一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法与流程

1.本发明属于全站仪测量技术领域，特别涉及一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法。


背景技术：

2.我国已经成为世界上隧道工程数量最多的国家。隧道投入使用后，随着运营年限的不断增长，在地下复杂的工程地质条件(不良地层、地下水等)、突发灾害(地震、洪水等)、人为破坏(爆炸、撞击等)等多重因素影响下，会产生渗漏水、劣损、变形等各种病害，这些病害会威胁行车安全并导致隧道寿命缩短。为保证隧道结构和运营安全，应对隧道结构进行变形观测。隧道水平位移观测是一种很重要的隧道变形观测手段。在隧道水平位移观测中，水平位移观测常用的方法主要有极坐标法、小角法、视准线法等。极坐标法精度相对较低；小角法和视准线法只能用于观测水平位移观测点某一特定方向的位移；极坐标法、小角法、视准线法都需要在隧道内布设相对稳定的基准点，并要求基准点与水平位移观测保持通视才能进行水平位移观测；普通的自由设站法的监测精度与测设图形有关，为保证监测精度需要架设较多的设站，作业效率不高。上述水平位移观测方法运用在隧道中有一定的局限性。


技术实现要素：

3.本发明为了克服传统水平位移测量方法运用在隧道中的局限性，提出了一种新的基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，包括以下步骤：
6.1)建立隧道水平位移观测网，包括以下步骤：
7.s1布置观测点：在待检测的隧道内间隔一段距离成对布设水平位移观测点；
8.s2布置自由测站：沿着隧道方向设置在水平位移观测点之间设置若干自由测站，所述自由测站数量少于所述隧道水平位移观测点，所述自由测站测量其前后若干水平位移观测点；
9.2)测量，包括以下步骤：
10.s3将全站仪放置在自由测站，采用全圆方向观测法进行观测；
11.3)数据处理，包括以下步骤：
12.s4计算各隧道水平位移观测点的相对坐标；
13.s5将相对坐标转换至隧道变形观测坐标系；
14.s6观测网平差与精度评定。
15.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述步骤s1中，所述隧道的矩形段的水平位移观测点布设于隧道变形缝两侧；所述隧道的盾构段每隔50
‑
60m布设，埋设于隧道防撞墙或隧道边墙；上述观测点布设高度大致等高，并高于隧
道路面0.5m以上。
16.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述步骤s2中自由测站的布置，是从每个自由测站，以前后各3对隧道水平位移观测点为测量目标，每个水平位移观测点至少从3个测站上分别联测。
17.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述步骤s2中自由测站的布置，所述自由测站间距为120m，自由测站到隧道水平位移观测点的最远观测距离不大于180m；每个观测点至少应保证有三个自由测站的方向和距离观测量。
18.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述步骤s3中，观测方向较多时，采用分组全圆方向观测法。所述较多是指大于等于四个方向。
19.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述1)建立隧道水平位移观测网中，所述隧道外两端还设置有控制点，隧道水平位移观测网附合于控制点上。
20.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述隧道两端的控制点各不少于3个。
21.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述3)数据处理中，先对外业观测数据再次进行质量检查，检查合格后方可进行平差，平差时，先采用独立自由网平差，再采用合格的平面起算点进行固定约束平差。
22.进一步的，上述一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，所述步骤s6观测网平差与精度评定中，包括以下步骤：
23.(1)近似坐标计算
24.(2)精确坐标计算。
25.从上述技术方案可以得出，本发明具有如下有益效果:
26.1、本基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法设站位置灵活，无需在固定位置设站，提高了隧道水平位移测量设站的便利程度，缩短测量时间、提高测量效率。
27.2、本基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法只需观测网两端测站与基准点通视，减少了基准点布设位置对隧道水平位移观测的影响。
28.3、本基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法解算精度较高、内符合精度较好，相对精度、绝对精度均高于隧道水平位移观测要求。
29.4、通过本发明能有效克服隧道狭长、不利于设站、作业时间受限等不利因素，提高观测速度和精度，可快速、精确地获取隧道水平位移信息。
附图说明
30.图1是本基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量控制网布设形式示意图；
31.图2是联测控制点控制网形式示意图。
具体实施方式
32.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.实施例
38.一种基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
39.1)建立隧道水平位移观测网，包括以下步骤：
40.s1布置观测点：在待检测的隧道内间隔一段距离成对布设水平位移观测点；
41.s2布置自由测站：沿着隧道方向设置在水平位移观测点之间设置若干自由测站，所述自由测站数量少于所述隧道水平位移观测点，所述自由测站测量其前后若干水平位移观测点；
42.2)测量，包括以下步骤：
43.s3将全站仪放置在自由测站，采用全圆方向观测法进行观测；
44.3)数据处理，包括以下步骤：
45.s4计算各隧道水平位移观测点的相对坐标；
46.s5将相对坐标转换至隧道变形观测坐标系；
47.s6观测网平差与精度评定。
48.优选的，所述步骤s1中，所述隧道的矩形段的水平位移观测点布设于隧道变形缝两侧；所述隧道的盾构段每隔50
‑
60m布设，埋设于隧道防撞墙或隧道边墙；上述观测点布设高度大致等高，并高于隧道路面0.5m以上；
49.优选的，所述步骤s2中自由测站的布置，是从每个自由测站，以前后各3对隧道水平位移观测点为测量目标，每个水平位移观测点至少从3个测站上分别联测；
50.优选的，所述步骤s2中自由测站的布置，所述自由测站间距为120m，自由测站到隧道水平位移观测点的最远观测距离不大于180m；每个观测点至少应保证有三个自由测站的方向和距离观测量；
51.优选的，所述步骤s3中，观测方向较多时，采用分组全圆方向观测法；
52.优选的，所述1)建立隧道水平位移观测网中，所述隧道外两端还设置有控制点，隧道水平位移观测网附合于控制点上；
53.优选的，所述隧道两端的控制点各不少于3个；
54.优选的，所述3)数据处理中，先对外业观测数据再次进行质量检查，检查合格后方可进行平差，平差时，先采用独立自由网平差，再采用合格的平面起算点进行固定约束平差；
55.优选的，所述步骤s6观测网平差与精度评定中，包括以下步骤：
56.(1)近似坐标计算
57.在设站点a观测了a到水平位移观测点的角度和距离，设设站点a坐标为(0，0)，a到第一个被观测到的监测点为零方向，组成站心坐标系，根据所测得的角度和距离利用极坐标法：
[0058][0059]
可求得在设站点a观测到的水平位移观测点的相对坐标。
[0060]
在设站点b同样可以求得在该站观测到的水平位移观测点的相对坐标。
[0061]
利用同名点，将在b测站站心坐标系下的坐标转换到a测站站心坐标系中：
[0062][0063]
式中：δx、δy为平移参数；α0为旋转参数；k为尺度参数。
[0064]
根据两个坐标系中的同名点，运用最小二乘法可算得δx、δy、α0、k四个转换参数的最佳取值，进而可把其他点的坐标也转换到a测站站心坐标系中。即可得到在a测站站心坐标系下所有隧道水平位移观测点和监测基准点的相对坐标。
[0065]
利用a测站站心坐标系下监测基准点的相对坐标和轨道交通坐标系下基准点的实际坐标，又可求得将a测站站心坐标系转换成轨道交通坐标系的δx、δy、α0、k四个转换参数，进而可以得到所有隧道水平位移观测点在轨道交通坐标系下的近似坐标。
[0066]
(2)精确坐标计算
[0067]
求出所有的隧道水平位移观测点的近似坐标后，可列立角度和距离的误差方程，使用间接平差对所有隧道水平位移观测点整体进行平差计算。
[0068]
根据两点间的距离公式，可列方程：
[0069][0070]
根据隧道水平位移观测点近似坐标依据公式(3)求得的观测距离距离改正数v
ij
，坐标改正数δx
i
、δy
i
，可列误差方程：
[0071][0072]
将上式按泰勒级数展开，取一次项得水平距离误差方程式：
[0073][0074]
假定角度观测值为t
ij
，其改正数v
tij
，水平位移观测点近似坐标及其改正数δx
i
、δy
i
，则可列误差方程式：
[0075][0076]
取上式舍弃二次及多次项泰勒公式展开式，线性化得误差方程式：
[0077][0078]
其中：ρ
″
＝206265，w
i
为测站上整组方向的定向角未知数，其近似值
[0079]
外业观测所得的角度和距离观测值是相互独立的，可通过计算出角度观测值和距离观测值权值的配比确定角度观测值和距离观测值的权。本基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移观测网间接平差可采用经验定权的方法确定角度观测值和距离观测值的权。
[0080]
单位权中误差用角度观测值的中误差确定，即σ0＝σ
t
，则角度和距离观测值的权为：
[0081][0082][0083]
式中：a、b分别为测量机器人的测距加常数和乘常数，为测量机器人测角标称精度。
[0084]
根据所求近似坐标和各类观测值的权，按间接平差组成误差方程式：
[0085][0086]
其中：v为观测值改正数，b为系数阵，为坐标改正数，l为常数项，l＝l
‑
bx0，l为观测值，x0为坐标近似值。
[0087]
按最小二乘v
t
pv＝min，可得法方程：
[0088][0089]
式中：n＝b
t
pb，r(n)＝r(b)＝t，n存在逆矩阵n
‑1，即法方程有唯一解：
[0090][0091]
根据协因数传播率可得所求得隧道水平位移观测点坐标协因数阵为：
[0092][0093]
可得隧道水平位移观测点在x、y方向上坐标中误差及点位中误差分别为：
[0094][0095]
隧道水平位移观测点平差值为：
[0096][0097]
根据以上运算即可求得隧道水平位移观测点精确坐标及坐标中误差，进而可得其累计变化量及累计变化量的中误差。
[0098]
优选的，使用的全站仪应具有自动目标搜索、自动照准、自动观测、自动记录功能，其标称精度应满足：方向测量中误差不大于
±1″
，测距中误差不大于
±
(1mm 2ppm)。用于隧道水平位移观测的仪器设备应通过国家法定机构检定并在有效期内。
[0099]
优选的，本基于全站仪自由设站的城市隧道水平位移测量控制网采用的布网形式图1的形式进行布设。
[0100]
优选的，在隧道水平位移测量中，按图2联测布设于隧道进、出口两端的控制点。
[0101]
优选的，数据处理时，先对外业观测数据再次进行质量检查，检查合格后方可进行平差。平差时，应先采用独立自由网平差，再采用合格的平面起算点进行固定约束平差。独立自由网平差后应满足下表1的规定，固定约束平差后应满足下表2的规定。
[0102]
表1独立自由网平差后的限差要求
[0103]
方向改正数距离改正数
±3″±
2mm
[0104]
表2 cpⅲ平面网约束平差后的精度指标
[0105][0106]
通过本方案可快速、精确地获取隧道水平位移信息。
[0107]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的保护范围，即大凡依本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利申请的保护范围。