馬春德, 付 偉, 王業(yè)順, 胡順喜, 周亞楠

(1. 中南大學(xué)高等研究中心， 湖南 長沙 410083； 2. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

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一種基于激光測距的大斷面巷(隧)道收斂變形高效測量裝置的研發(fā)及應(yīng)用

馬春德1, 2, 付 偉2,*, 王業(yè)順2, 胡順喜2, 周亞楠2

(1. 中南大學(xué)高等研究中心， 湖南 長沙 410083； 2. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

為保證大斷面巷(隧)道收斂變形精確測量，研發(fā)了便捷式激光測距儀新裝置，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新，新裝置利用萬向球云臺替代多軸連接桿，提高了發(fā)射接收裝置的穩(wěn)定性和校準(zhǔn)能力，最終實現(xiàn)了原位測量； 測點布置采用改進(jìn)的十字型布置方式，增加BE測量路線,形成五測點矩陣ABB′CE； 利用小變形原理和三角函數(shù)原理推導(dǎo)出了巷道收斂變形計算原理，分別得到了巷道兩側(cè)幫相對中軸線的位移量和頂?shù)装宓奈灰屏?。由于客觀因素導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)存在誤差，因此針對單次測量和多期測量分別進(jìn)行誤差處理，采用測定值子樣平均值來估計單次測量真值，多期測量采用半?yún)?shù)回歸分析法消除誤差。新型裝置在貴州開陽磷礦下屬馬路坪礦區(qū)得到了首次應(yīng)用，對新開挖大斷面巷道表面收斂變形進(jìn)行長期監(jiān)測，獲得了該礦區(qū)深部軟巖巷道的基本變形規(guī)律。

大斷面巷道； 收斂變形； 便捷式激光測距儀； 誤差處理； 原位測量； 測量裝置

0 引言

傳統(tǒng)的巷(隧)道變形監(jiān)測一般采用接觸方式，如掛尺測量，主要適用于小斷面巷道變形測量[1]。當(dāng)常規(guī)掛尺測量應(yīng)用到大斷面井巷時表現(xiàn)出明顯的局限性，如掛尺困難、溫度誤差等，且只能進(jìn)行巷(隧)道的拱頂沉降測量[2]。20世紀(jì)90年代初，國外提出了非接觸觀測的新方法[3-4]。引入國內(nèi)后，也有以電子經(jīng)緯儀為主要設(shè)備配合激光測距儀對傾斜巷道的測量[5]、以全站儀為主要設(shè)備的三維變形量測,平面坐標(biāo)精度可達(dá)1.5 mm，高程精度可達(dá)1 mm，能夠滿足大型隧洞的變形測量要求[6]。此外，還有許多從高精度測量領(lǐng)域引進(jìn)的測量方法，此處不再贅述。雖然這些方法都能應(yīng)用于巷道變形的三維精確測量，如適用于隧道變形監(jiān)測的Leica TC2003全站儀,但這些設(shè)備存在價格昂貴、操作復(fù)雜和體型笨重等缺點，沒有得到大范圍推廣使用。

近些年，出現(xiàn)了價格低廉的便捷式激光測距儀[7]，測量精度可達(dá)±1 mm。它具有精度高、效率高和可便攜等優(yōu)點，被迅速應(yīng)用于測控、交通和礦山等領(lǐng)域。鑒于該技術(shù)已較為成熟，于是將便捷式激光測距儀引入巷(隧)道領(lǐng)域進(jìn)行收斂變形測量。目前已有部分產(chǎn)品出現(xiàn)，但是連接部件不夠穩(wěn)定，易導(dǎo)致誤差。在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)，該儀器雖然具有高精度，但是多次測量易產(chǎn)生人為誤差，無法達(dá)到“原位測量”要求。文章利用萬向球云臺改進(jìn)了同類裝置的發(fā)射裝置，采用了新的十字型布置方式，即五測點矩陣ABB′CE； 推導(dǎo)了測量原理，能夠分別獲得兩側(cè)幫相對的位移量和頂?shù)装宓奈灰屏?。通過對發(fā)射裝置的改進(jìn)、測量原理的研究以及測試方法和數(shù)據(jù)處理的規(guī)范化等，實現(xiàn)了原位測量，總結(jié)出了一套適用于大斷面巷道收斂變形的高效測量方法。

1 裝置特征

結(jié)構(gòu)上，同類裝置一般都是設(shè)計一套多個可繞軸旋轉(zhuǎn)的連接部件作為發(fā)射接收裝置，使用螺釘和基座對激光測距儀進(jìn)行固定，基座與固定于測點的可旋轉(zhuǎn)連接桿用螺釘固定，通過控制螺釘來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。目前市場上類似產(chǎn)品的連接結(jié)構(gòu)由多軸連接桿進(jìn)行組裝，實際操作時測量中心位置會發(fā)生變動，不能保持原有位置。本裝置設(shè)計采用萬向球云臺取代多軸連接桿，精簡了裝置，避免了結(jié)構(gòu)連接的不穩(wěn)定，在功能上，萬向球云臺兩端分別連接激光測距儀基座和支架，實現(xiàn)了大角度旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單可靠、易操作和效率高等優(yōu)點。

在精度方面，同類裝置利用激光視軸線、螺釘中心軸線和連接桿中心軸線交于一點進(jìn)行校準(zhǔn)，實際操作時，依據(jù)人眼視力來實現(xiàn)三點共線難度較大，多次測量或者不同視力的人員進(jìn)行測量都難以避免誤差。本裝置利用萬向球螺桿中心軸線與激光信號發(fā)射線路的反向延長線重合進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度優(yōu)化了校準(zhǔn)精度，對比三點共線校準(zhǔn)優(yōu)勢明顯，同時也便于實際操作，有利于實現(xiàn)原位測量。

基于激光測距的大斷面巷道收斂變形測量裝置包括反射裝置和發(fā)射接收裝置。反射裝置是端頭形狀為圓球形的錨桿； 發(fā)射接收裝置包括激光測距儀和連接支架組，連接支架組包括螺桿、固定旋鈕、萬向球云臺、固定快裝板A、萬向球螺桿、固定快裝板B、激光測距儀固定基座。其中，螺桿通過固定快裝板A與萬向球云臺連接，萬向球云臺通過固定旋鈕與萬向球螺桿連接，萬向球螺桿通過固定快裝板B與激光測距儀固定基座連接。

發(fā)射接收裝置在測量點與激光測距儀之間建立一套穩(wěn)固的連接裝置，也可稱之為多自由度連接支架組，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。具體實物如圖2所示。

1—端頭帶外螺紋短錨桿； 2—巷道圍巖； 3—萬向球固定旋鈕； 4—萬向球云臺； 5—萬向球螺桿； 6—固定快裝板A； 7—固定快裝板B； 8—激光測距儀托架； 9—便捷式激光測距儀； 10—橡膠帶。

圖1 發(fā)射接收裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1 Structure of laser emission signal transmit-receive device

(a) 發(fā)射接收裝置各部件

(b) 組合好的發(fā)射接收裝置

通過設(shè)計的創(chuàng)新，該裝置實現(xiàn)了以下重要功能： 1)兩端分別通過內(nèi)外螺紋與激光測距儀和測量基點牢固地連接，從而實現(xiàn)重復(fù)測量初始狀態(tài)一致； 2)支架組能配合其他待測基點自由轉(zhuǎn)動； 3)當(dāng)激光測距儀轉(zhuǎn)動到合適測量位置(可見激光信號對準(zhǔn)目標(biāo)基點)時，旋緊萬向球固定旋鈕即可固定位置，方便讀取數(shù)據(jù)； 4)連接部件均采用耐腐蝕高強(qiáng)度材料加工，能夠適應(yīng)惡劣的工程環(huán)境。該裝置部件的優(yōu)化有利于適應(yīng)施工現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，同時又能夠滿足大斷面巷(隧)道的變形測量要求。

2 巷道收斂變形計算原理

2.1 布設(shè)測量基點

在測點的布置上，常規(guī)的十字型布置方式采用四測點矩陣ABB′C[8]。通過在左下角增加測點E，作為測量基點，增加BE測量路線,形成五測點矩陣ABB′CE，此方法改進(jìn)了常規(guī)的十字型測點布置方法，為推導(dǎo)巷道變形計算原理做了硬件準(zhǔn)備。每個斷面安裝5個基點，具體位置如圖3所示，測點A、E安裝帶有特殊端頭的錨桿作為測量基點，其他測點均安裝端頭為不銹鋼圓球的錨桿，并配以便攜式激光測距儀。錨桿均采用砂漿全長錨固方式錨固，端頭僅留少許外露。

圖3 測點布置圖

2.2 計算原理

每個側(cè)幫的內(nèi)移、頂板的下沉量及底板的上鼓量可以通過如下方法求得： 假定每個觀測斷面的閉合三角形ABB′平面垂直于巷道軸線，且B、B′ 2點的位移在BB′連線上，A點的位移在ABB′平面內(nèi)，如圖4所示。

圖4 觀測斷面位移計算簡圖

根據(jù)圖3和圖4進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，假設(shè)AB=a，AB′=b，BB′=c，BD=Xc1，B′D=Xc2，AD=h；A1B1=a′，A1B1′=b′，B1B1′=c′，B1D1=Xc1′，B1′D1=Xc2′，A1D=h1。

s=1/2(a+b+c)。

(1)

s′=1/2(a′+b′+c′)。

(2)

(3))

(4)

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)、(4)即可得兩側(cè)幫移近量、頂板下沉量和底板上鼓量。

(5)

(6)

式中: Δc1、Δc2為兩側(cè)幫相對巷道中軸線的移近量； Δh為頂板下沉量； Δh″為底板上鼓量。

3 工程應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

選擇檢查孕周時，為免檢查影響胎兒發(fā)育，檢查應(yīng)選在孕周18周及以上時。因3.0T場強(qiáng)一下不會影響胎兒發(fā)育，目前1.5T及3.0T胎兒磁共振已經(jīng)在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。

貴州開陽磷礦馬路坪礦區(qū)現(xiàn)已進(jìn)入深部開采，地壓顯現(xiàn)十分嚴(yán)重，位于深部下盤紅頁巖(軟巖)的主要運(yùn)輸巷道(大斷面三心拱)出現(xiàn)支護(hù)困難，軟巖的大變形危害著原有的支護(hù)方式。對于該區(qū)段的新開挖巷道進(jìn)行長期的表面變形規(guī)律監(jiān)測需求十分迫切，其中一項重要的工作就是巷道圍巖變形測量，所采用的監(jiān)測儀器即為本裝置。

3.2 連接測試儀器與測量數(shù)據(jù)

先將快裝板旋入萬向球螺桿的外螺紋上，再將萬向球螺桿旋入帶內(nèi)螺紋的激光測距儀固定托架底部，反向旋緊調(diào)節(jié)快裝板將托架完全固定； 然后，將激光測距儀安裝在配套的固定托架中，用橡膠帶綁固好； 最后，將已連接好的部分通過萬向球云臺底部的內(nèi)螺紋接口與兩幫或底板測量基點外露端頭緊固，并用快裝板鎖緊固牢，即完成測試儀器的安裝。

旋松萬向球固定旋鈕，通過發(fā)射可見激光方式使激光測距儀對準(zhǔn)目標(biāo)測點，隨即旋緊萬向球固定旋鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測。在操作時必須保證萬向球螺桿中心軸線與激光信號發(fā)射線路的反向延長線重合，從而避免因萬向球調(diào)整轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的偏差，且必須把萬向球螺桿的長度計入總長度，才能完成兩基點間的距離測量。同理可完成其他測量。

3.3 誤差處理及變形分析

由于儀器、人以及外界環(huán)境等客觀因素的影響，使用以上測量方法獲得的數(shù)據(jù)不可避免地存在著單點測量和多期測量的偶然誤差和系統(tǒng)誤差，因此需要對誤差進(jìn)行處理[9]。由于單個測點的測量符合等精度測量條件，因此采用對同一測點進(jìn)行多次測量，用測定值子樣平均值來估計單次測量真值。此法與單次測量相比，能夠有效地提高測量值的精準(zhǔn)度。為了避免多次測量產(chǎn)生的累計誤差影響最后的測量結(jié)果，采用半?yún)?shù)回歸分析法對多期監(jiān)測數(shù)據(jù)消除誤差。

半?yún)?shù)模型的矩陣形式為

L=Bx+S+ε。

(7)

把測量數(shù)據(jù)當(dāng)成某種時間序列，對其進(jìn)行分析，采用文獻(xiàn)[10]中的方法進(jìn)行計算。在儀器的試驗階段，以1個月內(nèi)的巷道兩幫移近量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計算，得到的計算結(jié)果如表1所示。

表1 兩幫移近量部分計算結(jié)果

從表1可以看出，權(quán)方差σ0最大值為0.30 mm2，維持了誤差消除的較高精度，能夠滿足巷道收斂變形測量的工程要求。根據(jù)以上方法對獲取的120 d監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了誤差消除后的該新開挖巷道兩側(cè)幫位移量、頂板下沉量、底鼓量以及當(dāng)月的位移速率，如表2所示。圍巖變形、巷道底鼓量隨時間變化的關(guān)系曲線如圖5—6所示。

表2 新開挖大巷圍巖觀測結(jié)果

圖5 圍巖變形隨時間變化的關(guān)系曲線

Fig. 5 Curves of time-dependent deformation of surrounding rocks

圖6 巷道底鼓量隨時間變化的關(guān)系曲線

由圖5—6可知： 巷道開挖后40 d是兩幫及頂板變形的活躍期，隨后巷道變形進(jìn)入穩(wěn)定期。兩幫移近量和底鼓量分別達(dá)到了158 mm和275 mm，這2種變形是巷道圍巖變形的主要來源。測量結(jié)果與當(dāng)前巷道變形的研究成果較為接近，符合深部軟巖巷道的基本變形規(guī)律。在長達(dá)120 d的礦山現(xiàn)場實地測量應(yīng)用中，該裝置未出現(xiàn)大的機(jī)械故障，保持了較低的故障率。

4 結(jié)論與討論

1)在設(shè)計方面，利用萬向球云臺替代多軸連接桿，保持多次測量的位置不變，從而改進(jìn)了同類裝置的發(fā)射接收結(jié)構(gòu)及校準(zhǔn)性能，實現(xiàn)了原位測量。

2)測點布置上，通過增加BE測量路線,形成五測點矩陣ABB′CE，采用改進(jìn)的十字型布置方式?；谠摐y點布置方式和巷道變形原理，利用小變形原理和三角函數(shù)原理分別推導(dǎo)了巷道兩側(cè)幫相對中心軸線和頂?shù)装宓淖冃瘟坑嬎惴椒ā?/p>

3)在數(shù)據(jù)處理上，多種客觀因素導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)存在誤差需要處理。分別采用測定值子樣平均值來估計單點測量真值；采用半?yún)?shù)回歸分析法對多期測量數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行處理，得到了較為可靠的結(jié)果。但對該裝置的誤差分析仍需進(jìn)行更多的實驗和理論研究。

4)在貴州開陽磷礦下屬馬路坪礦區(qū)的工程應(yīng)用檢驗了該新型裝置的可靠性，是否滿足在大斷面巷(隧)道收斂變形測量領(lǐng)域的需求還有待驗證。

5)該裝置通過創(chuàng)新實現(xiàn)了便攜式激光測距儀對巷道變形的原位測量，但是該新型裝置若要進(jìn)一步提升效率，還需要在實現(xiàn)自動化和智能化等方面做進(jìn)一步研究。

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Study and Application of A High-efficient Convergence/Deformation Measuring Device for Tunnels Based on Laser Principle

MA Chunde1, 2, FU Wei2,*, WANG Yeshun2, HU Shunxi2, ZHOU Ya’nan2

(1.AdvancedResearchCenter,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China;2.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)

A high-efficient portable laser range finder is developed so as to accurately measure the surface convergence/deformation of tunnel cross-section. The stability and calibrating capacity of the device are improved and the in-situ measurement is realized by replacing the multi-axis joint lever by universal joint. The improved cross layout mode is used for measuring points; and BE measuring line is added. The calculation formulas of surface convergence/deformation of tunnel are deduced by small deformation principle and trigonometric function; and the relative displacement of tunnel surface sides to axial line and that of tunnel roof and floor are obtained respectively. Errors objectively exist in measuring; as a result, error processing should be carried out for single-point measuring and multi-phase measuring. The true value of single-point measuring is estimated by average value of repetitive measured subsample data; and that of multi-phase measuring is estimated by semiparametric regression method. The above-mentioned device has been successfully used in Maluping Mine in Guizhou province for the first time; and the basic deformation rules of deep soft tunnel of the project have been obtained.

large cross-section tunnel; surface convergence/deformation; portable laser range finder; error processing; in-situ measurement; measuring device

2016-08-03;

2016-11-07

馬春德(1976—)，男，遼寧丹東人，2010年畢業(yè)于中南大學(xué)，采礦工程專業(yè)，博士后，教授級高級工程師，主要從事巖石力學(xué)與采礦工程方面的研究工作。E-mail： cd.ma@163.com。*通訊作者： 付偉， E-mail: minefw2015@gmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.006

U 452.1+7

A

1672-741X(2017)03-0298-05