一种基于激光测距的大断面巷(隧)道收敛变形高效测量装置的研发及应用

马春德, 付 伟, 王业顺, 胡顺喜, 周亚楠

(1. 中南大学高等研究中心， 湖南 长沙 410083； 2. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)



一种基于激光测距的大断面巷(隧)道收敛变形高效测量装置的研发及应用

马春德1, 2, 付 伟2,*, 王业顺2, 胡顺喜2, 周亚楠2

(1. 中南大学高等研究中心， 湖南 长沙 410083； 2. 中南大学资源与安全工程学院， 湖南 长沙 410083)

为保证大断面巷(隧)道收敛变形精确测量，研发了便捷式激光测距仪新装置，通过结构设计创新，新装置利用万向球云台替代多轴连接杆，提高了发射接收装置的稳定性和校准能力，最终实现了原位测量； 测点布置采用改进的十字型布置方式，增加BE测量路线,形成五测点矩阵ABB′CE； 利用小变形原理和三角函数原理推导出了巷道收敛变形计算原理，分别得到了巷道两侧帮相对中轴线的位移量和顶底板的位移量。由于客观因素导致测量数据存在误差，因此针对单次测量和多期测量分别进行误差处理，采用测定值子样平均值来估计单次测量真值，多期测量采用半参数回归分析法消除误差。新型装置在贵州开阳磷矿下属马路坪矿区得到了首次应用，对新开挖大断面巷道表面收敛变形进行长期监测，获得了该矿区深部软岩巷道的基本变形规律。

大断面巷道； 收敛变形； 便捷式激光测距仪； 误差处理； 原位测量； 测量装置

0 引言

传统的巷(隧)道变形监测一般采用接触方式，如挂尺测量，主要适用于小断面巷道变形测量[1]。当常规挂尺测量应用到大断面井巷时表现出明显的局限性，如挂尺困难、温度误差等，且只能进行巷(隧)道的拱顶沉降测量[2]。20世纪90年代初，国外提出了非接触观测的新方法[3-4]。引入国内后，也有以电子经纬仪为主要设备配合激光测距仪对倾斜巷道的测量[5]、以全站仪为主要设备的三维变形量测,平面坐标精度可达1.5 mm，高程精度可达1 mm，能够满足大型隧洞的变形测量要求[6]。此外，还有许多从高精度测量领域引进的测量方法，此处不再赘述。虽然这些方法都能应用于巷道变形的三维精确测量，如适用于隧道变形监测的Leica TC2003全站仪,但这些设备存在价格昂贵、操作复杂和体型笨重等缺点，没有得到大范围推广使用。

近些年，出现了价格低廉的便捷式激光测距仪[7]，测量精度可达±1 mm。它具有精度高、效率高和可便携等优点，被迅速应用于测控、交通和矿山等领域。鉴于该技术已较为成熟，于是将便捷式激光测距仪引入巷(隧)道领域进行收敛变形测量。目前已有部分产品出现，但是连接部件不够稳定，易导致误差。在现场试验中发现，该仪器虽然具有高精度，但是多次测量易产生人为误差，无法达到“原位测量”要求。文章利用万向球云台改进了同类装置的发射装置，采用了新的十字型布置方式，即五测点矩阵ABB′CE； 推导了测量原理，能够分别获得两侧帮相对的位移量和顶底板的位移量。通过对发射装置的改进、测量原理的研究以及测试方法和数据处理的规范化等，实现了原位测量，总结出了一套适用于大断面巷道收敛变形的高效测量方法。

1 装置特征

结构上，同类装置一般都是设计一套多个可绕轴旋转的连接部件作为发射接收装置，使用螺钉和基座对激光测距仪进行固定，基座与固定于测点的可旋转连接杆用螺钉固定，通过控制螺钉来实现旋转。目前市场上类似产品的连接结构由多轴连接杆进行组装，实际操作时测量中心位置会发生变动，不能保持原有位置。本装置设计采用万向球云台取代多轴连接杆，精简了装置，避免了结构连接的不稳定，在功能上，万向球云台两端分别连接激光测距仪基座和支架，实现了大角度旋转，表现出结构简单可靠、易操作和效率高等优点。

在精度方面，同类装置利用激光视轴线、螺钉中心轴线和连接杆中心轴线交于一点进行校准，实际操作时，依据人眼视力来实现三点共线难度较大，多次测量或者不同视力的人员进行测量都难以避免误差。本装置利用万向球螺杆中心轴线与激光信号发射线路的反向延长线重合进行校准，该方法从结构设计的角度优化了校准精度，对比三点共线校准优势明显，同时也便于实际操作，有利于实现原位测量。

基于激光测距的大断面巷道收敛变形测量装置包括反射装置和发射接收装置。反射装置是端头形状为圆球形的锚杆； 发射接收装置包括激光测距仪和连接支架组，连接支架组包括螺杆、固定旋钮、万向球云台、固定快装板A、万向球螺杆、固定快装板B、激光测距仪固定基座。其中，螺杆通过固定快装板A与万向球云台连接，万向球云台通过固定旋钮与万向球螺杆连接，万向球螺杆通过固定快装板B与激光测距仪固定基座连接。

发射接收装置在测量点与激光测距仪之间建立一套稳固的连接装置，也可称之为多自由度连接支架组，其结构如图1所示。具体实物如图2所示。

1—端头带外螺纹短锚杆； 2—巷道围岩； 3—万向球固定旋钮； 4—万向球云台； 5—万向球螺杆； 6—固定快装板A； 7—固定快装板B； 8—激光测距仪托架； 9—便捷式激光测距仪； 10—橡胶带。

图1 发射接收装置结构示意图

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

(a) 发射接收装置各部件

(b) 组合好的发射接收装置

通过设计的创新，该装置实现了以下重要功能： 1)两端分别通过内外螺纹与激光测距仪和测量基点牢固地连接，从而实现重复测量初始状态一致； 2)支架组能配合其他待测基点自由转动； 3)当激光测距仪转动到合适测量位置(可见激光信号对准目标基点)时，旋紧万向球固定旋钮即可固定位置，方便读取数据； 4)连接部件均采用耐腐蚀高强度材料加工，能够适应恶劣的工程环境。该装置部件的优化有利于适应施工现场的恶劣环境，同时又能够满足大断面巷(隧)道的变形测量要求。

2 巷道收敛变形计算原理

2.1 布设测量基点

在测点的布置上，常规的十字型布置方式采用四测点矩阵ABB′C[8]。通过在左下角增加测点E，作为测量基点，增加BE测量路线,形成五测点矩阵ABB′CE，此方法改进了常规的十字型测点布置方法，为推导巷道变形计算原理做了硬件准备。每个断面安装5个基点，具体位置如图3所示，测点A、E安装带有特殊端头的锚杆作为测量基点，其他测点均安装端头为不锈钢圆球的锚杆，并配以便携式激光测距仪。锚杆均采用砂浆全长锚固方式锚固，端头仅留少许外露。

图3 测点布置图

2.2 计算原理

每个侧帮的内移、顶板的下沉量及底板的上鼓量可以通过如下方法求得： 假定每个观测断面的闭合三角形ABB′平面垂直于巷道轴线，且B、B′ 2点的位移在BB′连线上，A点的位移在ABB′平面内，如图4所示。

图4 观测断面位移计算简图

根据图3和图4进行数学推导，假设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)

联立式(1)、(2)、(3)、(4)即可得两侧帮移近量、顶板下沉量和底板上鼓量。

(5)

(6)

式中: Δc1、Δc2为两侧帮相对巷道中轴线的移近量； Δh为顶板下沉量； Δh″为底板上鼓量。

3 工程应用

3.1 应用背景

选择检查孕周时，为免检查影响胎儿发育，检查应选在孕周18周及以上时。因3.0T场强一下不会影响胎儿发育，目前1.5T及3.0T胎儿磁共振已经在临床上得到广泛的应用。

贵州开阳磷矿马路坪矿区现已进入深部开采，地压显现十分严重，位于深部下盘红页岩(软岩)的主要运输巷道(大断面三心拱)出现支护困难，软岩的大变形危害着原有的支护方式。对于该区段的新开挖巷道进行长期的表面变形规律监测需求十分迫切，其中一项重要的工作就是巷道围岩变形测量，所采用的监测仪器即为本装置。

3.2 连接测试仪器与测量数据

先将快装板旋入万向球螺杆的外螺纹上，再将万向球螺杆旋入带内螺纹的激光测距仪固定托架底部，反向旋紧调节快装板将托架完全固定； 然后，将激光测距仪安装在配套的固定托架中，用橡胶带绑固好； 最后，将已连接好的部分通过万向球云台底部的内螺纹接口与两帮或底板测量基点外露端头紧固，并用快装板锁紧固牢，即完成测试仪器的安装。

旋松万向球固定旋钮，通过发射可见激光方式使激光测距仪对准目标测点，随即旋紧万向球固定旋钮，进行数据的量测。在操作时必须保证万向球螺杆中心轴线与激光信号发射线路的反向延长线重合，从而避免因万向球调整转动导致的偏差，且必须把万向球螺杆的长度计入总长度，才能完成两基点间的距离测量。同理可完成其他测量。

3.3 误差处理及变形分析

由于仪器、人以及外界环境等客观因素的影响，使用以上测量方法获得的数据不可避免地存在着单点测量和多期测量的偶然误差和系统误差，因此需要对误差进行处理[9]。由于单个测点的测量符合等精度测量条件，因此采用对同一测点进行多次测量，用测定值子样平均值来估计单次测量真值。此法与单次测量相比，能够有效地提高测量值的精准度。为了避免多次测量产生的累计误差影响最后的测量结果，采用半参数回归分析法对多期监测数据消除误差。

半参数模型的矩阵形式为

L=Bx+S+ε。

(7)

把测量数据当成某种时间序列，对其进行分析，采用文献[10]中的方法进行计算。在仪器的试验阶段，以1个月内的巷道两帮移近量数据为例进行计算，得到的计算结果如表1所示。

表1 两帮移近量部分计算结果

从表1可以看出，权方差σ0最大值为0.30 mm2，维持了误差消除的较高精度，能够满足巷道收敛变形测量的工程要求。根据以上方法对获取的120 d监测数据进行处理，得到了误差消除后的该新开挖巷道两侧帮位移量、顶板下沉量、底鼓量以及当月的位移速率，如表2所示。围岩变形、巷道底鼓量随时间变化的关系曲线如图5—6所示。

表2 新开挖大巷围岩观测结果

图5 围岩变形随时间变化的关系曲线

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

图6 巷道底鼓量随时间变化的关系曲线

由图5—6可知： 巷道开挖后40 d是两帮及顶板变形的活跃期，随后巷道变形进入稳定期。两帮移近量和底鼓量分别达到了158 mm和275 mm，这2种变形是巷道围岩变形的主要来源。测量结果与当前巷道变形的研究成果较为接近，符合深部软岩巷道的基本变形规律。在长达120 d的矿山现场实地测量应用中，该装置未出现大的机械故障，保持了较低的故障率。

4 结论与讨论

1)在设计方面，利用万向球云台替代多轴连接杆，保持多次测量的位置不变，从而改进了同类装置的发射接收结构及校准性能，实现了原位测量。

2)测点布置上，通过增加BE测量路线,形成五测点矩阵ABB′CE，采用改进的十字型布置方式。基于该测点布置方式和巷道变形原理，利用小变形原理和三角函数原理分别推导了巷道两侧帮相对中心轴线和顶底板的变形量计算方法。

3)在数据处理上，多种客观因素导致测量数据存在误差需要处理。分别采用测定值子样平均值来估计单点测量真值；采用半参数回归分析法对多期测量数据的误差进行处理，得到了较为可靠的结果。但对该装置的误差分析仍需进行更多的实验和理论研究。

4)在贵州开阳磷矿下属马路坪矿区的工程应用检验了该新型装置的可靠性，是否满足在大断面巷(隧)道收敛变形测量领域的需求还有待验证。

5)该装置通过创新实现了便携式激光测距仪对巷道变形的原位测量，但是该新型装置若要进一步提升效率，还需要在实现自动化和智能化等方面做进一步研究。

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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

马春德(1976—)，男，辽宁丹东人，2010年毕业于中南大学，采矿工程专业，博士后，教授级高级工程师，主要从事岩石力学与采矿工程方面的研究工作。E-mail： cd.ma@163.com。*通讯作者： 付伟， 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