），使激光测距仪（2）的激光照射到隧道壁及轨道侧面处，在激光照射处安装激光感应接受片（1），记录每个激光感应接受片（1）对应的角度控制器（3）的角度，并对其进行编号，以初始位置处激光测距仪（2）的位置为坐标原点（0，0，0），以垂直于地面方向为z轴，方向竖直向上，以隧道延伸方向为y轴，方向为轨道车（5）的前进方向，以垂直于隧道延伸方向为x轴，方向指向角度控制器（3）0°方向，即可表示每个激光感应接受片（1）照射处的空间坐标位置，首个监测点角度30°的激光感应接受片（1）为1-30°、角度60°的激光感应接受片（1）为1-60°……；令1-30°的测量距离为x₀₁，则1-30°的位置表示为（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°），令1-60°的测量距离为x₀₂，则1-60°的位置表示为（x₀₂*cos60°，0，x₀₂*sin60°）……，记录首次照射点位于每个激光感应接受片（1）的相对位置。

3.根据权利要求1所述的一种隧道及轨道变形的自动化监测方法，其特征在于：所述计算首次测量时照射位置的空间坐标包括：

轨道车（5）行至首个监测点，根据空间坐标基准站的定位信息确定此时激光测距仪（2）的定位为（a₁,b₁,c₁）,得到两个监测点之间激光测距仪（2）的形式路径：（a₁-0）=（b₁-0）=（c₁-0）；以同样的角度和方式布置和命名每个激光感应接受片（1），激光感应接受片（1）相对于点（a₁,b₁,c₁）的相对位置为：（x₁₁*cos30°，0，x₁₁*sin30°）、（x₁₂*cos60°，0，x₁₂*sin60°）……，通过坐标转换，将首个监测点各个激光感应接受片（1）照射处的空间用绝对坐标表示；

将所有监测点的激光感应接受片（1）进行安装、命名并测出其激光照射处的坐标，得到轨道车（5）的形式轨迹以及每个监测点每个激光感应接受片（1）首次的照射位置的空间坐标，以及首次监测时激光照射处在激光感应接受片（1）处的相对位置。

4.根据权利要求1所述的一种隧道及轨道变形的自动化监测方法，其特征在于：所述再次监测并记录激光测距仪（2）行驶轨迹包括：

将轨道车（5）置于首次监测的相同初始位置，记录初始位置的坐标有无变化，若发生变化记录其坐标增量，将角度控制器（3）调整到与首次测量同样的数值，记录下每个激光感应接受片（1）相应的激光入射距离，计算每个激光感应接受片（1）入射点的相对坐标和绝对坐标，并记录其在激光感应接受片（1）处留下的入射点位置，轨道车（5）到达下一个监测点进行测量，直至所有监测点均完成该步骤，得到激光测距仪（2）的行驶轨迹以及每个监测点的每个激光感应接受片（1）本次的照射位置的空间坐标，以及首次监测时激光照射处在激光感应接受片（1）处的相对位置。

5.根据权利要求1所述的一种隧道及轨道变形的自动化监测方法，其特征在于：所述变形方向，变形量的计算方法包括：

若多次监测时，监测点、激光测距仪（2）的坐标数值超过设定误差范围，记录其坐标增量（ΔX,ΔY,ΔZ），则在异常轨迹范围内，两侧轨道发生了整体沉降、抬升即Z坐标发生明显变化、整体位移即X和Y坐标发生明显变化，不影响后续测量结果的相对坐标，不影响局部变形方向及变形量的计算，在进行基准站绝对坐标转换时，需将坐标增量加入，影响隧道的整体变形特征；

所述局部变形方向及变形量的计算包括：

以首个监测点的激光感应接受片（1）开始，若首次监测1-30°时，激光测距仪（2）的测量距离为x₀₁，则首次激光照射点相对坐标为（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°）；

第二次监测时，激光测距仪（2）的测量距离为x₀₁ ^（1），则该监测时激光照射点相对坐标为（x₀₁ ^（1）*cos30°，0，x₀₁ ^（1）*sin30°），由于方形的激光感应接受片（1）的尺寸小于激光发射点到激光感应接受片（1）的距离，作为垂直于激光入射方向的平面，且其一条边长平行于隧道延伸方向，方向指向轨道车（5）的前进方向相对坐标记为b，另一条边既垂直于隧道延伸方向，又垂直于激光入射方向，相对坐标记为a；

若首次激光入射位置为（a₀，b₀），下一次监测时，激光入射位置为（a_i，b_i），则其在隧道延伸方向即y轴方向的坐标变化量为b₀-b_i，在垂直于地面方向即z轴方向的坐标变化量为（a₀-a_i）*sin（90°-30°），在平行于角度控制器0°方向的坐标变化量为（a₀-a_i）*cos（90°-30°），第二次监测时，首次照射点的位置变化至（x₀₁ ^（1）*cos30°+（a₀-a_i）*cos（90°-30°），b₀-b_i，x₀₁ ^（1）*sin30°+（a₀-a_i）*sin（90°-30°）），与首次照射点的相对坐标（x₀₁*cos30°，0，x₀₁*sin30°）对比，两个坐标相连形成的向量的方向即为该处隧道或轨道的相对变形方向，该向量的长度即为该处隧道或轨道的变形量。

6.根据权利要求1所述的一种隧道及轨道变形的自动化监测方法，其特征在于：所述判别隧道变形特征包括：

整体变形：同一监测点多次测量时，激光测距仪（2）位于空间坐标基准站绝对坐标系中前后坐标发生超过误差范围的变化，每个激光感应接受片（1）的相对坐标也发生相应增量的改变，则以首次测量的激光测距仪（2）坐标作为向量始点，末次测量的激光测距仪（2）坐标作为向量终点，该向量的方向即为隧道或轨道的整体变形方向，向量的长度即为隧道或轨道的整体变形量，此时隧道和轨道发生整体沉降、抬升或侧向位移；

局部变形：若隧道或轨道上的激光感应接受片（1）发生局部位移，根据局部变形方向及变形量计算方法，即可判断该处隧道或轨道的变形方向和变形量，结合多个监测点的监测结果，若隧道前后段激光感应接受片（1）的位移方向接近，则隧道一段区域内收到的应力方向一致，变形量最大处接近受力点，若隧道前后段激光感应接受片的位移方向不一致，则隧道受到多个方向的应力，各个方向变形量最大值处接近该方向应力的作用点。

7.使用权利要求1-6中任一项所述的一种隧道及轨道变形的自动化监测方法的监测装置，其特征在于：包括：

激光感应接受片（1），所述激光感应接受片（1）布置于隧道或轨道上用于捕捉并定位激光；

激光测距仪（2），所述激光测距仪（2）与激光感应接受片（1）匹配用于测量距离；

角度控制器（3），所述角度控制器（3）用于调整激光测距仪（2）激光照射方向；

平衡自动补偿器（4），所述平衡自动补偿器（4）上安装角度控制器（3）；

定位发射器，所述定位发射器设置于激光测距仪（2）用于对其定位；

空间坐标基准站，所述空间坐标基准站布设于基准位置用于接收激光测距仪（2）的位置。

8.根据权利要求7所述的一种监测装置，其特征在于：所述监测装置还包括：

轨道车（5），所述轨道车（5）用于承载平衡自动补偿器（4）并沿轨道移动；

监测点，所述监测点设置于隧道路线中用于使轨道车（5）在监测位置停止并监测。

9.根据权利要求7所述的一种监测装置，其特征在于：所述轨道车（5）上垂直于轨道方向架设有平衡自动补偿器（4）、角度控制器（3）及激光测距仪（2），使激光测距仪（2）可平行于隧道横截面转动。

10.根据权利要求7所述的一种监测装置，其特征在于：所述激光感应接受片（1）为正方形，安装时使其一条边平行于隧道延伸方向，正方向指向隧道延伸方向，且法线方向与激光照射方向平行。

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