專利名稱：圍巖位移計算方法
技術領域：
本發明涉及一種地下工程圍巖位移計算方法，屬于工程測量領域。
背景技術：
圍巖變形監測是地下工程建設中動態調整施工方案，確定支護時機與參數的重要 依據。地下工程的圍巖變形監測包括表面和內部位移監測，圍巖內部位移的測量一般采用 多點位移計，而圍巖表面位移一般采用收斂計或者全站儀觀測。為了確定圍巖物理力學參 數和原巖應力場，必須同時獲取兩種位移數據。因為多點位移計獲得的圍巖內部位移不是 絕對的位移，而是測量鉆孔表面與孔內固定測點之間的距離變化，要知道圍巖內部測點的 真正空間位移，必須同時了解孔口表面的空間位置變化。目前工程上，這兩種位移是分開觀 測的，甚至是兩組觀測人員在不同時間進行，信息不能及時整合；而且大多處于手工測量、 人工讀數的狀態，費力費時，對實施新奧法施工中的圍巖參數反分析、動態施工方案調整十 分不利，常常造成設計方案和施工組織修改調整的延誤，容易造成工程安全隱患或浪費，而 且影響施工進度。因此，需要發展同時觀測圍巖內部和表面位移的實時觀測方法。本發明人之前的專利申請公開了一種地下工程圍巖位移實時觀測裝置，能遠距 離、方便地直接觀測得到圍巖表面位移和內部測點的絕對位移，有利于地下工程圍巖變形 反分析參數的準確獲得和施工方案的快速調整。該地下工程圍巖位移實時觀測的裝置，如圖1所示，它包括帶轉軸的支架，定位盤 固定安裝在轉軸上，表面以轉軸為圓心灰度切向漸變，圓環狀位移轉盤套裝于轉軸上，且其 內圓周處帶凸緣，可以圍繞轉軸轉動，位移轉盤以轉軸為圓心均勻對稱地分布有三個窗口 ； 圍巖測點錨固頭與鋼絲相連，鋼絲繞過位移轉盤上的凸緣，與重錘連接，鋼絲的移動可以無 滑動地帶動位移轉盤轉動；轉軸端面上裝置有反光膜片；還包括全站儀，與計算機相連。通過上述的地下工程圍巖位移實時觀測的裝置中全站儀實時記錄反光膜片、定位 盤反射的全站儀照準激光；進行反射激光的亮度信息分析，獲得觀測裝置轉軸和錨固頭的 空間絕對位置位移。
發明內容
觀測裝置轉軸和錨固頭的空間絕對位移的計算方法可以有多種，本發明所要解決 的技術問題在于提供一種計算方法。本發明的圍巖絕對位移的計算方法包括以下步驟
(1)讀取全站儀CCD上的柵格化激光光斑數據，去除邊緣的不規則亮點數據；根據反光 膜片、定位盤反光點數比率m，刪除CCD圖像中心區域反光膜片反射的激光成像點；
(2)激光光斑亮度數據歸一化；
(3)在亮度統計分布圖的亮度級坐標軸上將多個亮度峰值等間距化；
(4)計算與上一次觀測結果激光亮度分布模式的亮度級差值，計算位移轉盤的轉角角
度；(5)根據轉角角度和轉軸半徑，計算得到轉軸和錨固頭的相對位移值；
(6)讀取全站儀對反光膜片測距結果和VH角度值，并根據全站儀本身空間位置，計算 轉軸和錨固頭的空間位置。上述方案中，步驟(3)中采用2階Mvitzky-Golay擬合，并采用最小二乘法為判 據，使柱狀圖擬合峰之間的距離Δ X相等。本發明具有以下的優點和效果
①計算準確，消除了全站儀激光強度可能受到空氣粉塵衰減的影響，避免了由于觀測 角度導致激光強度不同對測點位置位移計算結果的影響，穩定性好。②可同時實施圍巖表面和內部位移觀測。由于裝置轉軸通過支架和圍巖表面剛性 連接，轉軸的空間位移就表征了圍巖表面的位移。結合錨固頭與轉軸之間的相對位移，即可 獲得圍巖內部和表面點的絕對位移，對圍巖參數反演和穩定性分析非常有利。③觀測速度快，對大量測點高時間密度的圍巖變形測量十分有利，有助于實時分 析和施工方案的快速調整。
圖1為圍巖位移實時觀測裝置結構示意圖。圖2為位移裝盤局部結構示意圖。圖3為轉軸局部結構示意圖。圖4為定位盤示意圖。圖5為反光膜片示意圖。圖6為反射激光CXD成像圖。圖7為反射激光信號統計分析示意圖。圖8為反射激光信號差值分析示意圖。其中計算機1、全站儀2、位移轉盤3、窗口 4、轉軸5、鋼絲6、測點錨固頭7、 定位盤8、重錘9、反光膜片10、支架11和凸緣12。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明
使用本發明計算方法的地下工程圍巖位移實時觀測裝置，它包括帶轉軸5的支架11， 定位盤8固定安裝在轉軸5上，表面以轉軸為圓心灰度切向漸變，圓環狀位移轉盤3套裝于 轉軸5上，且其內圓周處帶凸緣12，可以圍繞轉軸轉動，位移轉盤以轉軸為圓心均勻對稱地 分布有三個窗口 4 ；圍巖測點錨固頭7與鋼絲6相連，鋼絲6繞過位移轉盤3上的凸緣12， 與重錘9連接，鋼絲6的移動可以無滑動地帶動位移轉盤3轉動；轉軸5端面上裝置有反光 膜片10 ；還包括全站儀2，與計算機1相連。計算機1內裝有分析軟件(“隧道變形監測系統”，軟件著作權登記號 2007SR01365)，可實時記錄反光膜片10反射的全站儀2測距激光，以及通過位移轉盤3上 窗口 4中定位盤8和反光膜片10反射回來的全站儀2照準激光，通過分析多窗口形成的激 光四峰值結構灰度信號得到測點錨固頭7表征的圍巖絕對位移數據。如圖1、圖2和圖3所示，計算機1與全站儀2相連，組成觀測分析部分，可實時觀測記錄反光膜片10的距離和角度，得到圍巖表面位置；同時可實時記錄通過位移轉盤3上 窗口 4中由定位盤8反射回來的激光與反光膜片10反射回來的激光，計算機1中軟件分析 激光灰度信號，如圖6所示，呈現四峰值結構。根據事先標定的數據，得到當前位移轉盤3 的旋轉位置，結合由反光膜片10觀測得到的觀測裝置空間位置，進一步計算得到圍巖表面 和內部的移動距離和絕對位置。轉軸5端面裝有反光膜片10，配合全站儀2進行測距測角。定位盤8固定裝在支 架7上，不隨轉軸5旋轉；位移轉盤3可繞轉軸5旋轉，并遮蓋住定位盤8。位移轉盤3上 以轉軸5軸線為圓心，均勻對稱地分布有窗口 4三個，可透過外部遠處的全站儀2發射的照 準激光。定位盤8被位移轉盤3遮蓋，可以通過窗口 4有效反射全站儀2發射的照準激光。 如圖4所示，定位盤8呈環形條帶，順時針或者逆時針灰度漸變。如圖5所示，反光膜片10 為圓形，采用帶中心瞄準標記。支架11固定在圍巖測量鉆孔外巖石表面，起支撐作用。測 點錨固頭7位于圍巖測量鉆孔內，測點錨固頭7與巖石固定連接。觀測裝置轉軸和錨固頭的空間絕對位置位移的計算方法可以有多種，本發明公開 的一種數據處理方法，包括數據準備和數據計算兩部分。數據準備的步驟只要在觀測裝置 更換時進行一次，數據計算的步驟每次觀測都需要進行。觀測的數據準備步驟
(1)讀取照準激光照射下，反光膜片反射到全站儀CCD上的柵格化激光光斑數據，作為 標定數據1 ；
(2)讀取照準激光照射下，位移轉盤遮擋情況下定位盤反射到全站儀CXD上的柵格化 激光光斑數據，作為標定數據2 ；
(3)根據標定數據1和標定數據2，計算反光膜片、定位盤CXD上反光點數比率m； 通過該裝置中全站儀實時記錄反光膜片、定位盤反射的全站儀照準激光；進行反射激
光的亮度信息分析，獲得觀測裝置轉軸(反光膜片10中心點)和測點錨固頭7的空間絕對位 置位移，具體步驟為
(1)讀取全站儀CCD上的柵格化激光光斑數據(如圖6中激光光斑)，去除邊緣的不規則 亮點數據；根據反光膜片、定位盤反光點數比率m，計算反光膜片的反射成像點數，刪除CCD 圖像中心區域反光膜片反射的激光成像點(如圖6所示中心部分光斑)；
(2)激光光斑亮度數據歸一化；
(3)在亮度統計分布圖的亮度級坐標軸上將多個亮度峰值等間距化；即統計得 到光斑亮度級累計值柱狀分布圖(如圖7所示)，對數據進行平滑擬合，例如采用2階 Mvitzky-Golay擬合，并采用最小二乘法為判據，使柱狀圖擬合峰之間的距離Δ X相等(如 圖7所示)；
(4)計算與上一次觀測結果激光亮度分布模式的亮度級差值ΔG，以三窗口反射為例 (如圖8所示)，本次測量的光斑統計擬合峰為灰色，上一次測量光斑統計擬合峰為黑色，兩 峰值在亮度級上的差值(橫坐標差值)為AG，轉盤的轉角角度Δ θ = AG * / 120;
(5)計算轉軸和錨固頭的相對位移值AL;Δ L = Δ θ * R，其中轉角角度Δ θ，轉 軸半徑R ；
(6)讀取全站儀對反光膜片測距結果和VH角度值，并根據全站儀本身空間位置，鉆孔 方向，計算轉軸和錨固頭的空間位置。
具體實施時，計算機1采用具備串行口的便攜機或臺式機，可與全站儀2通信交換 信息，獲取測距、測角數據和激光反射成像數據，進行分析計算。全站儀2采用CCD成像型 電子全站儀，可選用的型號有Topcon MS系列、徠卡TPS1200系列等。鋼絲6采用銦鋼絲或 高強度不銹鋼絲。位移轉盤3采用亞光黑色塑料盤制作，圓盤外直徑略大于定位盤8外直 徑，盤面上以轉軸5軸線為圓心均勻對稱開有窗口 4三個(窗口間呈120度間距分布)，使得 計算機1對激光多峰值結構灰度信號的分辨更穩定更容易。轉軸5端面裝有反光膜片10， 配合全站儀2實現測距測角。反光膜片10呈圓形，采用帶中心標記的Leica或Topcon測 量反光膜制成，灰度均勻。反光膜片10轉軸5同軸轉動，其中心不發生側移，與位移轉盤3 及定位盤8具有固定的相對位置關系，保證全站儀2的望遠瞄準和反射激光分析的準確度。 定位盤8呈環狀，采用3M 鉆石級反光膜、Leica或Topcon測量反光膜，外直徑10 20厘 米，上覆透明薄膜，透明薄膜采用電鍍印刷級PC薄膜或者PET薄膜印刷制成。定位盤8反 射區域灰度為順時針或者逆時針漸變，透光率最低處不低于50% ；定位盤8內直徑比轉軸5 直徑略大，套裝在轉軸5上，不隨轉軸5旋轉，背面固定在支架11上。支架11采用不銹鋼 制作，可用螺栓固定在圍巖測量鉆孔孔口的巖石上。轉軸5采用不銹鋼制作，裝在支架11 上，可以穩定旋轉。測點錨固頭7可采用膨脹木、螺栓錨固等方式與圍巖測量鉆孔內巖石固定。通過本發明的計算方法，在工程實踐中的測量過程如下
①全站儀2照準激光照射步進旋轉的定位盤8與反光膜片10，得到反射光后記錄，與全 站儀2照準激光單獨照射反光膜片10的反光光線對比，形成灰度模式基準，記錄。②將觀測裝置連接好后，通過支架11固定在圍巖測量鉆孔孔口巖壁上，測點錨固 頭7與孔內巖石固定，放置好重錘9后，鋼絲6緊繃，設置為初始狀態；
③全站儀2自由設站，瞄準反光膜片10中心，進行首次激光位置測量，得到觀測裝置的 空間絕對位置，記錄；
④同時啟動全站儀2照準激光，照射定位盤8與反光膜片10，計算機1通過全站儀2獲 取反射激光信號，分析并記錄反射激光灰度模式，設置為圍巖內部變形初始零位置；
⑤地下工程圍巖各部分位移時，內部固定的測點錨固頭7與重錘9牽引鋼絲6，帶動位 移轉盤3轉動，與定位盤8有一個角度錯動；
⑥在一定時間間隔后再次觀測該處圍巖位移情況，全站儀2瞄準反光膜片10中心，測 距激光測量、計算，得到觀測裝置的絕對位移；全站儀2照準激光照射定位盤8與反光膜片 10，獲取反射光后分析光線灰度模式，對比計算得到位移轉盤3的相對轉動角度，得到圍巖 內部測點與觀測裝置的相對移動距離，結合觀測裝置的絕對位移，計算得到圍巖內部測點 的絕對位移；
⑦根據工程圍巖觀測要求，重復觀測，計算機1記錄。
權利要求
1.一種圍巖位移計算方法，其特征在于，包括以下步驟(1)讀取全站儀CCD上的柵格化激光光斑數據，去除邊緣的不規則亮點數據；根據反光 膜片、定位盤反光點數比率m，刪除CCD圖像中心區域反光膜片反射的激光成像點；(2)激光光斑亮度數據歸一化；(3)在亮度統計分布圖的亮度級坐標軸上將多個亮度峰值等間距化；(4)計算與上一次觀測結果激光亮度分布模式的亮度級差值，計算位移轉盤的轉角角度；(5)根據轉角角度和轉軸半徑，計算得到轉軸和錨固頭的相對位移值；(6)讀取全站儀對反光膜片測距結果和VH角度值，并根據全站儀本身空間位置，計算 轉軸和錨固頭的空間位置。
2.根據權利要求1所述的計算方法，其特征在于步驟(3)中采用2階Savitzky-Golay 擬合，并采用最小二乘法為判據，使柱狀圖擬合峰之間的距離Δ X相等。
全文摘要
本發明屬于工程測量領域，公開了一種圍巖位移計算方法根據反光膜片、定位盤反光點數比率m，刪除全站儀CCD柵格化圖像中心區域反光膜片反射的激光成像點；在亮度級統計分布圖的亮度級坐標軸上將多個亮度峰值等間距化；利用激光亮度分布模式的亮度級差值△G計算位移轉盤的轉角角度△θ，進一步計算轉軸和錨固頭相對位移；讀取全站儀對反光膜片測距結果和VH角度值，并根據全站儀本身空間位置，計算轉軸和錨固頭的空間位置。本方法計算準確，消除了全站儀激光強度可能受到空氣粉塵衰減的影響，避免了由于觀測角度導致激光強度不同對測點位置位移計算結果的影響，穩定性好。
文檔編號G01B11/16GK102135414SQ20101061139
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者劉小燕, 劉泉聲, 張程遠 申請人:武漢大學