本发明涉及岩土力学测试技术领域，具体涉及一种隧道洞壁节理结构面产状测量方法。
背景技术：
隧道掘进过程中对洞壁揭露地质现象进行素描及结构面统计是研究判定隧洞围岩情况的重要方法，是了解隧道地质、围岩、应力情况的主要手段。传统素描往往通过人工记录节理数量并对结构面进行产状测量，由于隧道开挖后节理面在隧道洞壁上常呈现为曲线延伸，没有可供直接测量的面状结构，因此洞内测量节理面或结构面产状仅通过洞壁上延伸的节理迹线或结构面的迹线判断节理面或结构面空间位置，再通过罗盘测量结构面空间特征，这种方法常受测量者主观因素影响往往会造成较大误差。
传统测量手段主要是人工手持罗盘进行实地测量，效率低，劳动量大，受场地环境影响较大，而且掌子面围岩条件差时进行测量风险太高。其他采用全站仪测量的方法中主要是通过建立以隧道轴向为x轴，横向为y轴，竖直向为z轴的坐标系，根据里程桩号、测站、测点的坐标利用方向角、方向余弦、三角函数进行计算推导，得出结构面的倾向、倾角。这种方法在实际操作中过于复杂，尤其是在隧道弯曲段测量时，往往需要重新调整建立新坐标系，不利于快速测绘结构面产状。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种隧道洞壁节理结构面产状测量方法，该方法在隧道弯曲段测量时，无需再次重新建立坐标系，可以直接进行测量计算。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种隧道洞壁节理结构面产状测量方法，其包括如下测量步骤：
步骤一、以测站的位置为原点o，以方位角0°为y轴正方向，以方位角90°为x轴正方向，以竖直向上为z轴正方向建立正交坐标系；
步骤二、测量隧道掘进方向的水平角、方位角和倾角；
步骤三、在结构面迹线上任意选取至少三个不处于同一直线上的特征点，并分别测量出原点o到各特征点之间的距离以及原点与各特征点连线的水平角、方位角和倾角；
步骤四、对步骤三测量出的任意三个特征点的水平角、方位角、倾角和距离进行计算处理即可得到结构面的产状信息。
其中，地磁场无干扰的情况下，步骤四的计算处理过程如下：
设选取的三个特征点分别为p1、p2、p3；
原点o到点p1的距离为a，原点o与点p1的连成的直线op1的水平角为α1，方位角为β1，倾角为γ1；
原点o到点p2的距离为b，原点o与点p2的连成的直线op2的水平角为α2，方位角为β2，倾角为γ2；
原点o到点p3的距离为c，原点o与点p3的连成的直线op3的水平角为α3，方位角为β3，倾角为γ3；
由此获得三点式结构面方程：
整理得出结构面方程为a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
则结构面面法向量n＝(a，b，c)；
其中，
结构面倾角φ计算如下：
结构面与xoy平面夹锐角，取xoy平面法向量z＝(0，0，1)；则结构面倾角φ＝arccos(∣n·z∣/∣n∣·∣z∣)；
结构面倾向g计算如下：
取结构面法向量n，
n在xoy平面投影n’＝(a，b，0)
取y轴正方向向量y＝(0，1，0)
ω＝arccos(n’·y/∣n’∣·∣y∣)
则结构面倾向g
结构面向掘进方向延伸的轨迹线方程为：
其中，e1为测站位置与隧道中轴线的水平距离或测站位置至隧道圆弧轮廓的圆心点的水平距离，测站在中轴线左侧时e1取正值，测站在中轴线右侧时e1取负值，e2为测站位置至隧道圆弧轮廓的圆心点的垂直距离，测站在中轴线下方时e2取正值，测站在中轴线上方时e2取负值。
其中，当地磁场受到磁性地层干扰的情况下，此时受围岩磁场影响测得的方位角需要通过隧道掘进方向校正，设隧道掘进方位角为θ，受磁围岩干扰测量掘进方位角为θ’，δ＝θ-θ’，其中，δ为本区域的磁偏角，其可以根据本区域的地形图资料查询得到，步骤四的计算处理过程如下：
设选取的三个特征点分别为p1、p2、p3；
原点o到点p1、p2、p3的距离分别为a、b、c；
直线op1经罗盘实测未修正的方位角为β1’，直线op2经罗盘实测未修正的方位角为β2’，直线op3经罗盘实测未修正的方位角为β3’；
直线op1的倾角为γ1，直线op2的倾角为γ2，直线op3的倾角为γ3；
由此可获得结构面方程：
整理得结构面方程为a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
则结构面面法向量：n＝(a，b，c)其中
结构面倾角φ计算如下：
结构面与xoy平面夹锐角，取xoy平面法向量z＝(0，0，1)；
则结构面倾角φ＝arccos(∣n·z∣/∣n∣·∣z∣)；
结构面倾向计算g如下：
取结构面法向量n，
n在xoy平面投影n’＝(a，b，0)
取y轴正方向向量y＝(0，1，0)
ω＝arccos(n’·y/∣n’∣·∣y∣)
结构面倾向g
结构面向掘进方向延伸的轨迹线方程为：
其中，e1为测站位置与隧道中轴线的水平距离或测站位置至隧道圆弧轮廓的圆心点的水平距离，测站位置在中轴线左侧时e1取正值，测站位置在中轴线右侧时e1取负值，e2为测站位置至隧道圆弧轮廓的圆心点的垂直距离，测站位置在中轴线下方时e2取正值，测站位置在中轴线上方时e2取负值。
其中，步骤一之前，先将三脚架放置好，然后将测量仪安装在三脚架上，接着调节三脚架以及测量仪，使测量仪的圆水准器和长水准器的气泡居中，测量仪处于水平状态。
其中，在步骤二中，测量前，先调节测量仪的望远镜，使目镜和物镜的中轴线水平，目镜指向隧道掘进方向，此时，测量隧道掘进方向的水平角、方位角和倾角，测量仪测量后读取并记录数据。
其中，步骤三中，测量时，先用测量仪的粗瞄准装置对准目标进行粗略瞄准，然后调整测量仪的望远镜对准有效测量距离范围内出露结构面迹线上的特征点，待读数稳定后读取、记录特征点的水平角度数、方位角度数、倾角度数和与测站位置之间的距离，重复上述步骤，测量至少三个特征点的水平角、方位角、倾角和与测站位置之间的距离，最后将测量的数据输入计算系统即可得到结构面方程和结构面产状信息。
其中，步骤四中，测量时，若测量得到的特征点的水平角度数与测量得到的隧道掘进方向的水平角度数之差等于测量得到的特征点的方位角度数与测量得到的隧道掘进方向的方位角度数之差，则说明测站位置周边围岩磁场稳定，计算系统计算处理数据时，采用无磁场干扰的情况进行计算处理；
若测量得到的特征点的水平角度数与测量得到的隧道掘进方向的水平角度数的差值和测量得到的特征点的方位角度数与测量得到的隧道掘进方向的方位角度数的差值之间存在误差，则说明测站位置周边围岩磁场不稳定，计算系统计算处理数据时，采用地磁场受到磁性地层干扰的情况进行计算处理。
其中，测量结构面向掘进方向延伸的轨迹方程时，先测量测量仪距离隧洞中轴线的垂直距离e2，即测站位置距离隧洞中轴线的垂直距离为e2，然后测量测站位置与隧道中轴线的水平距离e1，测量时，通过测量测站位置到隧洞两侧洞壁的水平距离m和n(m>n)，求得e1＝(m-n)/2，将测得的数据输入计算系统进行计算处理即可得到结构面向掘进方向延伸的轨迹方程。
本发明的有益效果是：
本发明提出以测站位置作为原点o，以方位角0°(正北方向n)为y轴正方向，以方位角90°(正东方向e)为x轴正方向，以竖直向上为z轴正方向建立正交坐标系。通过测量结构面上特征点到测站的距离、方位角、倾角、水平角，利用三点式方法求解平面方程，进而求得结构面的倾向、倾角，并且通过平面方程与隧道轮廓方程联立，可以得出出露的结构面轨迹线方程。
采用本方法一般情况无需再次重新建立坐标系，可以直接进行测量计算。并且针对当地磁场受到磁性地层干扰情况下也提出了有效修正措施。另外，本方法通过测量水平角度，可以作为方位角测量的校核及补充，有效保证测量结果的准确性。
本方法一般情况不需要输入测站坐标即可完成测量工作，如需要记录测站、测点及结构面准确位置坐标，可以在建立测站的位置做出标记，后期择机测出该标记处点位坐标，通过计算即可得到各测点的坐标。有效减少交叉作业时间，提高工作效率。采用该方法快速便捷，不需要输入测站坐标即可进行测量，即测即走，快速便捷。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明建立坐标系的示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例
一种隧道洞壁节理结构面产状测量方法，其包括如下测量步骤：
步骤一、先选择较为平整的场地将三脚架放置好，然后将测量仪通过螺栓连接安装在三脚架上，接着调节三脚架以及测量仪，使测量仪的圆水准器和长水准器的气泡居中，测量仪处于水平状态，如图1所示，以测量仪的测量位置作为原点o，以方位角0°(即正北方向)为y轴正方向，以方位角90°(即正东方向)为x轴正方向，以竖直向上为z轴正方向建立正交坐标系；
步骤二、先调节测量仪的望远镜，使目镜和物镜的中轴线处于水平状态，目镜指向隧道掘进方向，此时，测量隧道掘进方向的水平角α0＝0°、方位角为β0和倾角γ0＝0°，测量仪测量后读取并记录数据；
步骤三、在结构面迹线上任意选取至少三个不处于同一直线上的特征点，并分别测量出原点o到各特征点之间的距离以及原点与各特征点连线的水平角、方位角和倾角，具体测量步骤如下：
先用测量仪的粗瞄准装置对准目标进行粗略瞄准，此时，如果现场光线较暗时可以打开强光手电用于照明、指示目标，然后调整测量仪的望远镜对准有效测量距离范围内出露结构面迹线上的特征点p1，锁定竖盘制动手轮和基座锁紧钮，待读数稳定后读取、记录特征点的水平角度数α1、方位角度数β1、倾角度数γ1和与测站位置之间的距离a，重复上述步骤，测量至少三个不处于同一直线上的特征点的水平角、方位角、倾角和与测站位置之间的距离，最后将测量的数据输入计算系统即可得到结构面方程和结构面产状信息；
步骤四、对步骤三测量出的任意三个特征点的水平角、方位角、倾角和距离进行计算处理即可得到结构面的产状信息；
具体的，测量时，若测量得到的特征点的水平角度数α1与测量得到的隧道掘进方向的水平角度数α0之差等于测量得到的特征点的方位角度数β1与测量得到的隧道掘进方向的方位角度数β0之差，即α1-α0＝β1-β0时，则说明测站位置周边围岩磁场稳定，计算系统计算处理数据时，采用无磁场干扰的情况进行计算处理；
若测量得到的特征点的水平角度数α1与测量得到的隧道掘进方向的水平角度数α0的差值和测量得到的特征点的方位角度数β1与测量得到的隧道掘进方向的方位角度数β0的差值之间存在较大误差，则说明测站位置周边围岩磁场不稳定，计算系统计算处理数据时，采用地磁场受到磁性地层干扰的情况进行计算处理。
其中，测量结构面向掘进方向延伸的轨迹方程时，先测量测量仪距离隧洞中轴线的垂直距离e2，即测站位置距离隧洞中轴线的垂直距离为e2，然后测量测站位置与隧道中轴线的水平距离e1，测量时，通过测量测站位置到隧洞两侧洞壁的水平距离m和n(m>n)，求得e1＝(m-n)/2，将测得的数据输入计算系统进行计算处理即可得到结构面向掘进方向延伸的轨迹方程。
具体的，测量测站位置到隧洞两侧洞壁的水平距离m和n时，保持望远镜轴线倾角度数为0°，接着水平转动望远镜，先读取转动的水平角度数为90°时的测站位置到隧洞两侧洞壁的水平距离，再读取转动的水平角度数为270°时的测站位置到隧洞两侧洞壁的水平距离，通过测量不同水平角度数时测站位置到隧洞两侧壁的水平距离，两次测量有利于提高测量精确度，减小测量误差。
其中，当地磁场无干扰的情况下，步骤四的计算处理过程如下：
设选取的三个特征点分别为p1、p2、p3；
原点o到点p1的距离为a，原点o与点p1连成的直线op1的水平角为α1，方位角为β1，倾角为γ1；
原点o到点p2的距离为b，原点o与点p2连成的直线op2的水平角为α2，方位角为β2，倾角为γ2；
原点o到点p3的距离为c，原点o与点p3连成的直线op3的水平角为α3，方位角为β3，倾角为γ3；
由此获得三点式结构面方程：
或者
整理得出结构面方程为a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
则结构面面法向量n＝(a，b，c)；
其中，
结构面倾角φ计算如下：
结构面与xoy平面夹锐角，取xoy平面法向量z＝(0，0，1)；
则结构面倾角φ＝arccos(∣n·z∣/∣n∣·∣z∣)；
结构面倾向g计算如下：
取结构面法向量n，
n在xoy平面投影n’＝(a，b，0)
取y轴正方向向量y＝(0，1，0)
ω＝arccos(n’·y/∣n’∣·∣y∣)
则结构面倾向g
结构面向掘进方向延伸的轨迹线方程为：
其中，e1为测站位置与隧道中轴线的水平距离，e2为测站位置的高度。
其中，当地磁场受到磁性地层干扰的情况下，此时受围岩磁场影响测得的方位角需要通过隧道掘进方向校正，设隧道掘进方位角为θ，受磁围岩干扰测量掘进方位角为θ’，δ＝θ-θ’，其中，δ为本区域的磁偏角，其可以根据本区域的地形图资料查询得到，步骤四的计算处理过程如下：
设选取的三个点分别为p1、p2、p3；
原点o到点p1、p2、p3的距离分别为a、b、c；
直线op1经罗盘实测未修正的方位角为β1’，直线op2经罗盘实测未修正的方位角为β2’，直线op3经罗盘实测未修正的方位角为β3’；
直线op1的倾角为γ1，直线op2的倾角为γ2，直线op3的倾角为γ3；
由此可获得结构面方程：
整理得结构面方程为a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0
则结构面面法向量：n＝(a，b，c)其中
结构面倾角φ计算如下：
结构面与xoy平面夹锐角，取xoy平面法向量z＝(0，0，1)；
则结构面倾角φ＝arccos(∣n·z∣/∣n∣·∣z∣)；
结构面倾向计算g如下：
取结构面法向量n，
n在xoy平面投影n’＝(a，b，0)
取y轴正方向向量y＝(0，1，0)
ω＝arccos(n’·y/∣n’∣·∣y∣)
结构面倾向g
结构面向掘进方向延伸的轨迹线方程为：
其中，e1为测站位置与隧道中轴线的水平距离或测站位置至隧道圆弧轮廓的圆心点的水平距离，测站在中轴线左侧时e1取正值，测站在中轴线右侧时e1取负值，e2为测站位置至隧道圆弧轮廓的圆心点的垂直距离，测站在中轴线下方时e2取正值，测站在中轴线上方时e2取负值。
本发明提出以测站位置作为原点o，以方位角0°(正北方向n)为y轴正方向，以方位角90°(正东方向e)为x轴正方向，以竖直向上为z轴正方向建立正交坐标系。通过测量结构面上特征点到测站的距离、方位角、倾角、水平角，利用三点式方法求解平面方程，进而求得结构面的倾向、倾角，并且通过平面方程与隧道轮廓方程联立，可以得出出露的结构面轨迹线方程。
采用本方法一般情况无需再次重新建立坐标系，可以直接进行测量计算。并且针对当地磁场受到磁性地层干扰情况下也提出了有效修正措施。另外，本方法通过测量水平角度，可以作为方位角测量的校核及补充，有效保证测量结果的准确性。
本方法一般情况不需要输入测站坐标即可完成测量工作，如需要记录测站、测点及结构面准确位置坐标，可以在建立测站的位置做出标记，后期择机测出该标记处点位坐标，通过计算即可得到各测点的坐标。有效减少交叉作业时间，提高工作效率。采用该方法快速便捷，不需要输入测站坐标即可进行测量，即测即走，快速便捷。
本发明所列方程以圆形轮廓的隧洞为例，当隧洞断面为其他形状，根据目标点位置处隧洞断面形状，选择相应的隧洞轮廓断面的方程式与结构面方程式进行联立计算即可。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。