CN110617796B - 一种基于激光三维建模的沉降监测用系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于激光三维建模的沉降监测用系统，所述沉降监测用系统至少包括多个激光测量单元、数据处理单元和GIS单元，所述数据处理单元被配置为：基于布置于所述至少一个监测段上的多个激光测量单元所采集到的所述激光点云数据，对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行实时修正并确定实时修正程度，通过将该施工段信息代入所述历史模型数据集中进行匹配计算的方式，确定所述历史模型数据集中与该施工段相对应的第二敏感度参数、第二可控度参数以及沉降监测范围阈值，从而通过所述稳定性判断以及所述沉降监测范围阈值实现对施工过程的沉降监测。

Description

一种基于激光三维建模的沉降监测用系统

技术领域

本发明涉及盾构施工风险监测技术领域，尤其涉及一种基于激光三维建模的沉降监测用系统。

背景技术

盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建或铺设隧道之盾(指支撑性管片)，它区别于敞开式施工法。国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式(非盾构法)的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构机。用盾构法的机械进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。

盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。

盾构法进行挖掘隧道施工时至少有以下几个步骤：

1、在置放盾构机的地方打一个垂直井，再用混凝土墙进行加固。

2、将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶。

3、用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道。

4、将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混凝土衬砌加固，地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混凝土衬砌。

盾构法挖掘隧道相较于传统隧道掘进方法至少有以下几方面优点：

1、安全开挖和衬砌，掘进速度快。

2、盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低。

3、不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施。

4、穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动。

5、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。

其中，盾构掘进中会不可避免的出现地层变形，而地层变形的五个阶段通常分为，变形的第1阶段：发生在盾构到达该断面之前，主要表现为地下水位降低产生固结沉降。第2阶段：盾构通过该断面前，若盾构控制土压(泥水压)不足或过大，则开挖面正前方土体弹塑性变形引起地层沉降或隆起。第3阶段：发生在盾构通过该断面时，由于超挖、纠偏、盾构外周与周围土体的摩擦等原因而发生地层沉降或隆起。第4阶段：盾构通过该断面后产生的弹塑性变形；若衬砌背后与洞体的空隙填充不及时，造成地层应力释放，则土体的弹塑性变形引起地层沉降；若衬砌背后的填充注浆压力过高，则附加土压引发地层隆起。

尽管盾构机在不断的发展，但是无论盾构隧道施工技术如何改进，由于施工技术、工艺质量及周边环境和岩土介质的特点，其施工引起的地表沉降是不可能完全消除的。盾构推进对周围环境的影响主要表现在盾构推进引起的地表沉降。地表沉降过大时，会影响到盾构隧道和地表建筑的正常使用和安全运营，特别是在建筑物、道路、地下管线密集的城市修建地铁，隧道施工引起的地表沉降更应引起人们的高度重视。而地表沉降的原因主要有以下几方面：

1、隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因比按照隧道断面计算出的土量大得多，使得隧道与衬砌之间产生空气。从而在软黏土中空隙会被周围土壤及时填充，引起地层运动，产生施工沉降。土的应力因此而发生变化，随之形成：应变-变形-位移-地面沉降。

2、由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起被称为固结沉降的地层沉降。固结沉降可分为主固结沉降和此固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。

综上所述，地面沉降程度过大一方面会造成地面建筑物及管线破裂、地面塌陷、管线泄漏甚至气体爆炸等事故，另一方面可能造成盾构机的停机，这是非常致命的。因为盾构机一停机，就容易造成土压失衡，进而造成地面下陷，甚至将盾构机埋起来，使盾构机作废，更为严重的则会造成地铁改线等严重后果。因此，如何在盾构机施工时进行有效地进行地面沉降实时监测，是盾构施工风险监测技术领域中迫在眉睫的问题。

中国专利(公开号为CN108230442A)公开了一种盾构隧道三维仿真方法，包括：采用三维激光扫描仪获取隧道三维点云，每个点包含目标三维坐标数据(X,Y,Z)和目标反射强度信息I；根据点云数据的坐标数据构建隧道具有真实尺寸的三维结构模型，令三维结构模型任意一点的在UV坐标系下的坐标为(u,v)；计算三维结构模型上每个点的(X,Y,Z)与(u,v)的坐标转换关系。利用点云数据的反射强度信息插值生成隧道管片的二维灰度影像图，影像图中每个像素信息中包含对应三维坐标(X,Y,Z)；计算二维灰度影像图中像素在UV坐标系下的坐标；根据UV坐标实现三维结构模型与灰度影像的融合，最终生成三维结构模型内部渲染图，该渲染图是对盾构隧道内部影像的仿真。

中国专利(公开号为CN108491620A)公开了一种地铁隧道穿越桩基和路基沉降量预测的拟合度检验方法，首先建立地铁隧道100m试验段的三维有限元模型，宽度方向按照结构外左右两侧范围取2.5-3.5倍隧道洞径，区间隧道结构底板下方取4.5-5.5倍隧道洞径；三维有限元模型设定的围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则；三维有限元模型单元类型全部采用8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元；盾构隧道管片采用ABAQUS内置的Shell结构单元模拟；然后进行沉降量准确预测的拟合度检验。该专利优点是盾构掘进时将数值模拟结果与实时监测的数据进行比对，及时调整模型参数，避免因地层参数的局部变化影响模拟结果准确性。

中国专利(公开号为CN103195435B)公开了一种盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，公开了一种利用控制地层损失控制盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的方法，该方法包括以下步骤：首先，建立一套盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降“地层损失”的概念体系；其次，利用试验段监测数据建立地层损失与地面沉降，地层损失与施工参数的数学模型；再次，依据盾构穿越建筑密集区沉降控制目标，反算地层损失目标；最后，利用地层损失目标，建议盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降的施工控制参数。该专利将理论分析、科学试验与数值模拟较好的融合为一体，适用性强、监控测量范围广，可靠性好，精度高，实现了盾构穿越建筑密集区诱发地面沉降施工参数的定量化精细化控制。

但是，以上专利均无法有效地对实时准确测量断面的数据变化即无法准确测量地层塌陷量，并且无法通过动态监测地层变形与预设地层模型间的关系实现实时地层沉降监测。因此，本发明是克服现有技术的不足提供一种能够根据三维激光技术生成动态监测模型并基于动态监测模型与理论建筑信息模型进行综合分析判断的一种基于激光三维建模的沉降监测用系统。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的独立权利要求提供了一种基于激光三维建模的沉降监测用系统，所述沉降监测用系统至少包括多个激光测量单元、数据处理单元和GIS单元，所述数据处理单元能够用于获取当前盾构机的运行计划，所述GIS单元能够用于获取与该运行计划相对应的运行环境预报数据，所述激光测量单元能够用于采集监测位置处的激光点云数据，所述数据处理单元被配置为：

获取至少包括多个不同历史实时沉降BIM模型数据和与之对应的多个不同历史理论沉降GIS模型数据的历史训练数据，并通过对所述历史训练数据进行分类处理形成历史模型数据集；

获取当前盾构机的运行计划和与该运行计划相对应的运行环境预报数据，构建可供用户分析查询的盾构机动力学模型，并将所述运行计划和所述运行环境预报数据代入所述历史模型数据集中进行匹配计算，得到第一敏感度参数和第一可控度参数；

基于所述第一敏感度参数和所述第一可控度参数对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段分别执行至少一次稳定性判断，并基于判断结果对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行预设修正和/或确定至少一个监测段；

基于布置于所述至少一个监测段上的多个激光测量单元所采集到的所述激光点云数据，对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行实时修正并确定实时修正程度，通过将该施工段信息代入所述历史模型数据集中进行匹配计算的方式，确定所述历史模型数据集中与该施工段相对应的第二敏感度参数、第二可控度参数以及沉降监测范围阈值，从而通过所述稳定性判断以及所述沉降监测范围阈值实现对施工过程的沉降监测。

根据一种优选实施方式，所述数据处理单元还被配置为：在通过第一次判断确定所述施工段所对应的第一敏感度参数超出与之相对应的第一预设警告阈值或其第一可控度参数低于与之相对应的第一预设警告阈值时，对至少一个所述施工段的断层标记信息和/或盾构施工标记信息进行修正，终止对该施工段的稳定性判断，否则通过第二次判断确定该施工段所对应的第一敏感度参数不大于与之相对应的第二预设警告阈值和/或其第一可控度参数不低于与之相对应的第二预设警告阈值时，确定该施工段为监测段，终止对该施工段的稳定性判断。

相比于传统的仅能够提供静态的沉降BIM模型的沉降监测用系统，用户在观看的时候仅能观测施工阶段的地层沉降数据，无法获得不同地层沉降阶段下不同区段的实时沉降数据。本发明能够根据三维激光技术生成动态监测模型并基于动态监测模型与理论建筑信息模型进行综合分析判断，有效地对土层沉降进行监测，，避免了地面沉降程度过大造成地面建筑物及管线破裂、地面塌陷、管线泄漏甚至气体爆炸等事故。

此外本发明所提供的基于激光三维建模的沉降监测用系统至少具有如下有益技术效果：

1、本发明所提供的基于激光三维建模的沉降监测用系统，是在结合其施工过程的敏感特性和可控特性的同时，借助于多个不同历史实时沉降BIM模型数据和与之对应的多个不同历史理论沉降GIS模型数据，以使其能够在满足该盾构机的运作计划以及运行环境预报数据的前提下，运用数据挖掘的方式预测该盾构机的施工过程并构建可供用户分析查询的三维模型；同时通过所构建得到的三维模型实时地融入所述盾构机的实时运况，持续地对该所构建得到的三维模型参数进行修正，实现对该施工过程中可能发生沉降的位置的预测以及沉降监测范围阈值的设置的准确性。

2、本发明的沉降监测模型能够将BIM信息和GIS信息进行交换和相互操作，从而实现理论沉降GIS模型和实时沉降BIM模型之间空间关系查询。并为用户提供属性查询统计、空间信息分析和沉降信息分析等功能。

3、监测平台可以通过VPN网络与多个终端进行数据传输，并通过web单元与数据存储单元建立局域网连接。并且终端可以是盾构过程中位于盾构机中的PC端，地下施工人员能够通过操作PC端实时观测地层沉降程度。

4、BIM处理单元能够通过不同时期点云数据的对比从而获得相应的变形数据从而实现对地层沉降的实时动态管理分析，从而实现实时记录地层的不同沉降阶段的沉降数据。

根据一个优选实施方式，所述沉降监测用系统还包括监测平台，所述数据处理单元搭载于监测平台上，所述数据处理单元至少包括BIM处理单元和点云预处理单元，其中：所述点云预处理单元被配置为：对所述激光测量单元通过盾构施工隧道区段扫描生成的第一激光点云数据进行数据处理，通过去噪、分类、着色处理等步骤生成带有模型特征信息的第二激光点云数据，所述BIM处理单元被配置为：对所述第二激光点云数据进行三角测量计算、模型重建计算后生成所述实时沉降BIM模型。

根据一个优选实施方式，所述沉降监测模型被配置为由不同区段关联所述实时沉降BIM模型和所述理论沉降GIS模型，使得所述实时沉降BIM模型和所述理论沉降GIS模型的无缝对接、属性无损集成，从而为用户提供属性查询统计、空间信息分析和沉降信息分析等功能。

根据一个优选实施方式，所述沉降监测模型的生成被配置为以下步骤：基于所述实时沉降BIM模型导出数据的顶点和属性信息，并且按类型或图层进行分类，同时将以上信息传输至GIS数据处理单元形成模型数据集，

所述模型数据集能够与所述理论沉降GIS模型构成所述沉降监测模型，其中：基于所述沉降监测模型能够将BIM信息和GIS信息进行交换和相互操作，从而实现所述理论沉降GIS模型和所述实时沉降BIM模型之间空间关系查询。

根据一个优选实施方式，所述GIS单元能够对所述沉降监测模型进行模型渲染，所述模型渲染至少包括以下步骤：基于所述沉降监测模型导出所述实时沉降BIM模型的数据顶点和属性信息，并进行顶点着色和纹理贴图处理，基于所述沉降监测模型建立用于绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区用于存储图形渲染信息，基于经处理后的所述实时沉降BIM模型的数据顶点和属性信息，转换为可以直接通图形绘制接口进行绘制的逻辑存储对象，通过将绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区传输至图形绘制接口完成模型渲染。

根据一个优选实施方式，所述监测平台至少包括所述数据处理单元、web单元、数据存储单元和至少一个终端，所述web单元能够与所述数据存储单元建立数据连接，所述沉降监测模型能够通过所述web单元传输并储存于所述数据存储单元中，所述终端能够通过调用所述数据存储单元实时观测所述沉降监测模型。

根据一个优选实施方式，所述第一激光点云数据的生成至少被配置为以下步骤：基于所述激光测量单元采集盾构施工过程中的隧道三维激光图像进行分区拼接，基于所述点云预处理单元，利用相邻区段的所测量的点云数据进行拼接操作，选定同名特征点，生成拼接后的所述第一激光点云数据。

根据一个优选实施方式，所述顶点着色和纹理贴图处理的步骤至少包括：基于所述第一激光点云数据生成像素点中包含的三维坐标信息和目标反射强度信息，基于所述三维坐标信息和目标反射强度信息生成灰度图像图，基于所述灰度图像图对所述沉降监测模型完成顶点着色和纹理贴图处理。

根据一个优选实施方式，所述区段由至少一个盾构断面构成，多个区段共同构成盾构施工隧道，其中：盾构断面被定义为由多个支撑性管片共同构成的圆环形支撑面所在的平面。

附图说明

图1是本发明的基于激光三维建模的沉降监测用系统的简化模块连接示意图；和

图2是本发明的监测平台的简化模块连接示意图。

附图标记列表

1：激光测量单元 2：数据处理单元 3：GIS单元

4：监测平台 21：BIM处理单元 23：点云预处理单元

41：web单元 42：数据存储单元 43：终端

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明进行详细说明。

BIM：BIM技术可帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象如空间、运动行为的状态信息。借助这个包含建筑工程信息的三维模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。

GIS：地理信息系统又称“地学信息系统”，是一种特定的十分重要的空间信息系统，是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层包括大气层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

如图1所示，本发明公开了一种基于激光三维建模的沉降监测用系统，至少包括用于激光三维建模的激光测量单元1、数据处理单元2和用于建立理论沉降模型的GIS单元3，沉降监测用系统至少被配置为以下步骤：

S1：基于激光测量单元1对盾构施工隧道进行区段扫描并生成第一激光点云数据，基于点云预处理单元23对第一激光点云数据进行去噪、分类、着色处理，生成带有模型特征信息的第二激光点云数据，基于BIM处理单元21对第二激光点云数据进行三角测量计算、模型重建计算后生成实时沉降BIM模型，

优选的，激光测量单元1可以是一种三维激光扫描仪，能够确定初始点云数据的三维轴线坐标数据和里程数据，

更优选的，激光测量单元1可以是ILRIS-3D激光扫描仪；

S2：基于GIS单元3生成由预设隧道数据构成的三维理论沉降GIS模型；

S3：基于实时沉降BIM模型导出数据的顶点和属性信息，并且按类型或图层进行分类，同时将以上信息传输至GIS数据处理单元形成模型数据集，模型数据集能够与理论沉降GIS模型构成沉降监测模型，

优选的，沉降监测模型能够将BIM信息和GIS信息进行交换和相互操作，从而实现理论沉降GIS模型和实时沉降BIM模型之间空间关系查询；

S4：基于沉降监测模型导出实时沉降BIM模型的数据顶点和属性信息，并进行顶点着色和纹理贴图处理，基于沉降监测模型建立用于绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区用于存储图形渲染信息，基于经处理后的实时沉降BIM模型的数据顶点和属性信息，转换为可以直接通图形绘制接口进行绘制的逻辑存储对象，通过将绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区传输至图形绘制接口完成模型渲染。

根据一个优选实施方式，数据处理单元2搭载于监测平台4上，数据处理单元2至少包括BIM处理单元21和点云预处理单元23。优选的，监测平台4还设置有GIS单元3。

优选的，监测平台4和数据处理单元2可以由计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件构成。优选的，上述根据本发明的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质诸如CDROM、RAM、软盘、硬盘或磁光盘中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件诸如ASIC或FPGA的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件例如，RAM、ROM、闪存等，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。更优选的，监测平台4可以是一种装载有Revit Architecture和SuperMap GIS的专用计算机，SuperMap GIS能够提供便捷式BIM导入机制，支持主流BIM数据格式，包括：FBX、IFC、DAE.X、OBJ、3DS、OSGB/OSG，导入BIM建筑信息模型。

根据一个优选实施方式，如图2所示，监测平台4至少包括数据处理单元2、web单元41、数据存储单元42和至少一个终端43，web单元41能够与数据存储单元42建立数据连接，沉降监测模型能够通过web单元41传输并储存于数据存储单元42中，终端43能够通过调用数据存储单元42实时观测沉降监测模型。

优选的，监测平台4可以通过VPN网络与多个终端43进行数据传输，并通过web单元41与数据存储单元42建立局域网连接。优选的，终端43可以是盾构过程中位于盾构机中的PC端，地下施工人员能够通过操作PC端实时观测地层沉降程度。

根据一个优选实施方式，第一激光点云数据的生成至少被配置为以下步骤：

S1：基于激光测量单元1采集盾构施工过程中的隧道三维激光图像进行分区拼接；

S2：基于点云预处理单元23，利用相邻区段的所测量的点云数据进行拼接操作，选定同名特征点，生成拼接后的第一激光点云数据。

根据一个优选实施方式，顶点着色和纹理贴图处理的步骤至少包括：

S1：基于第一激光点云数据生成像素点中包含的三维坐标信息和目标反射强度信息；

S2：基于三维坐标信息和目标反射强度信息生成灰度图像图；

S3：基于灰度图像图对沉降监测模型完成顶点着色和纹理贴图处理。

根据一个优选实施方式，沉降监测模型被配置为由不同区段关联实时沉降BIM模型和理论沉降GIS模型，使得实时沉降BIM模型和理论沉降GIS模型的无缝对接、属性无损集成，从而为用户提供属性查询统计、空间信息分析和沉降信息分析等功能。

优选的，BIM处理单元21能够通过不同时期点云数据的对比从而获得相应的变形数据从而实现对地层沉降的实时动态管理分析，从而实现实时记录地层的不同沉降阶段的沉降数据。

优选的，区段由至少一个盾构断面构成，多个区段共同构成盾构施工隧道，其中：盾构断面被定义为由多个支撑性管片共同构成的圆环形支撑面所在的平面。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤拆分为更多步骤，也可将两个或多个步骤或者步骤的部分操作组合成新的步骤，以实现本发明的目的。同时，可将本申请中描述的各个功能单元拆分为更多的功能单元，也可将两个或多个功能单元或者功能单元的部分功能组合成新的功能单元，以实现本发明的目的。

根据一个优选实施方式，基于激光三维建模的沉降监测用系统，至少包括用于激光三维建模的激光测量单元1、数据处理单元2和用于建立理论沉降模型的GIS单元3，沉降监测用系统至少被配置为以下步骤：基于激光测量单元1采集盾构施工过程中的隧道三维激光图像，并通过数据处理单元2生成用于构建实时沉降BIM模型的激光点云数据，基于激光点云数据进行三角测量计算、模型重建计算后进行自动化构建三维实时沉降BIM模型，基于GIS单元3生成由预设隧道数据构成的三维理论沉降GIS模型，基于实时沉降BIM模型和理论沉降GIS模型生成可供用户分析查询的沉降监测模型。

优选的，激光测量单元1可以设置于盾构机上。

优选的，整理盾构工程的施工步骤可以是：

S1：在施工前，通过地面轴阀管分层注浆和/或冷冻加固对端头土体进行加固，并安装始发架和接收架；

S2：在施工过程中完成洞门的预埋件工作，并进行洞门密封装置的安装，其中，密封装置至少包括橡胶帘布、折行挡板、防翻板和螺栓等组成；

S3：在施工过程中，盾构机每掘进1.5m或2.0米时，停止掘进并收回千斤顶，同时用拼装机进行支撑性管片拼装成环。并在已拼装好的管片外的盾尾间隙进行同步注浆操作，防止地层过度沉降，

优选的，掘进时可以通过注入泡沫或泥浆对渣土进行改良，从而便于盾构机的刀片进行掘进，

优选的，支撑性管片可以是通过螺栓拼装成环，操作人员可以是通过气动扳手和/或手动扳手拧紧螺栓；

S4：在每次盾构机停止掘进并进行管片拼装时，安装于盾构机上的激光测量单元1能够对该区段的施工隧道进行扫描并生成第一激光点云数据，基于点云预处理单元23对第一激光点云数据进行去噪、分类、着色处理，生成带有模型特征信息的第二激光点云数据，基于BIM处理单元21对第二激光点云数据进行三角测量计算、模型重建计算后生成实时沉降BIM模型，

优选的，在每个区段的管片拼装完成时，操作人员可以通过在该区段设置激光测量单元1，从而测量不同区段的隧道相对应的土层沉降随时间的变化；

S5：数据处理单元2基于实时沉降BIM模型导出数据的顶点和属性信息，并且按类型或图层进行分类，同时将以上信息传输至GIS数据处理单元形成模型数据集，模型数据集能够与理论沉降GIS模型构成沉降监测模型；

S6：操作人员能够通过盾构机中人舱内的终端43实时观测沉降监测模型，实现实时观测地层沉降数据并起到预警作用。

优选的，盾构机切削开挖面土体时，能够通过控制出土量或掘进机速度等参数实现平衡开挖面的水土压力。

根据一种优选实施方式，一种基于激光三维建模的沉降监测用系统，该沉降监测用系统至少包括多个激光测量单元1。该沉降监测用系统至少包括数据处理单元2。该沉降监测用系统至少包括GIS单元3。该数据处理单元2至少能够用于获取当前盾构机的运行计划。该GIS单元3至少能够用于获取与该运行计划相对应的运行环境预报数据。通过若干个监测终端、智能移动终端、监控平台等等能够获得地质信息、隧道上覆土层平均重度、隧道上覆土层平均重度的时间变化信息、气象信息、住房密集区域信息、城市地下管道铺设信息等运行环境预报数据，对运行环境预报数据进行信息处理及分类，确定地图信息和地理元素信息，将获取到的运行环境预报数据基于不同地理元素信息进行整合，并展示形成实时地图、实时数据曲线，根据预设的时间定时地触发GIS单元对实时地图、实时数据曲线进行实时刷新。优选地，该激光测量单元1至少能够用于采集监测位置处的激光点云数据。

根据一种优选实施方式，该数据处理单元2被配置为获取至少包括多个不同历史实时沉降BIM模型数据和与之对应的多个不同历史理论沉降GIS模型数据的历史训练数据。优选地，该历史训练数据至少包括目标断层标记信息和目标盾构施工标记信息。优选地，该数据处理单元2通过对该历史训练数据进行分类处理形成历史模型数据集。该数据处理单元2通过对该历史训练数据进行分类处理的分类条件可以是地质参数、施工参数、设计参数、工程环境信息、各监测点的监测数据、地表沉降的监测数据、断面变形空间分布的监测数据、管片宽度、里程桩号、区域位置、盾构施工参数、隧道上覆土层平均重度、掘进时间中的一个或几个的组合。该数据处理单元2通过对该历史训练数据进行分类处理的分类条件可以是基于历史训练数据的时间参数、空间参数、类型参数中的至少一个进行的分类处理。通过对繁多的历史训练数据预先进行分类处理，有利于后期对历史训练数据进行数据匹配以及数据调取的准确性并缩短了数据处理时间。

根据一种优选实施方式，该数据处理单元2被配置为获取当前盾构机的运行计划和与该运行计划相对应的运行环境预报数据。该数据处理单元2被配置为基于获取到的当前盾构机的运行计划和与该运行计划相对应的运行环境预报数据构建盾构机动力学模型。该数据处理单元2将该运行计划和该运行环境预报数据代入该历史模型数据集中进行匹配计算，得到第一敏感度参数和第一可控度参数。其中，该盾构机的施工过程的敏感度参数指的是当在施工过程中出现环境因素变化的情况时，所形成的施工隧道不能避免稳定性能降低的能力，该盾构机的施工过程的敏感度参数越高，则反映其抗环境因素变化干扰的能力越不稳定，出现沉降的风险越大，反之，则反映其抗环境因素变化干扰的能力越好，不易出现沉降现象。敏感度参数至少与地质参数、设计参数、施工环境参数、区域位置、盾构施工参数、隧道上覆土层平均重度、掘进时间中的一个或几个相关。其中，该盾构机的施工过程的可控度参数指的是当在施工过程中出现环境因素变化的情况时，所形成的施工隧道发生变形或沉降后在一定的环境因素变化程度范围内保持稳定性能的能力，所形成的施工隧道的可控度参数越高，则反映其发生变形或沉降后在一定的环境因素变化程度范围内保持稳定性能的能力越好，不易出现沉降现象，反之，则反映其发生变形或沉降后在一定的环境因素变化程度范围内保持稳定性能的能力越不稳定，出现沉降的风险越大。

根据一种优选实施方式，该数据处理单元2被配置为基于该第一敏感度参数和该第一可控度参数对该盾构机动力学模型的至少一个施工段分别执行至少一次稳定性判断，并基于判断结果对该盾构机动力学模型的至少一个施工段进行预设修正和/或确定至少一个监测段。通过对当前盾构机的运行计划和与该运行计划相对应的运行环境预报数据进行分析处理，以其敏感度参数和可控度参数数据化盾构机施工过程中的各类环境干扰因素，避免了以往人为的依靠已有经验的方式随意选取监测段，往往导致需要花费更高成本来设置过多的部分没必要的激光测量单元的问题。

根据一种优选实施方式，执行至少一次稳定性判断的方法至少包括以下步骤：在通过第一次判断确定该施工段所对应的第一敏感度参数超出与之相对应的第一预设警告阈值或其第一可控度参数低于与之相对应的第一预设警告阈值时，对至少一个该施工段的断层标记信息和/或盾构施工标记信息进行修正，终止对该施工段的稳定性判断。否则，即为通过第一次判断确定该施工段所对应的第一敏感度参数不大于与之相对应的第一预设警告阈值或其第一可控度参数不低于与之相对应的第一预设警告阈值，继而通过第二次判断确定该施工段所对应的第一敏感度参数不大于与之相对应的第二预设警告阈值和/或其第一可控度参数不低于与之相对应的第二预设警告阈值时，确定该施工段为监测段，终止对该施工段的稳定性判断。第一敏感度参数和第一可控度参数分别预设有各自对应的预设警告阈值范围，当出现该施工段的敏感度参数处于预设警告阈值范围内而发生变形或沉降的风险不稳定且偏向高风险时，或当出现该施工段的可控度参数处于预设警告阈值范围内而发生变形或沉降的风险不稳定且偏向高风险时，确定该施工段为监测段，选择在该监测段设置激光测量单元；当出现该施工段的敏感度参数过高而发生变形或沉降的风险较高时，或当出现该施工段的可控度参数过低而发生变形或沉降的风险较高时，发布绑定该施工段的警告信息；当出现该施工段的敏感度参数低于预设警告阈值范围而发生变形或沉降的风险稳定性高时，或当出现该施工段的可控度参数高于预设警告阈值范围内而发生变形或沉降的风险稳定性高时，无需在该施工段设置监测点。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于激光三维建模的沉降监测用系统，所述沉降监测用系统至少包括多个激光测量单元(1)、数据处理单元(2)和GIS单元(3)，所述数据处理单元(2)能够用于获取当前盾构机的运行计划，所述GIS单元(3)能够用于获取与该运行计划相对应的运行环境预报数据，所述激光测量单元(1)能够用于采集监测位置处的激光点云数据，其特征在于，所述数据处理单元(2)被配置为：

获取至少包括多个不同历史实时沉降BIM模型数据和与之对应的多个不同历史理论沉降GIS模型数据的历史训练数据，并通过对所述历史训练数据进行分类处理形成历史模型数据集；

获取当前盾构机的运行计划和与该运行计划相对应的运行环境预报数据，构建可供用户分析查询的盾构机动力学模型，并将所述运行计划和所述运行环境预报数据代入所述历史模型数据集中进行匹配计算，得到第一敏感度参数和第一可控度参数；

基于所述第一敏感度参数和所述第一可控度参数对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段分别执行至少一次稳定性判断，并基于判断结果对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行预设修正和/或确定至少一个监测段；

基于布置于所述至少一个监测段上的多个激光测量单元(1)所采集到的所述激光点云数据，对所述盾构机动力学模型的至少一个施工段进行实时修正并确定实时修正程度，通过将该施工段信息代入所述历史模型数据集中进行匹配计算的方式，确定所述历史模型数据集中与该施工段相对应的第二敏感度参数、第二可控度参数以及沉降监测范围阈值，从而通过所述稳定性判断以及所述沉降监测范围阈值实现对施工过程的沉降监测。

2.根据权利要求1所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述数据处理单元(2)还被配置为：在通过第一次判断确定所述施工段所对应的第一敏感度参数超出与之相对应的第一预设警告阈值或其第一可控度参数低于与之相对应的第一预设警告阈值时，对至少一个所述施工段的断层标记信息和/或盾构施工标记信息进行修正，终止对该施工段的稳定性判断，否则

通过第二次判断确定该施工段所对应的第一敏感度参数不大于与之相对应的第二预设警告阈值和/或其第一可控度参数不低于与之相对应的第二预设警告阈值时，确定该施工段为监测段，终止对该施工段的稳定性判断。

3.根据前述权利要求之一所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述沉降监测用系统还包括监测平台(4)，所述数据处理单元(2)搭载于监测平台(4)上，所述数据处理单元(2)至少包括BIM处理单元(21)和点云预处理单元(23)，其中：

所述点云预处理单元(23)被配置为：对所述激光测量单元(1)通过盾构施工隧道区段扫描生成的第一激光点云数据进行数据处理，通过去噪、分类、着色处理步骤生成带有模型特征信息的第二激光点云数据，

所述BIM处理单元(21)被配置为：对所述第二激光点云数据进行三角测量计算、模型重建计算后生成所述实时沉降BIM模型。

4.根据权利要求3所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述沉降监测模型被配置为由不同区段关联所述实时沉降BIM模型和所述理论沉降GIS模型，使得所述实时沉降BIM模型和所述理论沉降GIS模型的无缝对接、属性无损集成，从而为用户提供属性查询统计、空间信息分析和沉降信息分析功能。

5.根据权利要求3所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述沉降监测模型的生成被配置为以下步骤：

基于所述实时沉降BIM模型导出数据的顶点和属性信息，并且按类型或图层进行分类，同时将以上信息传输至GIS数据处理单元形成模型数据集，

所述模型数据集能够与所述理论沉降GIS模型构成所述沉降监测模型，其中：

基于所述沉降监测模型能够将BIM信息和GIS信息进行交换和相互操作，从而实现所述理论沉降GIS模型和所述实时沉降BIM模型之间空间关系查询。

6.根据权利要求5所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述GIS单元(3)能够对所述沉降监测模型进行模型渲染，所述模型渲染至少包括以下步骤：

基于所述沉降监测模型导出所述实时沉降BIM模型的数据顶点和属性信息，并进行顶点着色和纹理贴图处理，

基于所述沉降监测模型建立用于绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区用于存储图形渲染信息，

基于经处理后的所述实时沉降BIM模型的数据顶点和属性信息，转换为可以直接通图形绘制接口进行绘制的逻辑存储对象，

通过将绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区传输至图形绘制接口完成模型渲染。

7.根据权利要求3所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述监测平台(4)至少包括所述数据处理单元(2)、web单元(41)、数据存储单元(42)和至少一个终端(43)，

所述web单元(41)能够与所述数据存储单元(42)建立数据连接，所述沉降监测模型能够通过所述web单元(41)传输并储存于所述数据存储单元(42)中，所述终端(43)能够通过调用所述数据存储单元(42)实时观测所述沉降监测模型。

8.根据权利要求6所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述第一激光点云数据的生成至少被配置为以下步骤：

基于所述激光测量单元(1)采集盾构施工过程中的隧道三维激光图像进行分区拼接，

基于所述点云预处理单元(23)，利用相邻区段的所测量的点云数据进行拼接操作，选定同名特征点，生成拼接后的所述第一激光点云数据。

9.根据权利要求8所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述顶点着色和纹理贴图处理的步骤至少包括：

基于所述第一激光点云数据生成像素点中包含的三维坐标信息和目标反射强度信息，

基于所述三维坐标信息和目标反射强度信息生成灰度图像图，

基于所述灰度图像图对所述沉降监测模型完成顶点着色和纹理贴图处理。

10.根据权利要求9所述的沉降监测用系统，其特征在于，所述区段由至少一个盾构断面构成，多个区段共同构成盾构施工隧道，其中：

盾构断面被定义为由多个支撑性管片共同构成的圆环形支撑面所在的平面。

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