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(zhǎng)沙 410083； 2. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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一種基于激光測(cè)距的大斷面巷(隧)道收斂變形高效測(cè)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(zhǎng)沙 410083； 2. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為保證大斷面巷(隧)道收斂變形精確測(cè)量，研發(fā)了便捷式激光測(cè)距儀新裝置，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，新裝置利用萬(wàn)向球云臺(tái)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(shí)現(xiàn)了原位測(cè)量； 測(cè)點(diǎn)布置采用改進(jìn)的十字型布置方式，增加BE測(cè)量路線,形成五測(cè)點(diǎn)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(jì)算原理，分別得到了巷道兩側(cè)幫相對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差，因此針對(duì)單次測(cè)量和多期測(cè)量分別進(jìn)行誤差處理，采用測(cè)定值子樣平均值來(lái)估計(jì)單次測(cè)量真值，多期測(cè)量采用半?yún)?shù)回歸分析法消除誤差。新型裝置在貴州開(kāi)陽(yáng)磷礦下屬馬路坪礦區(qū)得到了首次應(yīng)用，對(duì)新開(kāi)挖大斷面巷道表面收斂變形進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，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(cè)距儀； 誤差處理； 原位測(cè)量； 測(cè)量裝置

0 引言

傳統(tǒng)的巷(隧)道變形監(jiān)測(cè)一般采用接觸方式，如掛尺測(cè)量，主要適用于小斷面巷道變形測(cè)量[1]。當(dāng)常規(guī)掛尺測(cè)量應(yīng)用到大斷面井巷時(shí)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(cè)量[2]。20世紀(jì)90年代初，國(guó)外提出了非接觸觀測(cè)的新方法[3-4]。引入國(guó)內(nèi)后，也有以電子經(jīng)緯儀為主要設(shè)備配合激光測(cè)距儀對(duì)傾斜巷道的測(cè)量[5]、以全站儀為主要設(shè)備的三維變形量測(cè),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(cè)量要求[6]。此外，還有許多從高精度測(cè)量領(lǐng)域引進(jìn)的測(cè)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(cè)量，如適用于隧道變形監(jiān)測(cè)的Leica TC2003全站儀,但這些設(shè)備存在價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜和體型笨重等缺點(diǎn)，沒(méi)有得到大范圍推廣使用。

近些年，出現(xiàn)了價(jià)格低廉的便捷式激光測(cè)距儀[7]，測(cè)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(diǎn)，被迅速應(yīng)用于測(cè)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(cè)距儀引入巷(隧)道領(lǐng)域進(jìn)行收斂變形測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該儀器雖然具有高精度，但是多次測(cè)量易產(chǎn)生人為誤差，無(wú)法達(dá)到“原位測(cè)量”要求。文章利用萬(wàn)向球云臺(tái)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(cè)點(diǎn)矩陣ABB′CE； 推導(dǎo)了測(cè)量原理，能夠分別獲得兩側(cè)幫相對(duì)的位移量和頂?shù)装宓奈灰屏俊Ｍㄟ^(guò)對(duì)發(fā)射裝置的改進(jìn)、測(cè)量原理的研究以及測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理的規(guī)范化等，實(shí)現(xiàn)了原位測(cè)量，總結(jié)出了一套適用于大斷面巷道收斂變形的高效測(cè)量方法。

1 裝置特征

結(jié)構(gòu)上，同類裝置一般都是設(shè)計(jì)一套多個(gè)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(duì)激光測(cè)距儀進(jìn)行固定，基座與固定于測(cè)點(diǎn)的可旋轉(zhuǎn)連接桿用螺釘固定，通過(guò)控制螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。目前市場(chǎng)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(shí)際操作時(shí)測(cè)量中心位置會(huì)發(fā)生變動(dòng)，不能保持原有位置。本裝置設(shè)計(jì)采用萬(wàn)向球云臺(tái)取代多軸連接桿，精簡(jiǎn)了裝置，避免了結(jié)構(gòu)連接的不穩(wěn)定，在功能上，萬(wàn)向球云臺(tái)兩端分別連接激光測(cè)距儀基座和支架，實(shí)現(xiàn)了大角度旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易操作和效率高等優(yōu)點(diǎn)。

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(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)際操作時(shí)，依據(jù)人眼視力來(lái)實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)共線難度較大，多次測(cè)量或者不同視力的人員進(jìn)行測(cè)量都難以避免誤差。本裝置利用萬(wàn)向球螺桿中心軸線與激光信號(hào)發(fā)射線路的反向延長(zhǎng)線重合進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度優(yōu)化了校準(zhǔn)精度，對(duì)比三點(diǎn)共線校準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)也便于實(shí)際操作，有利于實(shí)現(xiàn)原位測(cè)量。

基于激光測(cè)距的大斷面巷道收斂變形測(cè)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(cè)距儀和連接支架組，連接支架組包括螺桿、固定旋鈕、萬(wàn)向球云臺(tái)、固定快裝板A、萬(wàn)向球螺桿、固定快裝板B、激光測(cè)距儀固定基座。其中，螺桿通過(guò)固定快裝板A與萬(wàn)向球云臺(tái)連接，萬(wàn)向球云臺(tái)通過(guò)固定旋鈕與萬(wàn)向球螺桿連接，萬(wàn)向球螺桿通過(guò)固定快裝板B與激光測(cè)距儀固定基座連接。

發(fā)射接收裝置在測(cè)量點(diǎn)與激光測(cè)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(shí)物如圖2所示。

1—端頭帶外螺紋短錨桿； 2—巷道圍巖； 3—萬(wàn)向球固定旋鈕； 4—萬(wàn)向球云臺(tái)； 5—萬(wàn)向球螺桿； 6—固定快裝板A； 7—固定快裝板B； 8—激光測(cè)距儀托架； 9—便捷式激光測(cè)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(guò)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，該裝置實(shí)現(xiàn)了以下重要功能： 1)兩端分別通過(guò)內(nèi)外螺紋與激光測(cè)距儀和測(cè)量基點(diǎn)牢固地連接，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)測(cè)量初始狀態(tài)一致； 2)支架組能配合其他待測(cè)基點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)； 3)當(dāng)激光測(cè)距儀轉(zhuǎn)動(dòng)到合適測(cè)量位置(可見(jiàn)激光信號(hào)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)基點(diǎn))時(shí)，旋緊萬(wàn)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(chǎng)的惡劣環(huán)境，同時(shí)又能夠滿足大斷面巷(隧)道的變形測(cè)量要求。

2 巷道收斂變形計(jì)算原理

2.1 布設(shè)測(cè)量基點(diǎn)

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

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 計(jì)算原理

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

圖4 觀測(cè)斷面位移計(jì)算簡(jiǎn)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(duì)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(shí)，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(shí)。因3.0T場(chǎng)強(qiáng)一下不會(huì)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(kāi)陽(yáng)磷礦馬路坪礦區(qū)現(xiàn)已進(jìn)入深部開(kāi)采，地壓顯現(xiàn)十分嚴(yán)重，位于深部下盤紅頁(yè)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(duì)于該區(qū)段的新開(kāi)挖巷道進(jìn)行長(zhǎng)期的表面變形規(guī)律監(jiān)測(cè)需求十分迫切，其中一項(xiàng)重要的工作就是巷道圍巖變形測(cè)量，所采用的監(jiān)測(cè)儀器即為本裝置。

3.2 連接測(cè)試儀器與測(cè)量數(shù)據(jù)

先將快裝板旋入萬(wàn)向球螺桿的外螺紋上，再將萬(wàn)向球螺桿旋入帶內(nèi)螺紋的激光測(cè)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(cè)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(guò)萬(wàn)向球云臺(tái)底部的內(nèi)螺紋接口與兩幫或底板測(cè)量基點(diǎn)外露端頭緊固，并用快裝板鎖緊固牢，即完成測(cè)試儀器的安裝。

旋松萬(wàn)向球固定旋鈕，通過(guò)發(fā)射可見(jiàn)激光方式使激光測(cè)距儀對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)，隨即旋緊萬(wàn)向球固定旋鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)的量測(cè)。在操作時(shí)必須保證萬(wàn)向球螺桿中心軸線與激光信號(hào)發(fā)射線路的反向延長(zhǎng)線重合，從而避免因萬(wàn)向球調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的偏差，且必須把萬(wàn)向球螺桿的長(zhǎng)度計(jì)入總長(zhǎng)度，才能完成兩基點(diǎn)間的距離測(cè)量。同理可完成其他測(cè)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(cè)量方法獲得的數(shù)據(jù)不可避免地存在著單點(diǎn)測(cè)量和多期測(cè)量的偶然誤差和系統(tǒng)誤差，因此需要對(duì)誤差進(jìn)行處理[9]。由于單個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量符合等精度測(cè)量條件，因此采用對(duì)同一測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，用測(cè)定值子樣平均值來(lái)估計(jì)單次測(cè)量真值。此法與單次測(cè)量相比，能夠有效地提高測(cè)量值的精準(zhǔn)度。為了避免多次測(cè)量產(chǎn)生的累計(jì)誤差影響最后的測(cè)量結(jié)果，采用半?yún)?shù)回歸分析法對(duì)多期監(jiān)測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)當(dāng)成某種時(shí)間序列，對(duì)其進(jìn)行分析，采用文獻(xiàn)[10]中的方法進(jìn)行計(jì)算。在儀器的試驗(yàn)階段，以1個(gè)月內(nèi)的巷道兩幫移近量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 兩幫移近量部分計(jì)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(cè)量的工程要求。根據(jù)以上方法對(duì)獲取的120 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了誤差消除后的該新開(kāi)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(shí)間變化的關(guān)系曲線如圖5—6所示。

表2 新開(kāi)挖大巷圍巖觀測(cè)結(jié)果

圖5 圍巖變形隨時(shí)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(shí)間變化的關(guān)系曲線

由圖5—6可知： 巷道開(kāi)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(lái)源。測(cè)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(zhǎng)達(dá)120 d的礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)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(jì)方面，利用萬(wàn)向球云臺(tái)替代多軸連接桿，保持多次測(cè)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(shí)現(xiàn)了原位測(cè)量。

2)測(cè)點(diǎn)布置上，通過(guò)增加BE測(cè)量路線,形成五測(cè)點(diǎn)矩陣ABB′CE，采用改進(jìn)的十字型布置方式。基于該測(cè)點(diǎn)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(duì)中心軸線和頂?shù)装宓淖冃瘟坑?jì)算方法。

3)在數(shù)據(jù)處理上，多種客觀因素導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差需要處理。分別采用測(cè)定值子樣平均值來(lái)估計(jì)單點(diǎn)測(cè)量真值；采用半?yún)?shù)回歸分析法對(duì)多期測(cè)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(duì)該裝置的誤差分析仍需進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)和理論研究。

4)在貴州開(kāi)陽(yáng)磷礦下屬馬路坪礦區(qū)的工程應(yīng)用檢驗(yàn)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(cè)量領(lǐng)域的需求還有待驗(yàn)證。

5)該裝置通過(guò)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了便攜式激光測(cè)距儀對(duì)巷道變形的原位測(cè)量，但是該新型裝置若要進(jìn)一步提升效率，還需要在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jí)高級(jí)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