公开了一种隧洞结构面产状双激光照准测量方法，属于岩土力学测试技术领域。该测量方法包括：建立以隧洞的轴线方向为Y轴、天顶方向为Z轴的测量坐标系；根据水平方位角分别为0°0′0″、180°0′0″时全站仪与隧洞壁面的平距以及隧洞的直径，确定测量坐标系的原点在隧洞横断面的位置；获取隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标；直至特征点的数量达到3个或以上时，连接各特征点，得到隧洞同一结构面的出露迹线；重复上述步骤，得到测站有效测量距离内的所有结构面的出露迹线；对所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所有结构面的产状信息。其能够为隧洞围岩关键块体的搜索和围岩稳定性分析提供必须的基础信息。
1.一种隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，所述测量方法在联合应用手持激光装置和免棱镜全站仪的条件下实现，所述测量方法包括以下步骤：调平所述全站仪并调整设置于所述全站仪上的望远镜，使得所述望远镜的垂直角读数为水平0°；
调整所述望远镜的视线方向，获取所述望远镜距离隧洞的壁面平距最小的方位，定义此时所述望远镜视线方向为垂直所述隧洞轴线方向的方向，设置所述望远镜的视线方向的水平方位角为0°0′0″；
建立以所述隧洞的轴线方向为Y轴、天顶方向为Z轴的测量坐标系；
根据水平方位角为0°0′0″时所述全站仪与隧洞壁面的平距、水平方位角为180°0′0″时所述全站仪与隧洞壁面的平距以及隧洞的直径，确定所述测量坐标系的原点在隧洞横断面的位置；
通过控制点坐标测量确定所述全站仪的位置桩号，并同时使用地质罗盘测量所述全站仪洞轴线走向方位角，建立起一测站；
应用手持激光装置追踪所述隧洞结构面迹线并确认所述隧洞结构面迹线的特征点；
旋转所述全站仪的镜头，待所述全站仪发射出的激光斑点与所述手持激光装置发射出的激光斑点重合时，锁定所述全站仪的镜头，获取所述隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标；
重复获取所述隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标的步骤，直至所述特征点的数量达到3个或以上时，连接各所述特征点，得到所述隧洞同一结构面的出露迹线，其中，针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点中，至少有3个特征点为不共线的特征点；
重复上述步骤，得到所述测站有效测量距离内的所有结构面的出露迹线；
对所述所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所述所有结构面的产状信息；其中，对所述所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所述所有结构面的产状信息具体为：记结构面的产状为(α,β)，其中，α为倾向，β为倾角，则有l＝sinβsinα (1a)
其中，(l,m,n)为针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量。
2.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，调整所述望远镜的视线方向，获取所述望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位的方法包括以下步骤：令所述望远镜的视线方向瞄准所述隧洞的壁面，使所述望远镜的视线指向垂直所述隧洞的轴向；
左右摆动所述望远镜，记所述望远镜距离所述隧洞的壁面平距减小的方向为第一方向，记与所述第一方向相反的方向为第二方向；
令所述望远镜向所述第一方向摆动，每次摆动的幅度为1°，测量并记录所述望远镜每次摆动后，所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距，直至所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距出现增加时，令所述望远镜向所述第二方向摆动，每次摆动的幅度为30′，测量并记录所述望远镜每次摆动后，所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距；如此循环往复调整所述望远镜的视线方向，当所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距出现增加时，改变所述望远镜的摆动方向，并折减所述望远镜的摆动幅度，直至所述望远镜的摆动幅度无限趋近于0时，获取所述望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位。
3.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，所述通过控制点坐标测量确定所述全站仪的位置桩号时，使用测钉或者喷漆记录所述测站的位置。
4.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，所述手持激光装置为激光笔。
5.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，所述手持激光装置发射出的激光的颜色与所述全站仪发射出的激光的颜色为不同的颜色。
6.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，当所述隧洞同一结构面的出露迹线为首尾连接的迹线时，标记所述首尾连接的迹线为闭合曲线。
7.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，当针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点为3个时，根据3个所述特征点的坐标，即可得到针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量，记为(l,m,n)。
8.根据权利要求1所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，当针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点大于3个时，针对所述隧洞同一结构面的出露迹线进行平面方程拟合的方法为最小二乘法。
9.根据权利要求8所述的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其特征在于，所述最小二乘法的计算过程包括以下步骤：设针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点的个数为N，其中，N为大于3的正整数，将其转换至全局坐标下，并记做Pi(xi,yi,zi)，此时，针对所述隧洞同一结构面所在的平面方程为Ax+By+Cz+D＝0 (3)
记特征点Pi(xi,yi,zi)到平面的距离为di，如下：令 为目标函数，现欲使得L最小化，则需满足以下必要条件
若n＜0，则将l、m和n同时取反，其中，针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量，记为(l,m,n)，即让法向矢量指向上半空间。
隧洞结构面产状双激光照准测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土力学测试技术领域，特别是涉及一种隧洞结构面产状双激光照准测量方法。
背景技术
[0002] 工程岩体的变形、强度和稳定性受岩体结构控制；结构面的产状是描述岩体结构的重要基础信息，是划分不同工程地质单元的基本依据；同时，也是地下洞室、人工边坡和坝基设计所必需的重要地质参数。因此，及时、准确和系统地获取结构面的产状信息对岩石工程的勘察、设计和施工具有重要的指导意义。
[0003] 对结构面的产状信息进行编录，传统的方式是测量人员采用机械式地质罗盘仪选择结构面有代表性的暴露部位进行测量、读数和记录；其优点是测量技术成本低、工具简单且便于携带。然而，作为一种接触式的量测方法，测量人员必须充分接近被测结构面、且需要在结构面的出露部位有大小合适的暴露面积以放置地质罗盘。因此，在下面两种情况下地质罗盘仪显得无能为力：①因距离的关系无法直接接触或是因潜在危险而难以靠近的结构面，如大型地下洞室的顶拱、高陡边坡等；②出露形态呈线条状、两侧岩体基本无破缺的结构面。在第一种情况下，测量人员无法接触到被测目标；在第二种情况下，测量人员可以充分接近测试目标，然后，却没有合适的位置以放置罗盘仪。
[0004] TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘进机)开挖属于非爆破开挖，对岩体的损伤和扰动小，开挖形成的洞壁光滑平整；结构面在TBM洞壁上一般呈现为闭合的线状迹线；且由于TBM洞径较大，测量人员难以直接接触洞壁上出露的结构面。因此，传统的基于地质罗盘仪的测量方法在TBM隧洞中难以适用。对于不做系统支护和衬砌设计的TBM洞段，在对结构面进行系统量测的基础上进行关键块体的搜索和分析对于保障围岩稳定和施工安全具有十分重要的意义。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其能够对TBM开挖形成的隧洞进行系统的结构面编录，并获取结构面的产状及迹线网络信息，从而为隧洞围岩关键块体的搜索和围岩稳定性分析提供必须的基础信息，从而更加适于实用。
[0006] 为了达到上述第一个目的，本发明提供的隧洞结构面产状双激光照准测量方法的技术方案如下：
[0007] 本发明提供的隧洞结构面产状双激光照准测量方法在联合应用手持激光装置和免棱镜全站仪的条件下实现，所述测量方法包括以下步骤：
[0008] 调平所述全站仪并调整设置于所述全站仪上的望远镜，使得所述望远镜的垂直角读数为水平0°；
[0009] 调整所述望远镜的视线方向，获取所述望远镜距离隧洞的壁面平距最小的方位，定义此时所述望远镜视线方向为垂直所述隧洞轴线方向的方向，设置所述望远镜的视线方向的水平方位角为0°0′0″；
[0010] 建立以所述隧洞的轴线方向为Y轴、天顶方向为Z轴的测量坐标系；
[0011] 根据水平方位角为0°0′0″时所述全站仪与隧洞壁面的平距、水平方位角为180°0′0″时所述全站仪与隧洞壁面的平距以及隧洞的直径，确定所述测量坐标系的原点在隧洞横断面的位置；
[0012] 通过控制点坐标测量确定所述全站仪的位置桩号，并同时使用地质罗盘测量所述全站仪洞轴线走向方位角，建立起一测站；
[0013] 应用手持激光装置追踪所述隧洞结构面迹线并确认所述隧洞结构面迹线的特征点；
[0014] 旋转所述全站仪的镜头，待所述全站仪发射出的激光斑点与所述手持激光装置发射出的激光斑点重合时，锁定所述全站仪的镜头，获取所述隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标；
[0015] 重复获取所述隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标的步骤，直至所述特征点的数量达到3个或以上时，连接各所述特征点，得到所述隧洞同一结构面的出露迹线，其中，针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点中，至少有3个特征点为不共线的特征点；
[0016] 重复上述步骤，得到所述测站有效测量距离内的所有结构面的出露迹线；
[0017] 对所述所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所述所有结构面的产状信息。
[0018] 本发明提供的隧洞结构面产状双激光照准测量方法还可采用以下技术措施进一步实现。
[0019] 作为优选，调整所述望远镜的视线方向，获取所述望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位的方法包括以下步骤：
[0020] 令所述望远镜的视线方向瞄准所述隧洞的壁面，使所述望远镜的视线指向垂直所述隧洞的轴向；
[0021] 左右摆动所述望远镜，记所述望远镜距离所述隧洞的壁面平距减小的方向为第一方向，记与所述第一方向相反的方向为第二方向；
[0022] 令所述望远镜向所述第一方向摆动，每次摆动的幅度为1°，测量并记录所述望远镜每次摆动后，所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距，直至所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距出现增加时，令所述望远镜向所述第二方向摆动，每次摆动的幅度为30′，测量并记录所述望远镜每次摆动后，所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距；如此循环往复调整所述望远镜的视线方向，当所述望远镜距离所述隧洞的壁面间的平距出现增加时，改变所述望远镜的摆动方向，并折减所述望远镜的摆动幅度，直至所述望远镜的摆动幅度无限趋近于0时，获取所述望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位。
[0023] 作为优选，所述通过控制点坐标测量确定所述全站仪的位置桩号时，使用测钉或者喷漆记录所述测站的位置。
[0024] 作为优选，所述手持激光装置为激光笔。
[0025] 作为优选，所述手持激光装置发射出的激光的颜色与所述全站仪发射出的激光的颜色为不同的颜色。
[0026] 作为优选，当所述隧洞同一结构面的出露迹线为首尾连接的迹线时，标记所述首尾连接的迹线为闭合曲线。
[0027] 作为优选，对所述所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所述所有结构面的产状信息具体为：
[0028] 记结构面的产状为(α,β)，其中，α为倾向，β为倾角，则有
[0029] l＝sinβsinα (1a)
[0030] m＝sinβcosα (1b)
[0031] n＝cosβ (1c)
[0032] 得到
[0033] β＝arccos(n) (2)
[0034]
[0035] 其中，(l,m,n)为针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量。
[0036] 作为优选，当针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点为3个时，根据3个所述特征点的坐标，即可得到针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量，记为(l,m,n)。
[0037] 作为优选，当针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点大于3个时，针对所述隧洞同一结构面的出露迹线进行平面方程拟合的方法为最小二乘法。
[0038] 作为优选，所述最小二乘法的计算过程包括以下步骤：
[0039] 设针对所述隧洞同一结构面的出露迹线的特征点的个数为N，其中，N为大于3的正整数，将其转换至全局坐标下，并记做Pi(xi,yi,zi)，此时，针对所述隧洞同一结构面所在的平面方程为
[0040] Ax+By+Cz+D＝0 (3)
[0041] 其中，A、B、C和D为待定系数；
[0042] 记特征点Pi(xi,yi,zi)到平面的距离为di，如下：
[0043]
[0044] 令 为目标函数，现欲使得L最小化，则需满足以下必要条件
[0045]
[0046] 将(2)式代入(3)式可得
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 写成矩阵形式如下
[0052]
[0053] 由(5)式可求得待定系数A、B、C和D；
[0054] 由A、B、C和D可求得结构面的法向矢量如下：
[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 若n＜0，则将l、m和n同时取反，其中，针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量，记为(l,m,n)，即让法向矢量指向上半空间。
[0059] 本发明实施例提供的隧洞结构产状双激光照准测量方法需要免棱镜全站仪发射激光，其无需在测点安装反光设备即可直接通过物体直接反射光线进行测量，而无免棱镜功能的普通全站仪则需要在测点安装反光设施，如棱镜或反射片。其尤其适用于隧道掘进机法施工隧洞结构面产状双激光照准测量，可为隧洞围岩关键块体的搜索和围岩稳定性分析提供必须的基础信息，具有重要理论意义和工程实用价值。
附图说明
[0060] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
[0061] 在附图中：
[0062] 图1为本发明实施例提供的隧洞结构面产状双激光照准测量方法的步骤流程图；
[0063] 图2为本发明实施例提供的隧洞结构面产状双激光照准测量方法在应用过程中的模型图。
具体实施方式
[0064] 本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其能够对TBM开挖形成的隧洞进行系统的结构面编录，并获取结构面的产状及迹线网络信息，从而为隧洞围岩关键块体的搜索和围岩稳定性分析提供必须的基础信息，从而更加适于实用。
[0065] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的隧洞结构面产状双激光照准测量方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
[0066] 本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
[0067] 参见附图1和附图2，本发明实施例提供的隧洞结构面产状双激光照准测量方法在联合应用手持激光装置和免棱镜全站仪的条件下实现，测量方法包括以下步骤：
[0068] 步骤S1：调平全站仪并调整设置于全站仪上的望远镜，使得望远镜的垂直角读数为水平0°；
[0069] 步骤S2：调整望远镜的视线方向，获取望远镜距离隧洞的壁面平距最小的方位，定义此时望远镜视线方向为垂直隧洞轴线方向的方向，设置望远镜的视线方向的水平方位角为0°0′0″；
[0070] 步骤S3：建立以隧洞的轴线方向为Y轴、天顶方向为Z轴的测量坐标系；
[0071] 步骤S4：根据水平方位角为0°0′0″时全站仪与隧洞壁面的平距、水平方位角为180°0′0″时全站仪与隧洞壁面的平距以及隧洞的直径，确定测量坐标系的原点在隧洞横断面的位置；
[0072] 步骤S5：通过控制点坐标测量确定全站仪的位置桩号，并同时使用地质罗盘测量全站仪洞轴线走向方位角，建立起一测站；
[0073] 步骤S6：应用手持激光装置追踪隧洞结构面迹线并确认隧洞结构面迹线的特征点；
[0074] 步骤S7：旋转全站仪的镜头，待全站仪发射出的激光斑点与手持激光装置发射出的激光斑点重合时，锁定全站仪的镜头，获取隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标；
[0075] 步骤S8：重复获取隧洞结构面迹线的特征点的局部坐标的步骤，直至特征点的数量达到3个及以上时，连接各特征点，得到隧洞同一结构面的出露迹线，其中，针对隧洞同一结构面的出露迹线的特征点中，至少有3个特征点为不共线的特征点；
[0076] 步骤S9：重复上述步骤，得到测站有效测量距离内的所有结构面的出露迹线；
[0077] 步骤S10：对所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所有结构面的产状信息。
[0078] 本发明实施例提供的隧洞结构产状双激光照准测量方法需要免棱镜全站仪发射激光，其无需在测点安装反光设备即可直接通过物体直接反射光线进行测量，而无免棱镜功能的普通全站仪则需要在测点安装反光设施，如棱镜或反射片。其尤其适用于隧道掘进机法施工隧洞结构面产状双激光照准测量，可为隧洞围岩关键块体的搜索和围岩稳定性分析提供必须的基础信息，具有重要理论意义和工程实用价值。
[0079] 其中，调整望远镜的视线方向，获取望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位的方法包括以下步骤：
[0080] 令望远镜的视线方向瞄准隧洞的壁面，使望远镜的视线指向垂直隧洞的轴向；
[0081] 左右摆动望远镜，记望远镜距离隧洞的壁面平距减小的方向为第一方向，记与第一方向相反的方向为第二方向；
[0082] 令望远镜向第一方向摆动，每次摆动的幅度为1°，测量并记录望远镜每次摆动后，望远镜距离隧洞的壁面间的平距，直至望远镜距离隧洞的壁面间的平距出现增加时，令望远镜向第二方向摆动，每次摆动的幅度为30′，测量并记录望远镜每次摆动后，望远镜距离隧洞的壁面间的平距；如此循环往复调整望远镜的视线方向，当望远镜距离隧洞的壁面间的平距出现增加时，改变望远镜的摆动方向，并折减望远镜的摆动幅度，直至望远镜的摆动幅度无限趋近于0时，获取望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位。
[0083] 通过这种方式，能够仅应用望远镜本身即可获取到望远镜距离隧洞的壁面的平距最小的方位，无需增设其他设备，其不仅操作简单，而且成本很小。
[0084] 其中，通过控制点坐标测量确定全站仪的位置桩号时，使用测钉或者喷漆记录测站的位置。通过这种方式可以很方便地记录测站的位置。
[0085] 其中，手持激光装置为激光笔。其应用成本低廉。
[0086] 其中，手持激光装置发射出的激光的颜色与全站仪发射出的激光的颜色为不同的颜色。通过这种方式，可以很方便地确认全站仪发射出的激光斑点与手持激光装置发射出的激光斑点重合的位置。
[0087] 其中，当隧洞同一结构面的出露迹线为首尾连接的迹线时，标记首尾连接的迹线为闭合曲线。
[0088] 其中，对所有结构面的出露迹线进行后处理，得到所有结构面的产状信息具体为：
[0089] 记结构面的产状为(α,β)，其中，α为倾向，β为倾角，则有
[0090] l＝sinβsinα (1a)
[0091] m＝sinβcosα (1b)
[0092] n＝cosβ (1c)
[0093] 得到
[0094] β＝arccos(n) (2)
[0095]
[0096] 其中，(l,m,n)为针对隧洞同一结构面所在平面的法向矢量。
[0097] 其中，当针对隧洞同一结构面的出露迹线的特征点为3个时，根据3个特征点的坐标，即可得到针对隧洞同一结构面所在平面的法向矢量，记为(l,m,n)。
[0098] 其中，当针对隧洞同一结构面的出露迹线的特征点大于3个时，针对隧洞同一结构面的出露迹线进行平面方程拟合的方法为最小二乘法。
[0099] 其中，最小二乘法的计算过程包括以下步骤：
[0100] 设针对隧洞同一结构面的出露迹线的特征点的个数为N，其中，N为大于3的正整数，将其转换至全局坐标下，并记做Pi(xi,yi,zi)，此时，针对隧洞同一结构面所在的平面方程为
[0101] Ax+By+Cz+D＝0 (3)
[0102] 其中，A、B、C和D为待定系数；
[0103] 记特征点Pi(xi,yi,zi)到平面的距离为di，如下：
[0104]
[0105] 令 为目标函数，现欲使得L最小化，则需满足以下必要条件
[0106]
[0107] 将(2)式代入(3)式可得
[0108]
[0109]
[0110]
[0111]
[0112] 写成矩阵形式如下
[0113]
[0114] 由(5)式可求得待定系数A、B、C和D；
[0115] 由A、B、C和D可求得结构面的法向矢量如下：
[0116]
[0117]
[0118]
[0119] 若n＜0，则将l、m和n同时取反，其中，针对所述隧洞同一结构面所在平面的法向矢量，记为(l,m,n)，即让法向矢量指向上半空间。
[0120] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0121] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
