CN107131828B - 异型隧道开挖测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种异型隧道开挖测量方法，本发明通过在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，得到异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，根据异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过隧道截面提取和盾构机外形轮廓截取得到异型隧道的异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，根据异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，基于中轴线和基准点计算盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，解决传统测量技术只适应于圆形隧道的局限，通过本测量技术，可以同时了解盾构姿态偏差，开挖中轴线偏差和施工超欠挖情况，监测精度高，人工要求低，适用于所有形状隧道。

Description

异型隧道开挖测量方法

技术领域

本发明涉及一种异型隧道开挖测量方法。

背景技术

传统盾构开挖测量技术包括姿态测量和轴线测量。

姿态测量方法是在盾构机组装阶段提前在外壳设置6-8个测量点并安装棱镜或反光片，计算测量点与盾构机前后胴体中心的几何关系，在盾构推进中只需要测得其中3个测量点坐标，根据已有的几何关系就可以得到盾构机前后中心坐标，从而得到盾构姿态数据。

对于异型隧道的中轴线的测定则采用导线测量方法，导线点一般设置在开挖面一侧，在盾构推进一定距离时进行导线测量，与设计轴线进行比较即能得到实际轴线偏差。

这些盾构开挖测量技术在常规圆形隧道中被广泛应用，但在异型隧道如双圆或类矩形隧道中，相较于圆形隧道三点确立圆心的便捷，其开挖面几何中心的确定极为困难，尤其是在隧道弯曲段，使用常规的测量技术对隧道姿态和轴线进行测量误差极大，较不适宜。

此外，隧道挖掘作为隧道施工最关键的一环，挖掘土方量多少一直是一个比较模糊的数据，对于异型隧道，直接测量或用直角坐标法计算误差极大。如何精确计算盾构每环开挖量也是隧道施工一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异型隧道开挖测量方法，能够解决异型隧道使用常规的测量技术对隧道姿态和轴线进行测量误差极大和无法精确计算盾构每环开挖量的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种异型隧道开挖测量方法，包括：

在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置3个不动点作为基准点；

在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，得到异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图；

根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型；

根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

进一步的，在上述方法中，在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置不动点作为基准点，包括：

在连通异型隧道的盾构工作井的后方井壁设置不动点作为基准点，将地面监测控制网的坐标引测至所述基准点坐标上。

进一步的，在上述方法中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，包括：

先在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描，然后将所述三维激光扫描仪放置于盾构机的刀盘后方进行扫描。

进一步的，在上述方法中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描，包括：

根据所述盾构工作井和盾构机间的距离，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描时采用多站扫描方式，两站之间间隔10-15米左右，扫描站数不低于2站。

进一步的，在上述方法中，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，包括：

对所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图进行去噪和数据精简处理；

根据经过所述去噪和数据精简处理的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。

进一步的，在上述方法中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描之前，还包括：

在所述异型隧道内的盾体周边已经安装的衬砌上布设3个左右不动点作为扫描数据整合基准点，所述扫描数据整合基准点采用标记球形式。

进一步的，在上述方法中，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，包括：

根据扫描数据整合基准点对所述点云图进行点云配准，根据点云配准后的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。

进一步的，在上述方法中，根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，包括：

截取所述异型隧道内表面模型的各个断面；

根据所述截取断面寻找各断面的中心云点位置，连接这些中心云点位置形成异型隧道的中轴线。

进一步的，在上述方法中，截取所述异型隧道内表面模型的各个断面之后，还包括：

计算所述各个断面的实际面积，将各个断面的实际面积与设计图纸中各个断面的理论面积进行比较，得到每个断面的超欠挖数据。

进一步的，在上述方法中，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，包括：

基于井壁上的所述基准点坐标，确定所述中轴线的各点坐标；

基于所述中轴线的各点坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

进一步的，在上述方法中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描之前，还包括：

在盾构机的外壳内壁上布设3个左右十字标签作为姿态校核基准点，十字标签的面积大于A4纸张大小。

进一步的，在上述方法中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描时，确保扫描到所述盾构机的外壳内壁的姿态校核基准点。

进一步的，在上述方法中，基于所述中轴线的各点坐标和基准点坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，包括：

基于井壁上的所述基准点坐标，确定所述中轴线的各点坐标和姿态校核基准点的坐标；

基于所述中轴线的各点坐标、姿态校核基准点的坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

与现有技术相比，本发明主要基于三维扫描建立一种异型盾构开挖测量技术，通过在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置3个不动点作为基准点，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，得到异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，解决传统测量技术只适应于圆形隧道的局限，通过本测量技术，可以同时了解盾构姿态偏差，开挖中轴线偏差和施工超欠挖情况，监测精度高，人工要求低，适用于所有形状隧道。

附图说明

图1是本发明一实施例的异型隧道开挖测量方法的原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种异型隧道开挖测量方法，包括：

在连通异型隧道的盾构工作井1的井壁上设置3个不动点作为基准点2；在此，选取3个不动点作为基准点，后续可以精确地基于3个基准点坐标计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据；

在异型隧道内的盾构机3的尾部后方4和盾构机3的刀盘6后方5布置三维激光扫描仪7进行全角度扫描，得到异型隧道内表面及盾构机3外壳的点云图；

根据所述异型隧道内表面及盾构机3外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型；

根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

在此，本发明主要基于三维扫描建立一种异型盾构开挖测量技术，解决传统测量技术只适应于圆形隧道的局限，通过本测量技术，可以同时了解盾构姿态偏差，开挖中轴线偏差情况，监测精度高，人工要求低，适用于所有形状隧道。

如图1所示，本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置不动点作为基准点，包括：

在连通异型隧道的盾构工作井1的后方井壁设置不动点作为基准点2，将地面监测控制网的坐标引测至所述基准点坐标上。在此，将地面监测控制网的坐标引测至所述基准点上，便于基于所述基准点坐标计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，包括：

先在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描，然后将所述三维激光扫描仪放置于盾构机的刀盘后方进行扫描，从而扫描全程只需要使用一台三维激光扫描仪。

如图1所示，本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描，包括：

根据所述盾构工作井1和盾构机3的间距离，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪7进行整环扫描时采用多站扫描方式，两站之间间隔10-15米左右，扫描站数不低于2站。在此，鉴于三维激光扫描在仪器下方区域会出现扫描空缺，所述在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描时采用多站扫描方式，以扫描到完整的数据。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，包括：

对所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图进行去噪和数据精简处理；

根据经过所述去噪和数据精简处理的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。在此，经过所述去噪和数据精简处理的点云图，可以便于得到更精确的异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型。

如图1所示，本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描之前，还包括：

在所述异型隧道内的盾体周边已经安装的衬砌8上布设3个左右不动点作为扫描数据整合基准点9，所述扫描数据整合基准点采用标记球形式。在此，通过布置扫描数据整合基准点，可以方便后续根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图的拼接，进而通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，包括：

根据扫描数据整合基准点对所述点云图进行点云配准，根据点云配准后的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。在此，通过根据扫描数据整合基准点对所述点云图进行点云配准，可以得到更精确的异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，包括：

截取所述异型隧道内表面模型的各个断面；

根据所述截取断面寻找各断面的中心云点位置，连接这些中心云点位置形成异型隧道的中轴线。在此，通过所述异型隧道内表面模型的各个断面，可以精确确定异型隧道的中轴线。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，包括：

基于井壁上的所述基准点坐标，确定所述中轴线的各点坐标；

基于所述中轴线的各点坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。在此，根据中轴线的各点坐标，可以精确计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

如图1所示，本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描之前，还包括：

在盾构机3的外壳内壁上布设3个左右十字标签10作为姿态校核基准点10，十字标签10的面积大于A4纸张大小。在些，通过姿态校核基准点，便于后续更精确地计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描时，确保扫描到所述盾构机的外壳内壁的姿态校核基准点。在些，通过扫描姿态校核基准点，便于后续更精确地计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，基于所述中轴线的各点坐标和基准点坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，包括：

基于井壁上的所述基准点坐标，确定所述中轴线的各点坐标和姿态校核基准点的坐标；

基于所述中轴线的各点坐标、姿态校核基准点的坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。在些，通过中轴线的各点坐标和姿态校核基准点的坐标，便于更精确地计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

本发明的异型隧道开挖测量方法一实施例中，截取所述异型隧道内表面模型的各个断面之后，还包括：

计算所述各个断面的实际面积，将各个断面的实际面积与设计图纸中各个断面的理论面积进行比较，得到每个断面的超欠挖数据。在此，本实施例同时了解盾构姿态偏差，开挖中轴线偏差和施工超欠挖情况。

综上所述，本发明主要基于三维扫描建立一种异型盾构开挖测量技术，通过在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置3个不动点作为基准点，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，得到异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，解决传统测量技术只适应于圆形隧道的局限，通过本测量技术，可以同时了解盾构姿态偏差，开挖中轴线偏差和施工超欠挖情况，监测精度高，人工要求低，适用于所有形状隧道。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种异型隧道开挖测量方法，其特征在于，包括：

在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置3个不动点作为基准点；

在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，得到异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图；

根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型；

根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

2.如权利要求1所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，在连通异型隧道的盾构工作井的井壁上设置不动点作为基准点，包括：

在连通异型隧道的盾构工作井的后方井壁设置不动点作为基准点，将地面监测控制网的坐标引测至所述基准点坐标上。

3.如权利要求2所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描，包括：

先在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描，然后将所述三维激光扫描仪放置于盾构机的刀盘后方进行扫描。

4.如权利要求3所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描，包括：

根据所述盾构工作井和盾构机间的距离，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描时采用多站扫描方式，两站之间间隔10-15米，扫描站数不低于2站。

5.如权利要求1所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，包括：

对所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图进行去噪和数据精简处理；

根据经过所述去噪和数据精简处理的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。

6.如权利要求1至4任一项所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描之前，还包括：

在所述异型隧道内的盾体周边已经安装的衬砌上布设3个左右不动点作为扫描数据整合基准点，所述扫描数据整合基准点采用标记球形式。

7.如权利要求6所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，根据所述异型隧道内表面及盾构机外壳的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型，包括：

根据扫描数据整合基准点对所述点云图进行点云配准，根据点云配准后的点云图，通过异型隧道截面提取得到所述异型隧道的异型隧道内表面模型，并通过盾构机外形轮廓提取得到盾构机首尾轮廓模型。

8.如权利要求1至5任一项所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，根据所述异型隧道内表面模型和盾构机首尾轮廓模型，确定异型隧道的中轴线，包括：

截取所述异型隧道内表面模型的各个断面；

根据所述截取断面寻找各断面的中心云点位置，连接这些中心云点位置形成异型隧道的中轴线。

9.如权利要求8所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，截取所述异型隧道内表面模型的各个断面之后，还包括：

计算所述各个断面的实际面积，将各个断面的实际面积与设计图纸中各个断面的理论面积进行比较，得到每个断面的超欠挖数据。

10.如权利要求2所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，基于所述中轴线和基准点计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，包括：

基于井壁上的所述基准点坐标，确定所述中轴线的各点坐标；

基于所述中轴线的各点坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。

11.如权利要求3所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，在异型隧道内的盾构机的尾部后方和盾构机的刀盘后方布置三维激光扫描仪进行全角度扫描之前，还包括：

在盾构机的外壳内壁上布设3个左右十字标签作为姿态校核基准点，十字标签的面积大于A4纸张大小。

12.如权利要求11所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，在异型隧道内的盾构机的尾部后方通过三维激光扫描仪进行整环扫描时，确保扫描到所述盾构机的外壳内壁的姿态校核基准点。

13.如权利要求12所述的异型隧道开挖测量方法，其特征在于，基于所述中轴线的各点坐标和基准点坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据，包括：

基于井壁上的所述基准点坐标，确定所述中轴线的各点坐标和姿态校核基准点的坐标；

基于所述中轴线的各点坐标、姿态校核基准点的坐标，计算所述盾构机的姿态数据及异型隧道的中轴线坐标数据。