CN105806310A - 用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，包括以下步骤：(1)在边坡位移影响范围外选择四个不在同一平面的A、B、C、D点处埋设基准点；(2)测量得到基准点A、B、C、D的三维坐标；(3)埋设监测点P，在监测点P处安装固定反光片，调整反光片的角度与手持式激光测距仪的激光束垂直；(4)开挖变形前，测量基准点A、B、C、D到监测点P之间的距离，计算得到监测点P的初始三维坐标；(5)开挖变形后，测量基准点A、B、C、D到监测点P之间的距离，计算得到监测点P各次监测日期的三维坐标；(6)计算得到监测点P在各次监测日期的地表三维位移。本发明操作简单方便，能满足测量精度，且仪器成本低。

Description

用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法

技术领域

本发明涉及一种隧道洞口边仰坡地表三维位移的监测方法，具体是涉及一种适合于用手持式激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的测量方法。

背景技术

边坡的稳定性是边坡工程建设中关注的核心问题，不稳定的边坡可能形成滑坡、崩塌等严重的自然灾害，对人民的生命和财产安全构成严重威胁。地表三维位移是边坡稳定的主要评价指标，因此，边坡地表三维位移是边坡施工过程中必须监测的项目。现有的边坡地表三维位移监测技术有GPS法、全站仪坐标测量法，以及经纬仪交会法测量边坡水平位移的和水准仪测量竖向位移。然而，GPS接收机精度较低，全站仪坐标测量法的精度也不高，其测量过程繁琐、测量成本高，对监测人员的专业技能要求高，且高精度的全站仪和GPS接收机价格高昂。经纬仪交会法测量边坡水平位移要求监测点与基准点在同一水平面内，这在实际测量工作中难以实现；水准仪测量边坡竖向位移需要多次转站架设仪器，实际量测工作强度高且累计误差较大。

此外，还有数字化近景摄影测量技术、三维激光扫描技术、遥感遥测技术等边坡地表位移监测方法，但精度都较低，多用于大面积边坡长期稳定性的预警监测，很少用于隧道洞口边仰坡的地表三维位移监测。

因此，探讨寻求一种简单便捷的隧道洞口边仰坡地表三维位移的监测方法具有极实际的意义。本发明由此产生。

发明内容

针对现有技术的上述技术问题，本发明的目的是提供一种用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，该方法操作简单方便，能满足测量精度，且仪器成本低。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，包括以下步骤：

(1)根据边坡地表位移的监测方案，在边坡位移影响范围外选择四个不在同一平面的A、B、C、D点处埋设基准点，分别为基准点A、基准点B、基准点C和基准点D，使用精密水准仪和经纬仪测量得到基准点A、基准点B、基准点C和基准点D的三维坐标，或者使用高精度的全站仪多次测回修正后得到基准点A、基准点B、基准点C和基准点D的三维坐标，分别为基准点A(x_A,y_A,z_A)、基准点B(x_B,y_B,z_B)、基准点C(x_C,y_C,z_C)和基准点D(x_D,y_D,z_D)；

(2)根据隧道洞口边仰坡地表位移的监测方案，在选定的位置埋设稳固可靠的监测点P，并在监测点P处安装固定反光片，调整反光片的角度，使反光片与手持式激光测距仪的激光束垂直；

(3)隧道洞口边仰坡开挖变形前，用手持式激光测距仪分别测量基准点A、基准点B、基准点C和基准点D到监测点P之间的距离，分别为S_PA,0、S_PB,0、S_PC,0和S_PD,0，计算得到监测点P的初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)；

(4)隧道洞口边仰坡开挖变形后，按照监测频率，定期用手持式激光测距仪分别测量基准点A、基准点B、基准点C和基准点D到监测点P之间的距离S_PA,i、S_PB,i、S_PC,i、S_PD,i，其中i＝1,2,3,L,n，计算得到监测点P在隧道洞口边仰坡变形后各次监测日期的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)；

(5)根据上述测量得到的监测点P初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)和隧道洞口边仰坡开挖变形后的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)，计算得到所述监测点P在各次监测日期的地表三维位移(Δx_P,i,Δy_P,i,Δz_P,i)。

所述步骤(3)中监测点P的初始三维坐标P(x_P，0,y_P，0,z_P，0)的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{(x_{P,0}-x_A)}^2+{(y_{P,0}-y_A)}^2+{(z_{P,0}-z_A)}^2=S_{PA,0}^2& \left(a\right)\\ {(x_{P,0}-x_B)}^2+{(y_{P,0}-y_B)}^2+{(z_{P,0}-z_B)}^2=S_{PB,0}^2& \left(b\right)\\ {(x_{P,0}-x_C)}^2+{(y_{P,0}-y_C)}^2+{(z_{P,0}-z_C)}^2=S_{PC,0}^2& \left(c\right)\\ {(x_{P,0}-x_D)}^2+{(y_{P,0}-y_D)}^2+{(z_{P,0}-z_D)}^2=S_{PD,0}^2& \left(d\right)\end{array}\right.$

步骤(4)中监测点P在隧道洞口边仰坡变形后各次监测日期的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{(x_{P,i}-x_A)}^2+{(y_{P,i}-y_A)}^2+{(z_{P,i}-z_A)}^2=S_{PA,i}^2& \left(a\right)\\ {(x_{P,i}-x_B)}^2+{(y_{P,i}-y_B)}^2+{(z_{P,i}-z_B)}^2=S_{PB,i}^2& \left(b\right)\\ {(x_{P,i}-x_C)}^2+{(y_{P,i}-y_C)}^2+{(z_{P,i}-z_C)}^2=S_{PC,i}^2& \left(c\right)\\ {(x_{P,i}-x_D)}^2+{(y_{P,i}-y_D)}^2+{(z_{P,i}-z_D)}^2=S_{PD,i}^2& \left(d\right)\end{array}\right.$

所述步骤(5)中监测点P在各次监测日期的地表三维位移(Δx_P,i,Δy_P,i,Δz_P,i)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_{P,i}=x_{P,o}-x_{P,i}\\ {\mathrm{\Δy}}_{P,i}=y_{P,o}-y_{P,i}\\ {\mathrm{\Δz}}_{P,i}=z_{P,o}-z_{P,i}\end{array}\right.$

其中，Δx_P,i为正时，监测点P在x方向的位移背离边坡的凌空面，即x轴负方向，Δx_P,i为负时，监测点P在x方向的位移沿边坡的凌空面，即x轴正方向；Δy_P,i为正时，监测点P在y方向的位移沿y轴的正方向，Δy_P,i为负时，监测点P在y方向的位移沿y轴的负方向；Δz_P,i为正时，监测点P在z方向的位移竖直向下，即沉降，Δz_P,i为负时，监测点P在z方向的位移竖直向上，即隆起。

本发明用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法与现有技术相比具有如下有益效果：

在隧道洞口边仰坡变形影响范围外可以随机的选取四个不在同一平面内的固定基准点，避免了全站仪的安装对中误差，可以使用操作更加简单的手持式激光测距仪进行监测。通过监测点P与四个基准点A、B、C、D的距离计算得到隧道洞口边仰坡的地表位移，提高了监测精度。

本发明适合隧道洞口边仰坡的地表位移监测，不宜用于大面积高陡边坡的地表变形监测。

本发明所涉及的隧道洞口边仰坡地表三维位移监测方法的测量精度高，只需一台手持式激光测距仪和普通的反光片，成本低，简便易行；对监测人员专业技能要求低，只需一人即可方便快捷地完成监测工作，节省了人员成本，提高了监测效率，具有很好的实用价值。同时，监测人员在监测时远离隧道洞口边仰坡，确保监测人员的安全。

附图说明

图1为隧道洞口边仰坡地表三维位移测量原理图；

图2为本发明隧道洞口边仰坡地表三维位移测量计算方法示意图；

其中，1为基准点A、2为基准点B、3为基准点C、4为基准点D、5为隧道洞口边仰坡、6为监测点P、7为变形后的监测点P′。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，根据隧道洞口边仰坡地表位移的监测方案，在隧道洞口边仰坡5位移影响范围外选择四个不在同一平面的A、B、C、D点处埋设基准点，分别为基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4。使用高精度的全站仪，测量得到基准点的三维坐标A(x_A,y_A,z_A)、B(x_B,y_B,z_B)、C(x_C,y_C,z_C)和D(x_D,y_D,z_D)。

根据隧道洞口边仰坡地表位移的监测方案，在隧道洞口边仰坡5上每隔5-20米设置地表位移监测点，在选定的位置埋设稳固可靠的监测点P6，并在监测点P6处安装固定反光片，调整反光片的角度，尽量使反光片与手持式激光测距仪的激光束垂直。

隧道洞口边仰坡开挖变形前，选用具有快捷准确对中和微调对准装置的可拆卸式手持式激光测距仪(一般精度要优于±1mm，监测时安装，监测完成后拆卸)，分别测量得到基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4到监测点P6之间的距离S_PA,0、S_PB,0、S_PC,0、S_PD,0，如图2所示，计算得到监测点P6的初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{(x_{P,0}-x_A)}^2+{(y_{P,0}-y_A)}^2+{(z_{P,0}-z_A)}^2=S_{PA,0}^2& \left(a\right)\\ {(x_{P,0}-x_B)}^2+{(y_{P,0}-y_B)}^2+{(z_{P,0}-z_B)}^2=S_{PB,0}^2& \left(b\right)\\ {(x_{P,0}-x_C)}^2+{(y_{P,0}-y_C)}^2+{(z_{P,0}-z_C)}^2=S_{PC,0}^2& \left(c\right)\\ {(x_{P,0}-x_D)}^2+{(y_{P,0}-y_D)}^2+{(z_{P,0}-z_D)}^2=S_{PD,0}^2& \left(d\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：S_PA,0、S_PB,0、S_PC,0、S_PD,0为初始测量基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4到监测点P6的距离；x_A、y_A、z_A为基准点A1的三维坐标；x_B、y_B、z_B为基准点B2的三维坐标；x_C、y_C、z_C为基准点C3的三维坐标；x_D、y_D、z_D为基准点D4的三维坐标。

隧道洞口边仰坡5开挖变形后，按照监测频率定期使用手持式激光测距仪分别测量得到基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4到监测点P6之间的距离S_PA,i、S_PB,i、S_PC,i、S_PD,i(i＝1,2,3,L)，计算得到监测点P6在隧道洞口边仰坡5变形后各次监测日期的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{(x_{P,i}-x_A)}^2+{(y_{P,i}-y_A)}^2+{(z_{P,i}-z_A)}^2=S_{PA,i}^2& \left(a\right)\\ {(x_{P,i}-x_B)}^2+{(y_{P,i}-y_B)}^2+{(z_{P,i}-z_B)}^2=S_{PB,i}^2& \left(b\right)\\ {(x_{P,i}-x_C)}^2+{(y_{P,i}-y_C)}^2+{(z_{P,i}-z_C)}^2=S_{PC,i}^2& \left(c\right)\\ {(x_{P,i}-x_D)}^2+{(y_{P,i}-y_D)}^2+{(z_{P,i}-z_D)}^2=S_{PD,i}^2& \left(d\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：S_PA,i、S_PB,i、S_PC,i、S_PD,i为第i次测量基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4到监测点P6的距离；x_A、y_A、z_A为基准点A1的三维坐标；x_B、y_B、z_B为基准点B2的三维坐标；x_C、y_C、z_C为基准点C3的三维坐标；x_D、y_D、z_D为基准点D4的三维坐标。

根据上述测量和计算得到的监测点P6初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)和隧道洞口边仰坡5变形后的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)，通过下式计算得到所述监测点P6在各次监测日期的地表三维位移(Δx_P,i,Δy_P,i,Δz_P,i)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_{P,i}=x_{P,o}-x_{P,i}\\ {\mathrm{\Δy}}_{P,i}=y_{P,o}-y_{P,i}\\ {\mathrm{\Δz}}_{P,i}=z_{P,o}-z_{P,i}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：x_P,0、y_P,0、z_P,0为初始测量得到的监测点P的三维坐标；x_P,i、y_P,i、z_P,i为第i次测量得到的监测点P6的三维坐标。

其中，Δx_P,i为正时，监测点P6在x方向的位移背离边坡的凌空面(即x轴负方向)，Δx_P,i为负时，监测点P6在x方向的位移沿边坡的凌空面(即x轴正方向)；Δy_P,i为正时，监测点P6在y方向的位移沿y轴的正方向，Δy_P,i为负时，监测点P6在y方向的位移沿y轴的负方向；Δz_P,i为正时，监测点P6在z方向的位移竖直向下(即沉降)，Δz_P,i为负时，监测点P6在z方向的位移竖直向上(即隆起)。

本发明测量方法的技术实施条件如下：

选用具有快捷准确对中和微调对准装置的可拆卸式手持式激光测距仪(一般精度要优于±1mm，监测时安装，监测完成后拆卸)。

在隧道洞口边仰坡5变形影响范围外选择不在同一平面内的四个基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4，再测量得到基准点的三维坐标；

在隧道洞口边仰坡5上每隔5-20米设置隧道洞口边仰坡地表位移监测点，在监测点上布设安装反光片，调节反光片的角度，尽量保证手持式激光测距仪的激光束与反光片垂直；

隧道洞口边仰坡开挖后，按照规定的测量频率，定期使用手持式激光测距仪分别测量得到基准点A1、基准点B2、基准点C3和基准点D4到监测点P6之间的距离S_PA,i、S_PB,i、S_PC,i、S_PD,i(i＝1,2,3,L)；

利用公式(1)-(3)可以得出各监测点的隧道洞口边仰坡地表三维位移。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据边坡地表位移的监测方案，在边坡位移影响范围外选择四个不在同一平面的A、B、C、D点处埋设基准点，分别为基准点A、基准点B、基准点C和基准点D，使用精密水准仪和经纬仪测量得到基准点A、基准点B、基准点C和基准点D的三维坐标，或者使用高精度的全站仪多次测回修正后得到基准点A、基准点B、基准点C和基准点D的三维坐标，分别为基准点A(x_A,y_A,z_A)、基准点B(x_B,y_B,z_B)、基准点C(x_C,y_C,z_C)和基准点D(x_D,y_D,z_D)；

(2)根据隧道洞口边仰坡地表位移的监测方案，在选定的位置埋设稳固可靠的监测点P，并在监测点P处安装固定反光片，调整反光片的角度，使反光片与手持式激光测距仪的激光束垂直；

(3)隧道洞口边仰坡开挖变形前，用手持式激光测距仪分别测量基准点A、基准点B、基准点C和基准点D到监测点P之间的距离，分别为S_PA,0、S_PB,0、S_PC,0和S_PD,0，计算得到监测点P的初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)；

(4)隧道洞口边仰坡开挖变形后，按照监测频率，定期用手持式激光测距仪分别测量基准点A、基准点B、基准点C和基准点D到监测点P之间的距离S_PA,i、S_PB,i、S_PC,i、S_PD,i，其中i＝1,2,3,L,n，计算得到监测点P在隧道洞口边仰坡变形后各次监测日期的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)；

(5)根据上述测量得到的监测点P初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)和隧道洞口边仰坡开挖变形后的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)，计算得到所述监测点P在各次监测日期的地表三维位移(Δx_P,i,Δy_P,i,Δz_P,i)。

2.如权利要求1所述用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，其特征在于所述步骤(3)中监测点P的初始三维坐标P(x_P,0,y_P,0,z_P,0)的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{(x_{P,0}-x_A)}^2+{(y_{P,0}-y_A)}^2+{(z_{P,0}-z_A)}^2=S_{PA,0}^2& \left(a\right)\\ {(x_{P,0}-x_B)}^2+{(y_{P,0}-y_B)}^2+{(z_{P,0}-z_B)}^2=S_{PB,0}^2& \left(b\right)\\ {(x_{P,0}-x_C)}^2+{(y_{P,0}-y_C)}^2+{(z_{P,0}-z_C)}^2=S_{PC,0}^2& \left(c\right)\\ {(x_{P,0}-x_D)}^2+{(y_{P,0}-y_D)}^2+{(z_{P,0}-z_D)}^2=S_{PD,0}^2& \left(d\right)\end{array}\right.$

3.如权利要求1所述用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，其特征在于所述步骤(4)中监测点P在隧道洞口边仰坡变形后各次监测日期的三维坐标P(x_P,i,y_P,i,z_P,i)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{(x_{P,i}-x_A)}^2+{(y_{P,i}-y_A)}^2+{(z_{P,i}-z_A)}^2=S_{PA,i}^2& \left(a\right)\\ {(x_{P,i}-x_B)}^2+{(y_{P,i}-y_B)}^2+{(z_{P,i}-z_B)}^2=S_{PB,i}^2& \left(b\right)\\ {(x_{P,i}-x_C)}^2+{(y_{P,i}-y_C)}^2+{(z_{P,i}-z_C)}^2=S_{PC,i}^2& \left(c\right)\\ {(x_{P,i}-x_D)}^2+{(y_{P,i}-y_D)}^2+{(z_{P,i}-z_D)}^2=S_{PD,i}^2& \left(d\right)\end{array}\right.$

4.如权利要求1所述用激光测距仪监测隧道洞口边仰坡地表三维位移的方法，其特征在于所述步骤(5)中监测点P在各次监测日期的地表三维位移(Δx_P,i,Δy_P,i,Δz_P,i)计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_{P,i}=x_{P,o}-x_{P,i}\\ {\mathrm{\Δy}}_{P,i}=y_{P,o}-y_{P,i}\\ {\mathrm{\Δz}}_{P,i}=z_{P,o}-z_{P,i}\end{array}\right.$

其中，Δx_P,i为正时，监测点P在x方向的位移背离边坡的凌空面，即x轴负方向，Δx_P,i为负时，监测点P在x方向的位移沿边坡的凌空面，即x轴正方向；Δy_P,i为正时，监测点P在y方向的位移沿y轴的正方向，Δy_P,i为负时，监测点P在y方向的位移沿y轴的负方向；Δz_P,i为正时，监测点P在z方向的位移竖直向下，即沉降，Δz_P,i为负时，监测点P在z方向的位移竖直向上，即隆起。