CN111927558A - 动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法及装置 - Google Patents

动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法及装置 Download PDF

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CN111927558A CN202011088248.XA CN202011088248A CN111927558A CN 111927558 A CN111927558 A CN 111927558A CN 202011088248 A CN202011088248 A CN 202011088248A CN 111927558 A CN111927558 A CN 111927558A
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Abstract

本发明提供了一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法及装置，方法包括：S100建立动态坐标系，坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动，记录原点移动距离并以原点为中心实时进行立体激光扫描，得到点云数据，所述点云数据包括坐标数据，实时采集围岩数据；S200先对点云数据进行扁形拟合，计算拟合残差，以拟合残差偏离其均值的设定倍数作为噪点判据，去除噪点，然后进行预处理；S300将预处理后的点云数据、围岩数据与隧道挖掘线路结合，构建隧道挖掘动态模型；S400根据隧道挖掘动态模型进行应力分析，以应力分析的结果判断是否发出安全预警信号。装置包括三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块、工控机、数据传输模块、报警器和服务器。

Description

动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法及装置
技术领域
本发明涉及数据处理与隧道工程施工安全技术领域，特别涉及一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法及装置。
背景技术
我国一直大力发展交通基础设施建设，铁路、公路和地铁每年都有快速的增长。在很多交通基础建设线路中都存在隧道工程，隧道工程的施工对地质情况的认识非常重要，稍有不甚就可能导致隧道施工或运营过程中发生安全事故。
围绕着隧道工程的地质识别相关问题，在地质调查手段、调查方法和分析方法上，出现了地质雷达法、超前水平钻探法、TSP 地震法等地质识别方法，这些方法可以对隧道掌子面前方未开挖区域的地质情况作出识别，以对隧道施工的安全状态作出评价。
在隧道施工过程中，为了确保隧道施工的合理以及施工人员的安全，需要提前采集岩体信息，实时掌握隧道施工处的地质状况。传统的开挖面岩体分析主要靠地质勘测人员在施工现场手工对隧道开挖面进行地质素描并人工记录数据，仪器主要是地质罗盘和直尺，一般技术人员根据肉眼观察结果直接进行记录，这种方式得到的地质编录信息并不能完全反映隧道的真实情况，常因技术人员而异，其结果难以用于指导施工，因此通常仅仅用于对施工开挖出露围岩面的基本地质状况的记录。一般情况下，首先根据经验对隧道开挖形成的围岩面对隧道的地质状况作出初步判断，根据判断结果决定是否采取其它必要的措施。如果相关人员经验不足或存在误判，则可能造成安全事故或增加不必要的成本投入。虽然能实现结构面的识别，但是效率低、工作环境恶劣且勘测人员有生命的危险。
地质素描已经难以满足隧道的高速发展。现有岩体自动化识别较多的是摄影法测量结构面，主要是通过拍摄照片来识别岩体结构面。近景摄影法较地质素描效率有一定提高，减轻工作量，也可以应用于危险情况下，但获取能获取的点是有限的，摄影质量容易受到隧道内恶劣环境的影响，坐标的数值精度难以满足高精度的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，包括以下步骤：
S100建立动态坐标系，坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动，记录原点移动距离并以原点为中心实时进行立体激光扫描，得到点云数据，所述点云数据包括坐标数据，实时采集围岩数据；
S200先对点云数据进行预处理，然后进行扁形拟合，计算拟合残差，以拟合残差偏离其均值的设定倍数作为噪点判据，去除噪点；
S300将预处理后的点云数据、围岩数据与隧道挖掘线路结合，构建隧道挖掘动态模型；S400根据隧道挖掘动态模型进行应力分析，以应力分析的结果判断是否发出安全预警信号；所述应力分析的过程如下：
通过以下公式计算隧道横断面的各方向应力分量：
Figure 842967DEST_PATH_IMAGE001
Figure 567210DEST_PATH_IMAGE002
Figure 33963DEST_PATH_IMAGE003
以上公式中，
Figure 455541DEST_PATH_IMAGE004
表示水平方向的应力分量；
Figure 174098DEST_PATH_IMAGE005
表示竖直方向的应力分量；
Figure 487268DEST_PATH_IMAGE006
表示45度倾斜方向的应力分量；
Figure 531448DEST_PATH_IMAGE007
表示对复函数取实部；
Figure 930068DEST_PATH_IMAGE008
表示对复函数取虚部；
Figure 311371DEST_PATH_IMAGE009
表示隧道的水平宽度；
Figure 980512DEST_PATH_IMAGE010
表示隧道的竖直高度；
Figure 195592DEST_PATH_IMAGE011
表示虚数；
Figure 956875DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 141869DEST_PATH_IMAGE013
表示复应力函数：
Figure 570576DEST_PATH_IMAGE014
Figure 815612DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 595350DEST_PATH_IMAGE016
表示水平方向的面力；
Figure 584034DEST_PATH_IMAGE017
表示竖直方向的面力；
Figure 601669DEST_PATH_IMAGE018
表示泊松比；
若计算出的隧道横断面各方向应力分量中任意一项达到或者超过围岩的应力阈值，则发出安全预警信号。
可选的，在S100步骤中，所述立体激光扫描采用三维激光扫描仪，扫描得到的点云数据为离散的三维点集的坐标数据，所述围岩数据采用地质雷达采集，所述围岩数据包括掌子面的动水形状、围岩状态以及原点周边隧道侧壁、拱顶和底面的围岩状态。
可选的，在S200步骤中，所述预处理为进行归一化处理，方法如下：
S210根据离散的三维点集的坐标数据构建三角网模型，确定三角网模型中各三角范围内点集的形心，在坐标系中分别对三角范围内所有点进行平移，使形心移动至坐标原点；
S220对坐标系进行一定尺寸缩放，选择采用合适的各向同性缩放因子，使点云坐标等比例缩放，使所有点到原点的平均距离等于1；
S230输出处理后三角网模型的三维点集数据。
可选的，在S300步骤中，调用计算几何算法库进行隧道挖掘动态模型的构建，过程如下：
S310 采用计算几何算法库，利用表面重建技术将归一化处理后三角网模型的三维点集数据进行拟合，转换成带有三角形网格的二维面模型，并对二维面模型的三角形网格进行边缘优化剔除凸包；
S320对二维面模型中的三角面片进行距离与邻接分析，筛选出能连通的三角面片连接成结构面，并进行结构面优化，将结构面组合成动态的三维图形；
S330 将动态的三维图形以坐标原点的动态移动方向叠加组合形成隧道挖掘动态模型。
可选的，所述结构面优化包括剔除不属于隧道结构面的杂乱面以及填补结构面连接后出现的局部空洞。
可选的，所述方法还包括隧道挖掘动态模型验证，通过监控拍摄隧道内围岩图像，利用预设算法将监控图像中解析出特征信息，把特征信息转换为验证特征量；从隧道挖掘动态模型提取监控图像对应位置的模型特征数据，再将验证特征量与模型特征数据进行比对，判断二者的差异是否在设定范围，若超过设定范围，则相应的位置进行局部二次激光扫描获取二次扫描数据，对二次扫描数据采用S200和S300步骤处理，调整隧道挖掘动态模型。
可选的，所述方法还包括裂纹判断，通过对激光扫描记录隧道围岩的裂纹存在情况与裂纹数据，所述裂纹数据包括裂纹的长度、宽度、方向和密度信息，根据裂纹数据进行分析，确定裂纹系数，以裂纹系数对围岩应力计算进行修正，评估是否超过围岩的应力阈值。
本发明还提供了一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警装置，包括三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块、工控机、数据传输模块、报警器和服务器；
所述三维激光扫描仪用于以原点为中心实时对隧道进行立体激光扫描，得到点云数据；
所述地质雷达用于实时采集围岩数据；
所述位移模块用于坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动；
所述工控机与三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块、数据传输模块和报警器连接，通过数据传输模块与服务器进行数据交互，根据指令对三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块和报警器进行控制；
所述数据传输模块用于工控机与服务器进行数据交互；
所述报警器用于根据指令在工控机的控制下发出报警提示；
所述服务器与数据传输模块连接，用于对接收到的数据进行处理和分析，根据分析结果生成相关指令并传输给工控机。
可选的，所述装置还包括显示器，所述显示器与服务器连接，所述报警器包括蜂鸣器和闪烁指示灯。
本发明采用跟踪进行立体式激光扫描实时采取软弱围岩隧道全断面掘进的数据，降低了数据采取受到隧道环境影响的程度，先对采集的数据进行预处理，过滤掉异常数据，然后结合挖掘线路构建隧道挖掘动态模型，在模型基础上进行隧道挖掘的围岩应力分析，评估是否存在安全风险，进行相应的警示，以便及时采取措施加强防范。本发明全面数据，实时进行围岩数据处理，可及时反馈掘进的围岩状况并评估出风险情况，在发现风险存在时发出提示，以便快速反应采取急救措施，保障隧道施工顺利进行及施工安全。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法流程图；
图2为本发明的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法实施例采用的预处理过程流程图；
图3为本发明的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法实施例采用的隧道挖掘动态模型构建方法流程图；
图4为本发明的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警装置实施例结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，包括以下步骤：
S100建立动态坐标系，坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动，记录原点移动距离并以原点为中心实时进行立体激光扫描，得到点云数据，所述点云数据包括坐标数据，实时采集围岩数据；
S200先对点云数据进行预处理，然后进行扁形拟合，计算拟合残差，以拟合残差偏离其均值的设定倍数作为噪点判据，去除噪点；
S300将预处理后的点云数据、围岩数据与隧道挖掘线路结合，构建隧道挖掘动态模型；
S400根据隧道挖掘动态模型进行应力分析，以应力分析的结果判断是否发出安全预警信号；所述应力分析的过程如下：
通过以下公式计算隧道横断面的各方向应力分量：
Figure 781721DEST_PATH_IMAGE019
Figure 783175DEST_PATH_IMAGE020
Figure 185338DEST_PATH_IMAGE021
以上公式中，
Figure 447692DEST_PATH_IMAGE022
表示水平方向的应力分量；
Figure 175476DEST_PATH_IMAGE023
表示竖直方向的应力分量；
Figure 523281DEST_PATH_IMAGE024
表示45度倾斜方向的应力分量；
Figure 994714DEST_PATH_IMAGE025
表示对复函数取实部；
Figure 111574DEST_PATH_IMAGE026
表示对复函数取虚部；
Figure 10260DEST_PATH_IMAGE027
表示隧道的水平宽度；
Figure 720727DEST_PATH_IMAGE028
表示隧道的竖直高度；
Figure 356370DEST_PATH_IMAGE029
表示虚数；
Figure 468682DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 662903DEST_PATH_IMAGE031
表示复应力函数：
Figure 595087DEST_PATH_IMAGE032
Figure 532956DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 765355DEST_PATH_IMAGE034
表示水平方向的面力；
Figure 740264DEST_PATH_IMAGE035
表示竖直方向的面力；
Figure 549957DEST_PATH_IMAGE036
表示泊松比；
若计算出的隧道横断面各方向应力分量中任意一项达到或者超过围岩的应力阈值，则发出安全预警信号。
上述技术方案的工作原理为：采用跟踪进行立体式激光扫描实时采取软弱围岩隧道全断面掘进的点云数据，另外还采集隧道围岩数据，先对采集的点云数据进行预处理，过滤掉异常数据，以拟合残差偏离其均值的设定倍数作为噪点的判断标准，例如可以设定为拟合残差均值的2倍，达到2倍以上的数据点为噪点，进行噪点剔除，然后结合挖掘线路构建隧道挖掘动态模型，该隧道挖掘动态模型中包含隧道坐标数据和隧道的各项围岩数据，因此，可以在模型基础上进行隧道挖掘的围岩应力分析，评估评估当前坐标位置是否存在安全风险，进行相应的警示，以便及时采取措施加强防范，基于复变函数，以弹性理论的平衡方程和相容方程为基础，对隧道全断面各围岩应力分量进行求解，并进一步求解出洞室周围任意点的应力情况。最后利用有限元建模分析解析计算的模型，验证解析的准确性。经过验证的解析算法可为类似工况的设计和施工提供理论参考，具有较大的工程意义。
上述技术方案的有益效果为：通过跟踪立体式激光扫描，降低了数据采取受到隧道环境影响的程度，可以全面采集挖掘部位的围岩点云数据，另外实时采集隧道围岩数据，实时进行数据处理，可及时反馈掘进的围岩状况并评估出风险情况，在发现风险存在时发出提示，以便快速反应采取急救措施，保障隧道施工顺利进行及施工安全；通过以上公式，可以全面分析隧道的围岩应力情况，以此判断可能存在的安全风险，判断准确度高。
在一个实施例中，在S100步骤中，所述立体激光扫描采用三维激光扫描仪，扫描得到的点云数据为离散的三维点集的坐标数据，所述围岩数据采用地质雷达采集，所述围岩数据包括掌子面的动水形状、围岩状态以及原点周边隧道侧壁、拱顶和底面的围岩状态。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用三维激光扫描仪作为立体激光扫描的仪器，充分借助三维激光扫描仪的立体式扫描优点，快速获取隧道掘进点云数据，确定隧道侧壁、拱顶和底面形状与尺寸，围岩数据可以通过地质雷达进行采集，了解掌子面的动水形状、围岩状态以及原点周边隧道侧壁、拱顶和底面的围岩状态，为后续进行模型构建及数据分析打下基础。
在一个实施例中，如图2所示，在S200步骤中，所述预处理为进行归一化处理，方法如下：
S210根据离散的三维点集的坐标数据构建三角网模型，确定三角网模型中各三角范围内点集的形心，在坐标系中分别对三角范围内所有点进行平移，使形心移动至坐标原点；
S220对坐标系进行一定尺寸缩放，选择采用合适的各向同性缩放因子，使点云坐标等比例缩放，使所有点到原点的平均距离等于1；
S230输出处理后三角网模型的三维点集数据。
上述技术方案的工作原理为：以三角分割理论，对隧道三维点集的坐标数据建立三角网模型，确定各三角的形心坐标，以模拟平移使形心坐标与当前坐标的坐标原点重合，再选择同性缩放因子进行缩放处理。
上述技术方案的有益效果为：归一化处理可以大大提高计算结果的精度，将数据通过某种算法处理后限制在一个需要的范围内，归一化可以使数据后续计算处理的结果精度更高，可以对任何尺度缩放和坐标原点实现不变性。
在一个实施例中，如图3所示，在S300步骤中，调用计算几何算法库进行隧道挖掘动态模型的构建，过程如下：
S310采用计算几何算法库，利用表面重建技术将归一化处理后三角网模型的三维点集数据进行拟合，转换成带有三角形网格的二维面模型，并对二维面模型的三角形网格进行边缘优化剔除凸包；
S320对二维面模型中的三角面片进行距离与邻接分析，筛选出能连通的三角面片连接成结构面，并进行结构面优化，将结构面组合成动态的三维图形；
S330将动态的三维图形以坐标原点的动态移动方向叠加组合形成隧道挖掘动态模型。
上述技术方案的工作原理为：本方案可以调用计算几何算法库（CGAL），这是一个以 C++库形式提供关于计算几何中的主要数据结构及算法，主要包括三角剖分、Voronoi图、多边形、几何处理和凸包算法、插值、形状分析、拟合和距离等，CGAL 可以提供正确性、健壮性、灵活性、易于使用的计算几何解决方案。本方案在三角网格模型的基础上，使用扫描中心点到三角面片距离的方法识别结构面，将距离接近且连通的三角面片进行拟合，由点结合为面，再由面结合为三维立体形状，形成三维的隧道挖掘动态模型。
上述技术方案的有益效果为：本方法以扫描获取的坐标数据为基础，通过距离与邻接分析，连接成结构面，进行优化，将结构面再组合成动态的三维图形，再以坐标原点的动态移动方向叠加组合形成隧道挖掘动态模型；采用该方案，在岩体结构面识别与建立模型过程中无需人为操作，自动化程度高。
在一个实施例中，所述结构面优化包括剔除不属于隧道结构面的杂乱面以及填补结构面连接后出现的局部空洞。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：基于结构面近似平面，具有一定规模大小，将规模较小的结构面剔除，本方案通过结构面优化，弥补了扫描采集数据中可能出现的误差或者错漏，使得隧道挖掘动态模型更完整。
在一个实施例中，所述方法还包括隧道挖掘动态模型验证，通过监控拍摄隧道内围岩图像，利用预设算法将监控图像中解析出特征信息，把特征信息转换为验证特征量；从隧道挖掘动态模型提取监控图像对应位置的模型特征数据，再将验证特征量与模型特征数据进行比对，判断二者的差异是否在设定范围，若超过设定范围，则相应的位置进行局部二次激光扫描获取二次扫描数据，对二次扫描数据采用S200和S300步骤处理，调整隧道挖掘动态模型。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过模型验证，判断模型与隧道挖掘实际的契合程度，若两都存在的差异超出设定范围，说明模型存在局部存在失真，因而进行调整补救，保证隧道挖掘动态模型与隧道挖掘实际相符合，避免影响后继数据分析及结果，保障工程的顺利进行。
在一个实施例中，所述方法还包括裂纹判断，通过对激光扫描记录隧道围岩的裂纹存在情况与裂纹数据，所述裂纹数据包括裂纹的长度、宽度、方向和密度信息，根据裂纹数据进行分析，确定裂纹系数，以裂纹系数对围岩应力计算进行修正，评估是否超过围岩的应力阈值。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过对隧道围岩上存在的裂纹情况进行单项分析，根据裂纹对应力的影响，以此确定裂纹系数，用于对应力分析进行修正，使得应力分析的结果包含有影响安全的裂纹因素，进一步提高应力分析的准确性，增加安全风险判断的准确率，提高隧道施工安全预判的效果。
如图4所示，本发明实施例提供了一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警装置，包括三维激光扫描仪10、地质雷达20、位移模块30、工控机40、数据传输模块60、报警器50和服务器70；
所述三维激光扫描仪10用于以原点为中心实时对隧道进行立体激光扫描，得到点云数据；
所述地质雷达20用于实时采集围岩数据；
所述位移模块30用于坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动；
所述工控机40与三维激光扫描仪10、地质雷达20、位移模块30、数据传输模块60和报警器50连接，通过数据传输模块60与服务器70进行数据交互，根据指令对三维激光扫描仪10、地质雷达20、位移模块30和报警器50进行控制；
所述数据传输模块用于工控机与服务器进行数据交互；
所述报警器50用于根据指令在工控机40的控制下发出报警提示；
所述服务器70与数据传输模块60连接，用于对接收到的数据进行处理和分析，根据分析结果生成相关指令并传输给工控机40。
上述技术方案的工作原理为：采用跟踪进行立体式激光扫描实时采取软弱围岩隧道全断面掘进的点云数据，以位移模块进行挖掘线路跟随，通过地质雷达实时采集围岩数据，围岩数据包括掌子面的动水形状、围岩状态以及原点周边隧道侧壁、拱顶和底面的围岩状态，以工控机进行数据汇总，通过数据传输模块进行数据传输，通过服务器对采集的点云数据进行分析和处理，过滤掉异常数据，然后以点云数据和围岩数据结合挖掘线路，构建隧道挖掘动态模型，该隧道挖掘动态模型中包含隧道坐标数据和隧道的各项围岩数据，在模型基础上，由服务器进行隧道挖掘的围岩应力分析，评估当前坐标位置是否存在安全风险，若认为具有较大的安全风险时，通过工控机控制报警器进行相应的警示，以便及时采取措施加强防范。
上述技术方案的有益效果为：通过跟踪立体式激光扫描，降低了数据采取受到隧道环境影响的程度，可以全面采集挖掘部位的围岩点云数据，另外采用地质雷达实时采集隧道围岩数据，实时进行数据处理，可及时反馈掘进的围岩状况并评估出风险情况，在发现风险存在时发出提示，以便快速反应采取急救措施，保障隧道施工顺利进行及施工安全。
在一个实施例中，所述装置还包括显示器，所述显示器与服务器70连接，所述报警50器包括蜂鸣器和闪烁指示灯。
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过设置显示器，使得采集的数据以及数据加工分析过程实现可视化，以便操作人员能够更直观地掌握隧道掘进的围岩情况；报警器同时采用蜂鸣器和闪烁指示灯，在判断出安全风险时，通过蜂鸣器发出声音报警，通过闪烁指示灯发出灯光报警，两者结合，可以增强警示效果。
显然，本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100建立动态坐标系，坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动，记录原点移动距离并以原点为中心实时进行立体激光扫描，得到点云数据，所述点云数据包括坐标数据，实时采集围岩数据；
S200先对点云数据进行预处理，然后进行扁形拟合，计算拟合残差，以拟合残差偏离其均值的设定倍数作为噪点判据，去除噪点；
S300将预处理后的点云数据、围岩数据与隧道挖掘线路结合，构建隧道挖掘动态模型；
S400根据隧道挖掘动态模型进行应力分析，以应力分析的结果判断是否发出安全预警信号；
所述应力分析的过程如下：
通过以下公式计算隧道横断面的各方向应力分量：
Figure 197202DEST_PATH_IMAGE001
Figure 78571DEST_PATH_IMAGE002
Figure 933001DEST_PATH_IMAGE003
以上公式中，
Figure 849004DEST_PATH_IMAGE004
表示水平方向的应力分量；
Figure 773098DEST_PATH_IMAGE005
表示竖直方向的应力分量；
Figure 266396DEST_PATH_IMAGE006
表示45度倾斜方向的应力分量；
Figure 301348DEST_PATH_IMAGE007
表示对复函数取实部；
Figure 930913DEST_PATH_IMAGE008
表示对复函数取虚部；
Figure 291487DEST_PATH_IMAGE009
表示隧道的水平宽度；
Figure 272081DEST_PATH_IMAGE010
表示隧道的竖直高度；
Figure 845145DEST_PATH_IMAGE011
表示虚数；
Figure 96260DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 362156DEST_PATH_IMAGE013
表示复应力函数：
Figure 705413DEST_PATH_IMAGE014
Figure 472381DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 951904DEST_PATH_IMAGE016
表示水平方向的面力；
Figure 778914DEST_PATH_IMAGE017
表示竖直方向的面力；
Figure 343888DEST_PATH_IMAGE018
表示泊松比；
若计算出的隧道横断面各方向应力分量中任意一项达到或者超过围岩的应力阈值，则发出安全预警信号。
2.根据权利要求1所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，在S100步骤中，所述立体激光扫描采用三维激光扫描仪，扫描得到的点云数据为离散的三维点集的坐标数据，所述围岩数据采用地质雷达采集，所述围岩数据包括掌子面的动水形状、围岩状态以及原点周边隧道侧壁、拱顶和底面的围岩状态。
3.根据权利要求2所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，在S200步骤中，所述预处理为进行归一化处理，方法如下：
S210根据离散的三维点集的坐标数据构建三角网模型，确定三角网模型中各三角范围内点集的形心，在坐标系中分别对三角范围内所有点进行平移，使形心移动至坐标原点；
S220对坐标系进行一定尺寸缩放，选择采用合适的各向同性缩放因子，使点云坐标等比例缩放，使所有点到原点的平均距离等于1；
S230输出处理后三角网模型的三维点集数据。
4.根据权利要求3所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，在S300步骤中，调用计算几何算法库进行隧道挖掘动态模型的构建，过程如下：
S310 采用计算几何算法库，利用表面重建技术将归一化处理后三角网模型的三维点集数据进行拟合，转换成带有三角形网格的二维面模型，并对二维面模型的三角形网格进行边缘优化剔除凸包；
S320对二维面模型中的三角面片进行距离与邻接分析，筛选出能连通的三角面片连接成结构面，并进行结构面优化，将结构面组合成动态的三维图形；
S330 将动态的三维图形以坐标原点的动态移动方向叠加组合形成隧道挖掘动态模型。
5.根据权利要求4所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，所述结构面优化包括剔除不属于隧道结构面的杂乱面以及填补结构面连接后出现的局部空洞。
6.根据权利要求1所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，所述方法还包括隧道挖掘动态模型验证，通过监控拍摄隧道内围岩图像，利用预设算法将监控图像中解析出特征信息，把特征信息转换为验证特征量；从隧道挖掘动态模型提取监控图像对应位置的模型特征数据，再将验证特征量与模型特征数据进行比对，判断二者的差异是否在设定范围，若超过设定范围，则相应的位置进行局部二次激光扫描获取二次扫描数据，对二次扫描数据采用S200和S300步骤处理，调整隧道挖掘动态模型。
7.根据权利要求1所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警方法，其特征在于，所述方法还包括裂纹判断，通过对激光扫描记录隧道围岩的裂纹存在情况与裂纹数据，所述裂纹数据包括裂纹的长度、宽度、方向和密度信息，根据裂纹数据进行分析，确定裂纹系数，以裂纹系数对围岩应力计算进行修正，评估是否超过围岩的应力阈值。
8.一种动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警装置，其特征在于，包括三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块、工控机、数据传输模块、报警器和服务器；
所述三维激光扫描仪用于以原点为中心实时对隧道进行立体激光扫描，得到点云数据；
所述地质雷达用于实时采集围岩数据；
所述位移模块用于坐标系的原点跟随隧道挖掘施工进度沿隧道挖掘线路移动；
所述工控机与三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块、数据传输模块和报警器连接，通过数据传输模块与服务器进行数据交互，根据指令对三维激光扫描仪、地质雷达、位移模块和报警器进行控制；
所述数据传输模块用于工控机与服务器进行数据交互；
所述报警器用于根据指令在工控机的控制下发出报警提示；
所述服务器与数据传输模块连接，用于对接收到的数据进行处理和分析，根据分析结果生成相关指令并传输给工控机。
9.根据权利要求8所述的动水软弱围岩隧道全断面掘进的安全预警装置，其特征在于，所述装置还包括显示器，所述显示器与服务器连接，所述报警器包括蜂鸣器和闪烁指示灯。
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