CN105756711B - 基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，包括：步骤一、将待挖隧道沿其长度方向分为多个区段，在隧道现场布设标靶和三维激光扫描仪，获取隧道点云数据，获得该区段的三维隧道测量模型；步骤二、基于隧道设计图纸，将隧道单点坐标输入Revit软件，建立三维隧道模拟模型，使其与三维隧道模拟模型的隧道设计中线走向重合；步骤三、将模型进行嵌套，建立隧道三维色谱图；步骤四、设置初支侵限阈值，对该区段的侵限的初支单点进行自动报警。本发明能够通过隧道智能监控平台及时进行监控数据分析并提出安全预警，实现隧道开挖围岩变形初支侵限监测，确保施工安全，实现隧道施工整体安全管控水平的提高。
Description
技术领域
本发明涉及基于三维激光扫描的隧道施工监控关键技术。更具体地说，本发明涉及一种在隧道施工过程中，利用三维激光扫描隧道全断面，通过全断面尺寸与理论尺寸比较，得出隧道变形初支侵限监测分析预警技术。
背景技术
我国属于多山国家，隧道在我国山区铁路、公路的修建中占有很大比例。对开挖后的隧道围岩进行动态监测，对隧道支护结构的设计和施工有指导意义。隧道初支施工质量关系到工程的安全和效益。由于初支完成之后即将进行铺设防水及二衬施工，如果初支断面出现超挖或侵限情况，在二衬施工过程中的衬砌断面尺寸将难以保证，会对二衬施工带来影响，故在二衬施工前应对初支情况进行有效检测和分析预警，以便能合理及有效的控制施工质量。
关于隧道监测，目前隧道测量已经采用了全站仪测量，但是全站仪的精度在20～30m范围内只能达到3～4mm精度，测量精度不足；且受烟雾光线影响大，对测试环境要求高；在信息反馈方面环节过多，不能及时到达施工现场，信息反馈过慢。而三维激光扫描精度可达到0.6mm，受烟雾光线影响小，且能自动成像，自动传输数据，自动分析误差并能报警，所以把激光扫描技术应用到隧道测量中有其现实意义。
因此，目前亟需一种利用三维激光扫描技术对隧道围岩初支变形进行监测的分析预警技术。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，其能够通过隧道智能监控平台及时进行监控数据分析并提出安全预警，实现隧道开挖围岩变形初支侵限监测，确保施工安全，实现隧道施工整体安全管控水平的提高。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，包括：
步骤一、将待挖隧道沿其长度方向分为多个区段，对于每一个正在施工的区段，在隧 道现场布设标靶和三维激光扫描仪，获取隧道点云数据，并进行包括点云拼接、去噪和坐标归化的数据处理，获得该区段的三维隧道测量模型；
步骤二、基于隧道设计图纸，将隧道单点坐标输入Revit软件，建立三维隧道模拟模型，矫正所述三维隧道模拟模型，使得所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型的隧道设计中线走向重合；
步骤三、将所述三维隧道模拟模型转化为DWG格式，并导入3D Reshaper软件，与所述三维隧道测量模型进行嵌套，建立隧道三维色谱图；
步骤四、设置初支侵限阈值，将初支单点的测量坐标和图纸坐标分别代入所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型并作差，计算初支单点的侵限坐标差值，当计算得到的侵限坐标差值大于所述初支侵限阈值时为侵限，计算得到的侵限坐坐标差值不大于所述初支侵限阈值时为合格，通过点选，查看该区段的初支单点侵限结果，并根据所述初支侵限阈值对该区段的侵限的初支单点进行自动报警。
优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，三维激光扫描仪的测站间距为不超过50m，有效扫描半径为不超过25m，标靶识别的最大倾角为45°。
优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，矫正的方法包括对调X轴数值和Y轴数值位置关系、将X轴数值和Y轴数值等倍量放大或缩小进行偏移中的一种或多种。
优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，初支侵限阈值为0。
优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，侵限和合格以不同颜色在隧道三维色谱图上显示。
优选的是，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，当计算得到的侵限坐标差值大于所述初支侵限阈值时为侵限，采用红色显示，计算得到的侵限坐坐标差值等于所述初支侵限阈值时为合格，采用绿色显示，计算得到的侵限坐坐标差值小于所述初支侵限阈值时为合格，采用橙色显示。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、隧道三维激光扫描的外业和内业关键参数(三维激光扫描仪的测站间距、有效 扫描半径、标靶识别的最大倾角)确定，有助于全隧道三维激光扫描精度的提高，精度高、速度快、自动化程度高，监测受烟雾光线影响小，能在光线不好隧道中进行作业；
第二、基于三维激光扫描的三维隧道测量模型与基于revit建立的三维隧道模拟模型拟合，用于隧道精细化变形监测，为初支侵限提供良好三维基础；
第三、拟合模型色谱图及初支侵限阈值设置，隧道初支侵限三维检测，反应超欠挖情况，更加直观、准确、快速，数据可远程传输，自动分析，自动报警，可适用于类似基坑、建筑、桥梁等工程。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的三维激光扫描仪与标靶的布设的示意图；
图2为本发明隧道设计中线与三维扫描点云拟合矢量图；
图3为本发明隧道断面厚度8mm的三维扫描点云图；
图4为本发明隧道初支三维曲面模型的示意图；
图5为本发明初支三维点云云图；
图6为本发明隧道初支侵限单点分析；
图7为本发明初支侵限分析报告。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1～7所示，本发明提供一种基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，包括：
步骤一、将待挖隧道沿其长度方向分为多个区段，对于每一个正在施工的区段，在隧道现场布设标靶和三维激光扫描仪，获取隧道点云数据，并进行包括点云拼接、去噪和坐标归化的数据处理，由初支单点的测量坐标获得该区段的三维隧道测量模型；
步骤二、基于隧道设计图纸，将隧道单点图纸坐标输入Revit软件，建立三维隧道模拟模型，矫正所述三维隧道模拟模型，使得所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型的隧道设计中线走向重合；
步骤三、将所述三维隧道模拟模型转化为DWG格式，并导入3D Reshaper软件，与所述三维隧道测量模型进行嵌套，建立隧道三维色谱图；
步骤四、设置初支侵限阈值，将初支单点的测量坐标和图纸坐标分别代入所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型并作差，计算初支单点的侵限坐标差值，当计算得到的侵限坐标差值大于所述初支侵限阈值时为侵限，计算得到的侵限坐坐标差值不大于所述初支侵限阈值时为合格，通过点选，查看该区段的初支单点侵限结果，并根据所述初支侵限阈值对该区段的侵限的初支单点进行自动报警。
在上述技术方案中，基于三维激光扫描的隧道施工监控关键技术包括测站间距及分辨率优化控制技术、标靶布设及识别技术、激光扫描仪数据预处理技术、自动分析及预警技术。各分项技术相辅相成，互有联系。
测站间距及分辨率优化控制技术根据隧道内部烟雾环境评价，结合隧道断面形状及几何尺寸，根据精度要求，确定三维激光扫描测站间距的优化技术，即在断面形状、精度要求、测距间距间确定了一定的对应关系。
标靶布设及识别技术在于确定好测站间距后，对实体标靶进行布置，布置2～3个标准靶标、靶标间距符合一定要求，由此建立了基于标靶条件下点识别技术，提高后期拼接精度。
激光扫描仪数据预处理技术主要包括三维坐标系统归化方法、拟合方法及精度控制、点云的切割厚度分析等，通过研究点云数据预处理技术，进行三维激光扫描实施过程中的点云精度、拼接、去噪和坐标归化过程中的控制，提高三维激光扫描的精度，通过激光扫描仪成像后拼接成整个隧道模型。
自动分析及预警技术的主要内容包括隧道三维变形监测(已另行申请专利)、初支侵限(超欠挖)分析及预警、二衬侵限分析及预警(已另行申请专利)、二衬厚度评估(已另行申请专利)、隧道爆破参数优化及工程步距实时测量，通过自动分析及预警技术，在某段或整个隧道模型建成后，根据设计模型，建立隧道三维色谱图，自动对比分析数据，并根据阈值自动报警。
在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，三维激光扫描仪的测站间距为不超过50m，有效扫描半径为不超过25m，标靶识别的最大倾角为45°。
在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，矫正的方法包括对调X轴数值和Y轴数值位置关系、将X轴数值和Y轴数值等倍量放大或缩小进行偏移中的一种或多种。
在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，初支侵限阈值为0。
在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，侵限和合格以不同颜色在隧道三维色谱图上显示。
在另一种技术方案中，所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，当计算得到的侵限坐标差值大于所述初支侵限阈值时为侵限，采用红色显示，计算得到的侵限坐坐标差值等于所述初支侵限阈值时为合格，采用绿色显示，计算得到的侵限坐坐标差值小于所述初支侵限阈值时为合格，采用橙色显示。
目前三维激光扫描仪“点云”数据处理软件基本功能均是对“点云”数据进行拼接、截取、建模等操作，一般仅适用于数据的前期处理，在的隧道精细化变形监测分析方面应用有限。为实现隧道断面自动截取及超欠挖分析、隧道围岩变形自动分析及预警、掌子面稳定状态评价等诸多功能，开展隧道工程中三维激光扫描监测及数据后处理关键技术研究，使其最终量测精度优于常规监测手段，为解决此技术问题，发明出“基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法”。
全隧道扫描可采用用洞口附近的永久控制点作为坐标基准，控制点的作用是确定隧道点云绝对坐标。标靶的作用是拼接，扫描时先定点扫描后视标靶，再将标靶移至前方，然后扫描隧道全景，依次类推，标靶与仪器逐渐前移。考虑隧道轮廓较小，扫描距离较远时，入射角较小，精度降低，现场测试经验来看，架站间距应控制在50米以内，即有效扫描 半径控制在25m内，标靶识别的最大倾角以45°为宜，如图1，(Δ为三维激光扫描仪架站位置，О为标靶放置位置)。一般二衬扫描一次即可，无需重复多次扫描，而初支护需要多次扫描，因为需要获得每日变形数据。标靶平面放置时与扫描方向有一定的倾角，而不是垂直扫描，标靶识别时将产生误差。另一方面，随着扫描距离变远，反射信号逐渐变弱，当距离大于一定值之后，标靶识别也会产生一定误差。因此通过最优化标靶识别的最大倾角和最远距离有助于全隧道三维激光扫描精度的提高。
激光扫描仪数据预处理技术：通过三维坐标系统归化方法、拟合方法及精度控制、点云的切割厚度分析等在点云拼接过程中控制数据精度。在扫描数据预处理时，根据现场提供的坐标顺序代表值，导入正确的大地坐标系坐标，若隧道设计中线与隧道三维点云偏离，可能是平面X轴与Y轴位置关系与二维坐标系位置关系相反，将给定的坐标X、Y进行对调后，该问题可得以解决如图2。若隧道中线坐标与实际控制点坐标过大，超过Revit软件设置范围，Revit无法建立设计模型。可将设计坐标按照坐标值大小进行减小偏移，如桐庐隧道设计模型坐标X坐标值减小520000，Y坐标减小3290000，将桐庐隧道设计模型位置进行偏移，然后将三维激光扫描点云整体偏移相同量进行对比。
在数据拟合中对等密度的点云数据进行了断面厚度试验，当厚度小于8mm时,随着厚度的递增,最大差值的增值均在3mm内,当厚度超过8mm时,随着厚度的递增，最大差值的增值会超过隧道测量中误差(3mm)。所以在对直线型且断面呈圆或圆拱形的隧道收敛变形分析过程中，应尽量把点云切片厚度控制在8mm以内，以保证在后续的断面拟合过程中，该厚度的断面点云拟合中误差不超过隧道结构变形的允许误差，如图3。满足隧道收敛变形分析时的精度需求。
隧道初支侵限(超欠挖)监测分析预警技术：通过Revit软件，根据隧道中线走向和隧道初支轮廓面，建立隧道初支三维曲线模型(绝对坐标)，将模型转为cad能显示的任意格式，一般为dwg格式。并导入三维激光3D Reshaper软件，将设计模型与三维点云进行嵌套，如图4、5。初支侵限阈值设置为0，侵限以红色显示，合格区以绿色显示，通过点选，可查看初支单点侵限结果如图6，并输出分析报告，如图7。初支外轮廓和建筑限界外轮廓确定了二衬厚度，同时建筑限界外轮廓设计断面是保证隧道运营期功能需求的重要控制标准，因而进行初支侵限(超欠挖)和二衬侵限分析对隧道施工具有重要意义。
矢量图测量工程步距技术通过三维激光扫描仪自带相机，拍摄洞内实景，并将点云坐标信息附着于图片，通过TrueView软件实现矢量照片网页发布，可远程查看洞内几何信 息，量测二衬到掌子面、支护封闭位置到掌子面等工程步距，如图2。
Revit软件只能拾取二维线，而无法拾取空间三维曲线做放样线生成模型，因此采用插件处理生成Revit图元才能建立模型。若设计模型与扫描点云对比软件导入不支持单位分辨，只导入数值，导致设计模型与扫描点云在单位不统一时出现模型位置与大小错误，统一设计模型与扫描点云单位，将隧道设计模型导出结果以米为单位输出。
此项发明具有较大的实用性和经济性。以杭黄铁路桐庐隧道为例，通过“基于三维激光扫描技术的隧道施工监控关键技术”对隧道工程施工过程中的施工管理风险、施工技术风险、施工安全风险成功进行了管控，高质量安全快速的进行隧道施工，并节约了大量的人力和物力。且通过应用该技术，以较低的成本投入，便出色完成了施工任务，取得了良好的经济效益。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (4)
1.一种基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，其特征在于，包括：
步骤一、将待挖隧道沿其长度方向分为多个区段，对于每一个正在施工的区段，在隧道现场布设标靶和三维激光扫描仪，获取隧道点云数据，并进行包括点云拼接、去噪和坐标归化的数据处理，获得该区段的三维隧道测量模型；
步骤二、基于隧道设计图纸，将隧道单点坐标输入Revit软件，建立三维隧道模拟模型，矫正所述三维隧道模拟模型，使得所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型的隧道设计中线走向重合；
步骤三、将所述三维隧道模拟模型转化为DWG格式，并导入3D Reshaper软件，与所述三维隧道测量模型进行嵌套，建立隧道三维色谱图；
步骤四、设置初支侵限阈值，将初支单点的测量坐标和图纸坐标分别代入所述三维隧道测量模型和所述三维隧道模拟模型并作差，计算初支单点的侵限坐标差值，当计算得到的侵限坐标差值大于所述初支侵限阈值时为侵限，计算得到的侵限坐坐标差值不大于所述初支侵限阈值时为合格，通过点选，查看该区段的初支单点侵限结果，并根据所述初支侵限阈值对该区段的侵限的初支单点进行自动报警；
其中，三维激光扫描仪的测站间距为不超过50m，有效扫描半径为不超过25m，标靶识别的最大倾角为45°；
矫正的方法包括对调X轴数值和Y轴数值位置、将X轴数值和Y轴数值等倍量放大或缩小、进行偏移中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，其特征在于，初支侵限阈值为0。
3.如权利要求1所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，其特征在于，侵限和合格以不同颜色在隧道三维色谱图上显示。
4.如权利要求3所述的基于三维激光扫描的隧道施工初支侵限监测分析预警方法，其特征在于，当计算得到的侵限坐标差值大于所述初支侵限阈值时为侵限，采用红色显示，计算得到的侵限坐标差值等于所述初支侵限阈值时为合格，采用绿色显示，计算得到的侵限坐标差值小于所述初支侵限阈值时为合格，采用橙色显示。
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