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及應用

馬春德, 付 偉, 王業順, 胡順喜, 周亞楠

(1. 中南大學高等研究中心， 湖南 長沙 410083； 2. 中南大學資源與安全工程學院， 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及應用

馬春德1, 2, 付 偉2,*, 王業順2, 胡順喜2, 周亞楠2

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

為保證大斷面巷(隧)道收斂變形精確測量，研發了便捷式激光測距儀新裝置，通過結構設計創新，新裝置利用萬向球云臺替代多軸連接桿，提高了發射接收裝置的穩定性和校準能力，最終實現了原位測量； 測點布置采用改進的十字型布置方式，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原理推導出了巷道收斂變形計算原理，分別得到了巷道兩側幫相對中軸線的位移量和頂底板的位移量。由于客觀因素導致測量數據存在誤差，因此針對單次測量和多期測量分別進行誤差處理，采用測定值子樣平均值來估計單次測量真值，多期測量采用半參數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得到了首次應用，對新開挖大斷面巷道表面收斂變形進行長期監測，獲得了該礦區深部軟巖巷道的基本變形規律。

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

傳統的巷(隧)道變形監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]。當常規掛尺測量應用到大斷面井巷時表現出明顯的局限性，如掛尺困難、溫度誤差等，且只能進行巷(隧)道的拱頂沉降測量[2]。20世紀90年代初，國外提出了非接觸觀測的新方法[3-4]。引入國內后，也有以電子經緯儀為主要設備配合激光測距儀對傾斜巷道的測量[5]、以全站儀為主要設備的三維變形量測,平面坐標精度可達1.5 mm，高程精度可達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域引進的測量方法，此處不再贅述。雖然這些方法都能應用于巷道變形的三維精確測量，如適用于隧道變形監測的Leica TC2003全站儀,但這些設備存在價格昂貴、操作復雜和體型笨重等缺點，沒有得到大范圍推廣使用。

近些年，出現了價格低廉的便捷式激光測距儀[7]，測量精度可達±1 mm。它具有精度高、效率高和可便攜等優點，被迅速應用于測控、交通和礦山等領域。鑒于該技術已較為成熟，于是將便捷式激光測距儀引入巷(隧)道領域進行收斂變形測量。目前已有部分產品出現，但是連接部件不夠穩定，易導致誤差。在現場試驗中發現，該儀器雖然具有高精度，但是多次測量易產生人為誤差，無法達到“原位測量”要求。文章利用萬向球云臺改進了同類裝置的發射裝置，采用了新的十字型布置方式，即五測點矩陣ABB′CE； 推導了測量原理，能夠分別獲得兩側幫相對的位移量和頂底板的位移量。通過對發射裝置的改進、測量原理的研究以及測試方法和數據處理的規范化等，實現了原位測量，總結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

結構上，同類裝置一般都是設計一套多個可繞軸旋轉的連接部件作為發射接收裝置，使用螺釘和基座對激光測距儀進行固定，基座與固定于測點的可旋轉連接桿用螺釘固定，通過控制螺釘來實現旋轉。目前市場上類似產品的連接結構由多軸連接桿進行組裝，實際操作時測量中心位置會發生變動，不能保持原有位置。本裝置設計采用萬向球云臺取代多軸連接桿，精簡了裝置，避免了結構連接的不穩定，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，實現了大角度旋轉，表現出結構簡單可靠、易操作和效率高等優點。

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行校準，實際操作時，依據人眼視力來實現三點共線難度較大，多次測量或者不同視力的人員進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射線路的反向延長線重合進行校準，該方法從結構設計的角度優化了校準精度，對比三點共線校準優勢明顯，同時也便于實際操作，有利于實現原位測量。

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射接收裝置。反射裝置是端頭形狀為圓球形的錨桿； 發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。

發射接收裝置在測量點與激光測距儀之間建立一套穩固的連接裝置，也可稱之為多自由度連接支架組，其結構如圖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 發射接收裝置結構示意圖

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

(a) 發射接收裝置各部件

(b) 組合好的發射接收裝置

通過設計的創新，該裝置實現了以下重要功能： 1)兩端分別通過內外螺紋與激光測距儀和測量基點牢固地連接，從而實現重復測量初始狀態一致； 2)支架組能配合其他待測基點自由轉動； 3)當激光測距儀轉動到合適測量位置(可見激光信號對準目標基點)時，旋緊萬向球固定旋鈕即可固定位置，方便讀取數據； 4)連接部件均采用耐腐蝕高強度材料加工，能夠適應惡劣的工程環境。該裝置部件的優化有利于適應施工現場的惡劣環境，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 布設測量基點

在測點的布置上，常規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，此方法改進了常規的十字型測點布置方法，為推導巷道變形計算原理做了硬件準備。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

每個側幫的內移、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，如圖4所示。

圖4 觀測斷面位移計算簡圖

根據圖3和圖4進行數學推導，假設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)

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

(5)

(6)

式中: Δc1、Δc2為兩側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 工程應用

3.1 應用背景

選擇檢查孕周時，為免檢查影響胎兒發育，檢查應選在孕周18周及以上時。因3.0T場強一下不會影響胎兒發育，目前1.5T及3.0T胎兒磁共振已經在臨床上得到廣泛的應用。

貴州開陽磷礦馬路坪礦區現已進入深部開采，地壓顯現十分嚴重，位于深部下盤紅頁巖(軟巖)的主要運輸巷道(大斷面三心拱)出現支護困難，軟巖的大變形危害著原有的支護方式。對于該區段的新開挖巷道進行長期的表面變形規律監測需求十分迫切，其中一項重要的工作就是巷道圍巖變形測量，所采用的監測儀器即為本裝置。

3.2 連接測試儀器與測量數據

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螺紋的激光測距儀固定托架底部，反向旋緊調節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，通過發射可見激光方式使激光測距儀對準目標測點，隨即旋緊萬向球固定旋鈕，進行數據的量測。在操作時必須保證萬向球螺桿中心軸線與激光信號發射線路的反向延長線重合，從而避免因萬向球調整轉動導致的偏差，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、人以及外界環境等客觀因素的影響，使用以上測量方法獲得的數據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誤差，因此需要對誤差進行處理[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度。為了避免多次測量產生的累計誤差影響最后的測量結果，采用半參數回歸分析法對多期監測數據消除誤差。

半參數模型的矩陣形式為

L=Bx+S+ε。

(7)

把測量數據當成某種時間序列，對其進行分析，采用文獻[10]中的方法進行計算。在儀器的試驗階段，以1個月內的巷道兩幫移近量數據為例進行計算，得到的計算結果如表1所示。

表1 兩幫移近量部分計算結果

從表1可以看出，權方差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。根據以上方法對獲取的120 d監測數據進行處理，得到了誤差消除后的該新開挖巷道兩側幫位移量、頂板下沉量、底鼓量以及當月的位移速率，如表2所示。圍巖變形、巷道底鼓量隨時間變化的關系曲線如圖5—6所示。

表2 新開挖大巷圍巖觀測結果

圖5 圍巖變形隨時間變化的關系曲線

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，隨后巷道變形進入穩定期。兩幫移近量和底鼓量分別達到了158 mm和275 mm，這2種變形是巷道圍巖變形的主要來源。測量結果與當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律。在長達120 d的礦山現場實地測量應用中，該裝置未出現大的機械故障，保持了較低的故障率。

4 結論與討論

1)在設計方面，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，從而改進了同類裝置的發射接收結構及校準性能，實現了原位測量。

2)測點布置上，通過增加BE測量路線,形成五測點矩陣ABB′CE，采用改進的十字型布置方式。基于該測點布置方式和巷道變形原理，利用小變形原理和三角函數原理分別推導了巷道兩側幫相對中心軸線和頂底板的變形量計算方法。

3)在數據處理上，多種客觀因素導致測量數據存在誤差需要處理。分別采用測定值子樣平均值來估計單點測量真值；采用半參數回歸分析法對多期測量數據的誤差進行處理，得到了較為可靠的結果。但對該裝置的誤差分析仍需進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的工程應用檢驗了該新型裝置的可靠性，是否滿足在大斷面巷(隧)道收斂變形測量領域的需求還有待驗證。

5)該裝置通過創新實現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一步提升效率，還需要在實現自動化和智能化等方面做進一步研究。

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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年畢業于中南大學，采礦工程專業，博士后，教授級高級工程師，主要從事巖石力學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