阅读说明：本技术 一种具有参数识别功能的隧道三维自动化激光测距装置 (Tunnel three-dimensional automatic laser ranging device with parameter identification function ) 是由 姜谙男 郑帅 姜相松 董庆波 罗国成 梁彩 胡雪峰 焦明伟 段龙梅 吴顺 于 2020-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种具有参数识别功能的隧道三维自动化激光测距装置,其包括：数据采集单元,能够同时获取隧道拱顶沉降、洞周收敛和监测位置距掌子面距离的三个方向位移变化监测数据,同时本发明结构具有自我保护结构,能够有效防止隧道工程中的渗水、爆破碎石飞溅等对测量结构的破坏；数据处理单元,能够基于测量单元所采集的位移变化数据进行相应的围岩参数识别；数据传输单元,能够对原始围岩参数勘察值与围岩参数识别结果进行比较并向工程管理人员输出结果。本发明能够同时实现三个方向上的位移变化监测,更有效地弥补隧道空间效应带来的断面二维监测的误差；还能够进行围岩参数自动识别,为工程管理人员认知当前围岩的真实状态提供数据基础。因此本发明弥补了人工测量周期长、精度低的缺点,实现了隧道空间效应的实时自动化监测及岩体参数的准确识别。(The embodiment of the invention discloses a tunnel three-dimensional automatic laser ranging device with a parameter identification function, which comprises: the system comprises a data acquisition unit, a data acquisition unit and a data processing unit, wherein the data acquisition unit can simultaneously acquire displacement change monitoring data of three directions of the settlement of the vault of the tunnel, the convergence of the periphery of the tunnel and the distance between a monitoring position and a tunnel face; the data processing unit can identify corresponding surrounding rock parameters based on the displacement change data acquired by the measuring unit; and the data transmission unit can compare the original surrounding rock parameter reconnaissance value with the surrounding rock parameter identification result and output the result to engineering management personnel. The invention can simultaneously realize the displacement change monitoring in three directions, and more effectively compensate the error of the two-dimensional monitoring of the section caused by the tunnel space effect; and the surrounding rock parameters can be automatically identified, so that a data basis is provided for the engineering management personnel to know the real state of the current surrounding rock. Therefore, the invention makes up the defects of long manual measurement period and low precision, and realizes the real-time automatic monitoring of tunnel space effect and the accurate identification of rock mass parameters.)

一种具有参数识别功能的隧道三维自动化激光测距装置

技术领域

本发明涉及隧道数据监测及参数识别技术，尤其涉及一种具有参数识别功 能的隧道三维自动化激光测距装置。

背景技术

隧道建设过程中首先需要保证工程的稳定性。当前工程稳定性的判别方式 主要是通过人工测量的方式监测隧道围岩位移，这种方法频率低、误差大且有 较大风险。自动化监测具有较高的测量精度和频率，但是当前隧道工程中应用 的自动化监测结构多以隧道拱顶沉降或洞周收敛为监测目标，属于隧道断面二 维监测，监测数据受空间效应影响很大，无法反应工程整体的稳定状态，监测 结果具有一定的局限性。

当前能用于隧道工程中的已有激光测距装置结构简单、功能单一，主要存 在以下几方面的问题：(1)测量目标仅为二维平面上的拱顶沉降和洞周收敛，无 法测量当前监测位置与掌子面的距离，即无法反应空间效应对隧道位移的影响； 有的激光扫描装置能够扫描断面的三维图像，但是这种装置成本高，不容易长 期监测使用。大多数激光监测仪需要人工在现场操作，无法实现在线自动化的 监测。(2)既有结构未考虑隧道建设过程中环境的复杂性(主要表现为爆破开挖 产生的碎石飞溅以及围岩渗水)，未设计相应的仪器保护装置及与其配套的固定 支撑装置，现有的隧道激光测距装置在应用过程中容易受到破坏。(3)既有激光 测距结构仅为二维的人工协助的测量装置，监测频率低，尤其没有同时监测距 离掌子面距离，无法正确预测围岩的参数。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，特提出了一种具有参数识别功能的隧道三维 自动化激光测距装置，其特征在于，包括：

数据采集单元，所述数据采集单元能够同时获取拱顶沉降、洞周收敛和监 测位置距掌子面距离三个方向上的位移变化监测数据；

数据处理单元，能够对数据采集单元所获得的采样数据即位移变化监测数 据进行相应的围岩参数识别并获得围岩参数识别结果；

数据传输单元，能够对位移监测结果、原始围岩参数勘察值与围岩参数识 别结果进行比较并向工程管理人员输出结果。

可选的，在其中一个实施例中，所述数据采集单元包括：

测量结构，所述测量结构分别用于监测获取拱顶沉降、洞周收敛和监测位 置距掌子面距离三个方向上的位移变化监测数据；

保护结构，所述保护结构内容纳各所述测量结构；

以及支撑结构，所述支撑结构能够将所述保护结构固定于隧道侧壁。

可选的，在其中一个实施例中，所述测量结构包括：拱顶测量模块、拱腰 测量模块、施工面测量模块、垂向支撑架、水平支撑架、连接螺栓；其中，所 述拱顶测量模块固定于所述垂向支撑架上，用以获取对应拱顶监测方向下，安 装点与拱顶监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述拱腰测量模块固定于所 述水平支撑架的其中一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装 点与拱腰监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述施工面测量模块固定于所 述水平支撑架的另一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测方向下，安装点 与施工面监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述水平支撑架固定在所述保护结构内部，且由两个直角梯形板相互焊接构成直角弯板；所述垂向支撑架通 过连接螺栓在所述水平支撑架上。

可选的，在其中一个实施例中，所述拱顶测量模块、拱腰测量模块、施工 面测量模块均通过方向调整结构调整对应的监测方向。

可选的，在其中一个实施例中，所述方向调整结构固定在所述水平支撑架 表面所开设的内齿轮孔结构内，其中，方向调整结构包括：第一调整体、第二 调整体以及滚珠环，其中，所述第一调整体固定在所述拱顶测量模块/拱腰测量 模块/施工面测量模块上，所述第二调整体的直径小于第一调整体的直径且固定 在所述第一调整体中心位置以构成一体式结构，同时所述第二调整体的外径周 向设置塑胶制外齿轮结构；所述内齿轮孔结构与塑胶制外齿轮结构间相互啮合； 所述滚珠环内嵌于第一调整体下表面所开设的凹槽中。

可选的，在其中一个实施例中，所述保护结构包括由盖板、侧板以及底板 构成的箱体结构；其中所述盖板一侧通过转轴固定在侧板上，以使得所述盖板 能够围绕转轴旋转，进而打开箱体结构进行测量模块的安装及调节；且所述箱 体结构上设置有能够使得测量模块发出的测量激光能够无阻挡射出的钢化玻 璃。

可选的，在其中一个实施例中，所述侧板包括第一侧板、第二侧板以及第 三侧板；所述第一侧板通过转轴固定所述盖板，所述第二侧板的高度低于所述 第一侧板并通过所述第二侧板形成倾斜度的侧壁结构且所述侧壁结构与盖板形 成有防水檐。

可选的，在其中一个实施例中，所述支撑结构包括水平支撑杆、竖向支撑 杆、侧向支撑杆，其中，所述水平支撑杆一端固定在所述隧道侧壁上，另一端 与所述侧向支撑杆连接；所述侧向支撑杆另一端固定在所述隧道侧壁上；所述 竖向支撑杆一端固定在所述水平支撑杆上，另一端固定在所述侧向支撑杆上。

可选的，在其中一个实施例中，所述数据处理单元对应的围岩参数快速识 别策略包括：

S1、建立多组不同隧道围岩基本参数组合所构成的正交样本数据，所述隧 道围岩基本参数至少包括弹性模量和泊松比；

S2、获取每一种隧道围岩参数组合下所对应的隧道空间特征采样数据并形 成映射样本组以创建基于位移监测数据识别围岩基本参数数据的训练集；

S3、确定所述训练集对应的映射关系以获取非线性映射模型，并基于所述 非线性映射模型，对测量模块所采集的采样数据进行相应的围岩参数识别。

可选的，在其中一个实施例中，所述S2包括：

S21、基于所确定的监测位置距掌子面距离数据，获取每一种弹性模量和泊 松比组合下所对应的监测断面的拱顶沉降与洞周收敛数据；

S22、形成映射样本组以创建基于位移监测数据识别围岩基本参数数据的训 练集；其中，所述映射样本组的表达形式为：

其中，矩阵X由各组隧道空间特征采样数据构成，矩阵Y由监测位置围岩 参数构成，即x_i包含有监测断面的拱顶沉降x_ipd、洞周收敛x_iLd以及监测位置距掌 子面距离数据d_i，y_i包含有弹性模量E_i和泊松比μ_i，则对应的映射关系表示为

可选的，在其中一个实施例中，所述S3包括：

S31、设定矩阵X对应的矩阵Y服从正态分布，那么Y的分布特征矩阵为：

公式简化表示为

其中，μ₁、μ₂、μ₃...μ_n为这个联合分布的特征向量；k₁₁、k₁₂、k₁₃...k_nn所形 成的矩阵为协方差矩阵，其表示为k_ij，可通过矩阵X求解得到；

那么对一个新的待预测目标y*，假设其与训练集同属一个n+1维联合正态 分布，分布模型表示为：

上述公式可简化表示为：y*～N(μ*,σ*)

可求解得到其中μ*,σ*分别为待求参数 的均值和方差。重复这个过程，进而分别完成对待预测目标弹性模量E_i和泊松 比μ_i分布参数的求解；

S32、基于所述非线性映射模型，对数据采集单元所采集的采样数据进行相 应的围岩参数识别。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

本发明首先以激光测距为基础开发了一种能够考虑空间效应的隧道多点位 移监测结构以通过该结构弥补人工测量周期长、精度低的缺点，进而实现隧道 位移的实时自动化准确监测且能够同时监测多个方向上的位移，同时可进行掌 子面进尺与拱顶沉降、洞周收敛的监测，实现了自动化监测比人工监测更准确、 及时；并能够为隧道安全施工提供保障；且同时考虑了侧墙固定、测量角度微 调、测量核心仪器防水、防碰撞保护等，提高设备使用寿命的同时保证了测量 精度；其次该结构自带的数据处理单元能够实现围岩参数自动识别及预警判断 功能，监测与数据处理结果经由其内集成的数据传输系统上传至云端，能够实 现多终端实时获取；再次，基于监测结果的围岩参数识别考虑了隧道开挖的空 间效应，识别结果更准确，也就是说传统的隧道围岩参数识别与位移监控预警 过程中，监测位置距掌子面距离一项在以往的监测过程中并未被重视，但是这 项数据的变化将会影响其他两项位移数据，其代表了隧道开挖的空间效应影响。 因此可以说本发明综合考虑三项监测内容进行隧道围岩参数识别，能够得到更 准确的识别结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明所述数据采集单元结构示意图；

图3为本发明所述测量结构对应的结构示意图；

图4为本发明所述方向调整结构的结构示意图；

图5为本发明所述水平支撑架的结构示意图；

图6为本发明所述支撑结构的结构示意图；

图7为本发明所述空间监测目标分布示意图；

图8为本发明所述监测数据换算关系的平面示意图；

图9为本发明所述装置的实现流程框图；

图10为一个实施例中所述数值计算模型示意图；

图11为一个实施例中所述隧道变形特征曲线示意图；

图12为一个实施例中所述隧道参数识别模块实现流程图；

图13为一个实施例中所述隧道参数识别模块的非线性映射关系拓扑图；

图14为一个实施例中隧道实测曲线图；

图中：1、测量结构，11、拱顶测量模块，12、拱腰测量模块，13、施工面 测量模块，14、垂向支撑架，15、水平支撑架，151、内齿轮孔，152、焊接缝， 16、第一连接螺栓，17、方向调整结构，171、第一调整体，172、塑胶制外齿 轮，173、滚珠环，174、刻度盘，2、保护结构，21、防水檐，22、钢化玻璃， 23、转轴，3、支撑结构，31、水平支撑杆，32、竖向支撑杆，33、侧向支撑杆， 34、第二连接螺栓，35、膨胀螺栓，4、数据处理单元，5、数据传输单元，51、 信号发射天线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。可以理解，本发 明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元 件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例 来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类 似地，可将第二元件为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不 是同一元件。

针对当前隧道安全监测过程中人工测量频率较低与精度较差等问题，在本 实施例中，研发了一种具有参数识别功能的隧道三维自动化激光测距装置，具 有以下特点：(1)所设计的一体化装置可直接安装于隧道衬砌表面，装置带有 自我保护结构，具有防水、放爆破飞石功能，并且能够根据工程实际情况调整 测量角度，具有对复杂、恶劣工程环境的适用性；(2)其可同时实现拱顶沉降、 洞周收敛以及监测位置距掌子面距离三个方向的隧道位移数据监测，能够弥补 隧道开挖空间效应带来的传统监测误差；(3)该装置集成了围岩参数识别功能 模块，能够利用集成于结构中的智能计算方法，根据监测得到的位移数据实时 准确地识别得到当前围岩物理力学参数，为工程人员提供更直观的数据参考。 同时，装置安装拆卸方便，可以循环使用，具有很大成本优势。

基于上述设计要点，可知本实施例所述的装置各个单元具体技术特征，包 括：

(1)数据采集单元，所述数据采集单元具有特定的测量结构，能够同时获 取拱顶沉降、洞周收敛和监测位置距掌子面距离三个方向上的位移变化监测数 据，更全面地反映隧道在空间效应影响下的位移变化过程；同时所述测量单元 还具有自我保护结构，以对隧道爆破施工及富水环境，能够有效实现精密测量 仪器的防水、防爆破飞石溅射功能；所述测量单元还要具有独立的支撑固定结 构，对于隧道工程在空间上的纵向延伸特征，以能够提供稳固支撑且便于拆卸 的支撑结构，在当前区域施工结束后，装置可拆卸运移并用于下一个目标位置， 提高了本发明结构的利用效率；

(2)数据处理单元，所述数据处理单元能够根据测量模块所采集的空间效 应变形数据识别获得接近于真实状态的围岩参数；该单元以集成电路板的形式 连接于装置中，以接收测量单元的数据测量结果并输出相应的围岩参数；例如 该单元中可预先定义了目标隧道工程的数值计算模型、围岩位移与参数的非线 性映射模型，以在应用过程中实现快速准确的参数识别；对于隧道施工设计而 言，围岩位移测量结果表达的隧道稳定性信息较为模糊，本单元输出的围岩参 数更直观地反映了当前围岩状态，为工程管控提供直接参考；

(3)数据传输单元，所述数据传输单元能够对数据处理单元输出的围岩参 数识别结果及测量单元获得的围岩位移监测信息进行归类整合存储及远程传 输，该单元通过GPRS模块将数据发送至网络云端后，经由服务器实现网页、 手机、软件平台等多终端的数据同步发布，满足不同施工参与部门的数据认知 需求，为工程管理人员提供更直观、全面的围岩状态数据。

由上述三个单元共同组成的具有隧道围岩参数自动识别功能的三维激光测 距装置，其能够实现隧道施工过程中空间效应位移的监测及基于监测结果的围 岩参数识别与数据发布，各单元的组合工作形式及具体数据流程如图9所示。

如图1-8所示，基于上述方案可知本发明首先开发了一种用于隧道空间特征 信息的数据采集单元来应用到本装置的隧道断面拱顶沉降、洞周收敛、监测位 置距掌子面距离三个目标的监测过程，而传统的隧道围岩参数识别与位移监控 预警过程中，监测位置距掌子面距离一项在以往的监测过程中并未被重视，但 是这项数据的变化将会影响其他两项位移数据，其代表了隧道开挖的空间效应 影响，具体的隧道开挖前，待开挖位置的原始岩石对其上部地层有支撑作用， 保障了围压整体的稳定性；开挖后，这部分岩体被挖除，其上部岩体失去了原 来的支撑平衡，将会出现变形；而且，随着开挖面不断前移，即开挖的岩体体 积不断增多，这种现象将会越来越明显。上述开挖过程在数据上表现为监测位 置距掌子面距离，此时岩体位移表现为拱顶沉降及洞周收敛。即拱顶沉降及洞 周收敛将会受到监测位置距掌子面距离的影响，隧道围岩随开挖过程的位移曲 线示意如图12所示，可见围岩变形与隧道施工位置具有密切关系，因此监测过 程中有必要充分考虑监测位置距掌子面距离这一项，即综合考虑三项监测内容 进行隧道围岩参数识别将会得到更准确的识别结果；其次，通过预设的围岩参 数快速识别策略进行围岩参数识别和隧道安全预警，其监测与数据处理结果经 由装置内集成的数据传输单元上传至云端，能够实现多终端的数据实时获取。

数据采集单元主要有三部分组成：测量结构1、保护结构2、支撑结构3； 所述测量结构1能够调整监测方向并获取当前监测方向对应的隧道空间特征信 息，优选采用激光测距仪；所述保护结构2内容纳所述测量结构1，所述保护结 构2能够实现对测距精密仪器的保护，其主要功能为实现在复杂施工环境下对 测量结构的保护效果，主要防护目标为现场可能出现的出水环境、高灰尘颗粒 环境、意外碰撞等；所述支撑结构3能够将所述测量模块1与保护结构2固定 于隧道侧壁安装点。其中用户可以依据实际需求，分别调整各个测量模块的监 测方向以实现同一所述激光测距装置同时对3个隧道侧壁监测点进行监测。

在具体的实施例中，所述测量结构包括：拱顶测量模块11、拱腰测量模块 12、施工面测量模块13、垂向支撑架14、水平支撑架15、连接螺栓16；其中， 所述拱顶测量模块11固定于所述垂向支撑架14上，用以获取对应拱顶监测方 向下，安装点与拱顶监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述拱腰测量模块 12固定于所述水平支撑架15的其中一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰监测 方向下，安装点与拱腰监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述施工面测量 模块13固定于所述水平支撑架15的另一块直角梯形板上，用以获取对应拱腰 监测方向下，安装点与施工面监测点之间的隧道空间特征采样数据；所述水平 支撑架15固定在所述保护结构内部，且由两个直角梯形板相互焊接构成直角弯 板，两者的焊接缝152如图4；所述垂向支撑架14通过第一连接螺栓16在所述 水平支撑架上。

在具体的实施例中，所述拱顶测量模块11、拱腰测量模块12、施工面测量 模块13均通过调整结构16调整对应的监测方向。

在具体的实施例中，所述方向调整结构16包括：所述方向调整结构16固 定在所述水平支撑架15表面所开设的内齿轮孔结构151(可采用钢制内齿轮孔) 内，其中，方向调整结构包括：第一调整体171、第二调整体172以及滚珠环 173，其中，如图2，所述第一调整体171固定在某一测量某一端部，如可采用 圆柱体结构；所述第二调整体172固定在所述第一调整体中心位置以构成一体 式结构，以便于所述第二调整体改变位置时一同带动测量模块进行位置调整进 而实现监测方向调整，所述第二调整体的直径小于第一调整体的直径且所述第 二调整体的外径周向设置塑胶制外齿轮结构；其可插入至内齿轮孔151中实现啮合固定；所述滚珠环173内嵌于第一调整体下表面所开设的凹槽中。有上述 结构可知由于塑胶材质具有一定的可变形性，因此在转动第一调整体171时， 第二调整体172与内齿轮孔151发生错动，进而实现一体式结构旋转的目的。 同时在此过程中，通过设置内嵌于第一调整体171下表面凹槽中的滚珠环，如 可使其略凸出于所述第一调整体171下表面，减少方向调整结构与水平支撑架 表面摩擦力，帮助旋转；从而实现通过调整所述方向调整结构带动所述拱顶测 量模块、拱腰测量模块、施工面测量模块的测量方向调节；另还可以在水平支 撑架15表面设置刻度盘174以帮助用户精确确认旋转角度。

在更具体的实施例中，本案可限定激光测距模块的具体种类及属性，即测 量拱顶沉降、洞周收敛的两个模块需精度达到10^-3m及以上、量程为15m及以 上；测量监测位置距掌子面距离的模块需精度达到10^-1m及以上、量程为50m 及以上。

在具体的实施例中，所述保护结构包括由盖板24、侧板25以及底板26构 成的箱体结构；其中所述盖板24一侧通过转轴23固定在侧板25上，以使得所 述盖板能够围绕转轴旋转，进而打开箱体结构进行测量模块的安装及调节；且 所述箱体结构上设置有能够使得测量模块发出的测量激光能够无阻挡射出的钢 化玻璃22，即各个监测方向上均通过钢化玻璃22，保证测量模块的激光能够无 阻挡射出，并且具有一定的抗击打性，防止隧道爆破产生的飞石溅射破坏测量 模块。

在具体的实施例中，所述侧板25包括第一侧板251、第二侧板252以及第 三侧板253；所述第一侧板251通过转轴23固定所述盖板21，所述第二侧板252 的高度低于所述第一侧板251并通过所述第二侧板252形成倾斜度的侧壁结构， 使得设置在所述侧壁结构上的盖板可以作为防止箱体上表面积水的防水倾斜面 并形成防水檐21，进而为其内部测量模块提供保护。优选的所述保护结构整体 为钢板焊接制成。

在更具体的实施例中，如图6，所述支撑结构包括水平支撑杆31、竖向支 撑杆32、侧向支撑杆33，其中，所述水平支撑杆31一端固定在所述隧道侧壁 上，另一端与所述侧向支撑杆33连接；所述侧向支撑杆33另一端固定在所述 隧道侧壁上；所述竖向支撑杆32一端固定在所述水平支撑杆31上，另一端固 定在所述侧向支撑杆33上，所述侧向支撑杆33两端通过连接螺栓34固定在水 平支撑杆31与竖向支撑杆32上，所述水平支撑杆31与竖向支撑杆32均通过 膨胀螺栓35固定在所述隧道侧壁上。另，所述支撑结构与保护结构之间以焊接形式连接且支撑结构便于拆卸，具有灵活性，保证本发明装置可重复利用。

数据采集单元测得的距离数据经由数据线传输至数据处理单元，然后再传 输至数据传输单元，并经由该单元的信号发射天线51上传至互联网数据库，实 现不同单位对数据的访问，数据传输流程如图1所示。

在具体的实施例中，所述围岩参数快速识别策略的创建过程包括：

S1、建立多组不同隧道围岩基本参数组合所构成的正交样本数据，所述隧 道围岩基本参数至少包括弹性模量和泊松比；

S2、通过数值计算的方式获取每一种隧道围岩参数组合下所对应的隧道空 间特征采样数据并形成映射样本组以创建基于位移监测数据识别围岩基本参数 数据的训练集，计算模型如图11所示；

S3、确定所述训练集对应的映射关系以获取非线性映射模型，并基于所述 非线性映射模型，对测量模块所采集的采样数据进行相应的围岩参数识别；所 述采样数据同时包括拱顶沉降、洞周收敛、监测位置距掌子面距离三个数据， 以保证能够有效反应隧道开挖过程中的空间效应，获取更准确的围岩参数识别 结果。

在更具体的实施例中，所述S2包括：

S21、基于所确定的监测位置距掌子面距离数据，获取每一种弹性模量和泊 松比组合下所对应的监测断面的拱顶沉降与洞周收敛数据；

S22、形成映射样本组以创建基于位移监测数据识别围岩基本参数数据的训 练集；其中，所述映射样本组的表达形式为：

其中，矩阵X由各组隧道空间特征采样数据构成，矩阵Y由监测位置围岩 参数构成，即x_i包含有监测断面的拱顶沉降x_ipd、洞周收敛x_iLd以及监测位置距掌 子面距离数据d_i，y_i包含有弹性模量E_i和泊松比μ_i，则对应的映射关系表示为

在更具体的实施例中，所述S3包括：

S31、设定矩阵X对应的矩阵Y服从正态分布，那么Y的分布特征矩阵为：

公式可简化表示为

其中，μ₁、μ₂、μ₃...μ_n为这个联合分布的均值向量；k_ij为协方差矩阵；协方 差矩阵中的k_ij采用下述核函数进行求解：

其中λ为相关性系数，为常数；x_i、x_j为所述训练集中的数据x。

那么对一个新的待预测目标y*，假设其与训练集同属一个n+1维联合正态 分布，分布模型表示为：

公式中y*～N(μ*,σ*)

可求解得到其中μ*,σ*分别为待求参数 的均值和方差。重复这个过程，进而分别完成对待预测目标弹性模量E_i和泊松 比μ_i分布参数的求解；

上述模型计算过程中，最右侧协方差矩阵中新增的k1*、k_*1....k_**可根据上述 核函数，通过实测的位移数据(监测断面的拱顶沉降x_ipd、洞周收敛x_iLd以及监测 位置距掌子面距离数据d_i)进行计算；通过计算得到的y*即为所求围岩参数。

S32、基于所述非线性映射模型，对数据采集单元所采集的采样数据进行相 应的围岩参数识别。

本发明装置可划分为数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元，整体 实现流程框图见图9。

基于上述设计原理以及对应的技术方案，下面以实际的实施例形式进行进 一步的解释说明：

第一步、监测装置安装及测量数据获取：

首先，在所需监测区段侧墙适当位置安装图6所示支撑结构，其通过膨胀 螺栓与侧墙固定，并在预留螺孔位插入螺栓后进行焊接保证稳定；其次，安装 保护结构，将保护模块通过加固螺栓插入预留螺孔位进行连接并紧固；同时需 要注意的是要根据实际需要确认安装方向，原则是保证测量模块的出射镜头以 及高透玻璃22所在面要朝向待测位置；打开保护结构即盖板，以便于下一步安 装测量模块。再次，在已安装的支撑、保护结构基础上，安装的测量模块，根 据监测目标方向确认测量模块放置方向；通过方向调整结构-实现精准的采集位 置确定；开启激光测距仪，调试数据采集单元、数据传输单元5确认装置整体的连通性；；最后，目标位置监测完成后，切除装置各处与侧墙连接膨胀螺栓， 将装置整体移动至下一个需要监测位置进行下一个监测循环。

第二步、监测目标及数据处理：

具体的隧道空间监测目标过程如图7所示，图中，各结构分别为：I1.三层 测量装置、I2.拱顶测量点、I3.拱腰测量点、I4.掌子面测量点、I5.掌子面测量夹 角、I6.待开挖岩体；(1)其中，拱顶与拱腰测量点分别记为A、B，平面示意图见 图，记未开挖时洞周直径即BC长为m；拱顶至隧道中线距离即AD长度为n。 位于C点的一组两个激光测距装置测得的AC向数据为a，BC向数据为b；则， 隧道洞周收敛计算公式为：x_L＝m-b隧道拱顶沉降计算公式为：其中，m，n为已知的隧道设计数据，那么根据测量数据a， b即可求得隧道拱顶沉降与洞周收敛值。(2)记图7中结构5夹角为θ，掌子面测 量点的实测距离为c，那么监测断面距掌子面真实距离为x_f＝c·sinθ，其中θ为 可控值，c为测量值，则x_f＝c·sinθ。

第三步、基于预设的围岩参数快速识别策略计算出当前隧道空间特征信息 对应的围岩参数识别结果：所述围岩参数快速识别策略的创建过程包括：

S1、建立多组不同隧道围岩基本参数组合所构成的正交样本数据以形成这 组参数间的不同组合样本，所述隧道围岩基本参数至少包括弹性模量E和泊松比 μ；

S2、通过数值计算获取每一种隧道围岩参数组合下所对应的隧道空间特征 采样数据并形成映射样本组以创建基于位移监测数据识别围岩基本参数数据的 训练集，计算模型如图11所示；所述S2包括：

S21、基于所确定的监测位置距掌子面距离数据，获取每一种弹性模量和泊 松比组合下所对应的监测断面的拱顶沉降与洞周收敛数据；如可通过FLAC3D 平台建立对应的隧道三维数值模型，并进行动态开挖计算，以获取不同E、μ组 合下动态开挖过程中监测断面的拱顶沉降与洞周收敛。(即对中每一组样本都要 进行一次动态开挖模拟过程)；

S22、形成映射样本组以创建基于位移监测数据识别围岩基本参数数据的训 练集；其中，对于某一组样本E_i、μ_i，分别记录开挖监测位置距掌子面距离d_im 时监测断面的拱顶沉降x_ipd、洞周收敛x_iLd，那么我们就得到了一组映射关系：

进一步的将式(1)抽象为：

x_i→y_i

对每一个样本组进行动态开挖计算，则可得到更多的映射样本，其可形成 所述映射样本组的表达形式为：

这样我们就得到了一个通过位移监测数据识别围岩基本参数数据的训练 集。

S3、确定所述训练集对应的映射关系以获取非线性映射模型，并基于所述 非线性映射模型，对测量模块所采集的采样数据进行相应的围岩参数识别；所 述S3包括：

S31、为了获得这个训练集的映射关系，设定矩阵X对应的矩阵Y服从正 态分布，并根据非线性映射过程对Y进行建模，对应的模型公式为：

公式简化为

其中，μ1、μ2、μ3为这个联合正太分布的特征向量；并不用对其求解，因到 后面会被约分掉。协方差矩阵中的k_ij采用下述核函数进行求解：

其中λ为相关性系数，为常数，x_i、x_j为训练集内的数据。

那么对一个新的待预测目标y*，假设其与训练集同属一个4维联合正态分 布，则非线性映射模型表示为：

公式中y*～N(μ*,σ*)

可求解得到

至此，完成了对待预测目标弹性模量E_i和泊松比μ_i分布参数的求解。

S32、如图10-14，基于所述非线性映射模型，对测量结构所采集的采样数 据进行相应的围岩参数识别。具体的在施工中，我们能够获得的实际位移监测 结果，根据这个监测结果，通过上一步获得位移→参数的映射过程所建立的映 射关系寻求获取与之对应的围岩参数，实现围岩参数自动识别获取并进行预警。 上述过程的优势在于：(1)综合考虑了空间尺度上的位移变化过程，所得的参 数识别结果将更为准确；(2)建立了一种隧道围岩位移→参数的非线性映射计算 方法，更准确地描述了空间效应作用下围岩位移与围岩参数之间复杂的函数关 系。

实时本发明实施例得到的围岩位移曲线如图14所示，可见所得位移监测曲 线较好地表达了空间效应影响，且监测数据连续性较好，曲线整体光滑平稳， 说明监测系统运行稳定，监测准确性高。

实时本发明实施例得到的围岩参数识别结果及其与原设计结果对比如表1 所示。经现场验证，本发明实施例所获得的围岩参数更接近于真实情况。

表1为一个实施例中隧道围岩设计参数与本发明装置识别参数对比表

第四步、数据处理与发布：可通过将上述围岩参数自动识别过程编译C语 言计算程序，写入微计算处理芯片，安装至数据采集处理模块，以根据围岩参 数数据实测结果，对所采集数据进行整合、计算，获得围岩参数计算结果同时 进一步的通过GPRS模块将计算结果发送至云端，实现多终端对计算结果的实 时访问查询。

实施本发明实施例，首先实现了隧道施工过程距离参数的智能自动化实时 监测，弥补了传统人工监测实时性差、已出现测量误差的缺陷；进一步根据前 述测量结果，在考虑空间效应的条件下进行围岩参数自动识别，获取了相较于 传统参数反分析方法更准确的围岩参数识别结果；最后依据所识别的参数，可 采用数值计算方法生成隧道纵向变形曲线，据此进行空间效应影响下的隧道稳 定性评价预警。因此可以说本发明实现了隧道空间效应信息的测量与评价应用， 可以实时获得更为准确的围岩参数识别结果并以此为依据进行与隧道稳定性判 别，适用于隧道施工的动态设计过程中，提高隧道工程的智能化进程。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附 权利要求为准。