CN112966369B - 一种隧道爆破质量评价及优化方法 - Google Patents

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CN112966369B CN202110165111.8A CN202110165111A CN112966369B CN 112966369 B CN112966369 B CN 112966369B CN 202110165111 A CN202110165111 A CN 202110165111A CN 112966369 B CN112966369 B CN 112966369B
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Abstract

本发明提出了一种隧道爆破质量评价及优化方法，用以解决现有爆破质量评价方法精度低，评价因素不够全面的问题。本发明的步骤为：在上一个爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置标靶；三维扫描获取上一个和当前的爆破断面之间以及当前爆破断面的三维点云数据；预处理；计算爆破后隧道超欠挖量；通过圆的参数方程拟合经过标靶的切面，计算得到爆破进尺；计算当前爆破断面的不平整度；对上一个断面的爆破质量进行评估，优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。本发明全面考虑了影响爆破质量的各个评价因素，并对每个评价因素进行量化计算，获取每个评价因素对判断爆破质量的评价得分，便于工程技术人员分析各个评价因素对判断爆破质量的影响程度。

Description

一种隧道爆破质量评价及优化方法
技术领域
本发明涉及隧道工程施工的技术领域，尤其涉及一种隧道爆破质量评价及优化方法。
背景技术
隧道钻爆法施工作业通过凿岩台车在掌子面钻孔，随后在钻孔中装填炸药起爆，形成岩渣，最终通过装载车运出岩渣，至此完成隧道一环的爆破开挖作业。当前，钻爆法在隧道爆破施工过程中面临着爆破超欠挖、爆破进尺不足、爆破断面不平整等严峻问题。其中，超欠挖导致爆破开挖的经济性大大降低；爆破进尺不足影响爆破开挖的进度；当前爆破断面的不平整导致后续布孔、开挖困难等问题。因而，爆破质量的准确评价对于提高开挖质量、指导后续开挖作业、加快工程建设进度、提高建设质量和经济性具有至关重要的意义。
然而，在钻爆法施工作业中，各个工序衔接紧密，且由于不同施工人员之间操作习惯不一致，导致爆破质量评价存在极大的难度。现有爆破质量评价方法采用抽样测量超欠挖量的方式进行评价，这种评价方法一方面难以达到准确的评价效果，另一方面未考虑爆破断面的不平整度、爆破进尺对爆破质量的影响，故而不能形成有效的爆破质量评价体系用于指导钻爆法施工作业。
因此，爆破质量的准确评价需要全面考虑影响爆破质量的各个评价因素，通过运用现代测绘技术、人工智能、大数据处理等技术手段，形成一种准确量化的爆破质量评价方法，从而提高开挖质量、优化指导后续开挖作业。
发明内容
针对现有爆破质量评价方法精度低，评价因素不够全面的技术问题，本发明提出一种隧道爆破质量评价及优化方法，通过综合考虑超欠挖量、爆破进尺及爆破断面的不平整度对爆破质量评价的影响，实现了爆破质量的全面量化准确评估。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道爆破质量评价及优化方法，其步骤如下：
步骤S1：在上一个爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置标靶；
步骤S2：利用全站式扫描仪对当前爆破断面及其隧道轮廓进行三维扫描，获取上一个和当前的爆破断面之间三维点云数据以及当前爆破断面的三维点云数据；
步骤S3：对步骤S2所得的三维点云数据进行预处理，获取预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据；
步骤S4：根据步骤S3中预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓和隧道设计轮廓的点云数据，计算爆破后隧道超欠挖量；
步骤S5：根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标及隧道中轴线坐标，通过圆的参数方程拟合经过标靶的切面，并计算切面内所有点云与当前隧道爆破断面内点云数据间距离的平均值，得到爆破进尺；
步骤S6：根据步骤S3中预处理后当前爆破断面的点云数据、步骤S1中两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标、步骤S5中爆破进尺及隧道中轴线坐标，计算当前爆破断面的不平整度；
步骤S7：根据隧道超欠挖量、当前爆破断面的不平整度以及爆破进尺，对上一个断面的爆破质量进行评估，优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。
所述步骤S3中预处理包括降噪和空洞插值处理，实现步骤如下：
S3.1，利用统计均值滤波对三维点云数据进行降噪处理，剔除边缘噪点和孤立点云；
S3.2，利用移动最小二乘平滑方法对步骤3.1中降噪处理后的点云数据进行空洞插值处理，获取预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据。
所述步骤S3.1的实现步骤为：
S3.1.1，计算每个点云到邻域点K的平均距离；
S3.1.2，根据步骤S3.1.1计算整个三维点云距离的平均值u和标准差σ；
S3.1.3，根据整个点云数据的距离，计算距离阈值区间[u-3σ,u+3σ]；
S3.1.4，依次将距离阈值区间与每个点的距离比较，超出距离阈值区间的点被标记为边缘噪点和孤立点，并将其移除。
所述步骤S3.2的实现步骤为：
S3.2.1，对于每个点(x,y,z)，设定搜索圆的半径R和搜索步长S；
S3.2.2，利用拟合的多项式L(x,y,z)计算点(x,y,z)处法线n，并沿着法线n增加搜索步长S；
S3.2.3，根据半径R内所有点的z向坐标值和拟合的多项式L(x,y,z)计算插值点的坐标；
S3.2.4，根据原始三维点云和插值点的坐标，得到预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据。
所述计算隧道超欠挖量的方法为：
S4.1，将STL/OBJ格式的隧道三维模型导入至第三方软件，生成点云格式的隧道设计轮廓；将隧道中轴线坐标导入至第三方软件，获取点云格式的隧道中轴线；
S4.2，根据预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓与隧道设计轮廓的点云数据，沿着隧道中轴线的方向等间隔切片获取切割断面的隧道实际轮廓与隧道设计轮廓，并提取切割断面处隧道实际轮廓的点云数据；
S4.3，对步骤S4.2所获取的切割断面处隧道实际轮廓沿着隧道周向进行等间隔分割，将切割断面处隧道实际轮廓分割为多个曲面微元，求取当前切割断面的中心坐标与每个曲面微元内所有点云数据的距离平均值，并作为切割断面的中心坐标至每个曲面微元的距离：
Figure BDA0002937449280000031
其中，(xcenter,ycenter,zcenter)为切割断面的中心坐标，(xi,yi,zi)为曲面微元内第i个点的三维坐标，N为曲面微元内点云数量。
S4.4，根据步骤4.3所获取切割断面的中心坐标至每个曲面微元的距离d，计算每个曲面微元处超欠挖量s＝d-r，其中，r为隧道设计半径；
S4.5，计算所有切割断面内每个曲面微元的超欠挖量，获取预处理后两个爆破断面之间隧道超欠挖量沿轴向方向的分布情况。
所述步骤S4.2的实现方法为：
S4.2.1，根据隧道中轴线的起始坐标、截止坐标及切片间隔，获取沿隧道中轴线方向所有切割断面的中心坐标(xcenter,ycenter,zcenter)；
S4.2.2，根据隧道设计半径r、切割断面的中心坐标(xcenter,ycenter,zcenter)和切割断面的宽度L，通过圆柱参数方程拟合切割断面处的隧道设计轮廓：
Figure BDA0002937449280000032
其中，(xdesign,ydesign,zdesign)为拟合后的隧道设计轮廓的点云坐标，θ为拟合的隧道设计轮廓所需周向方向的旋转角度，l为拟合的隧道设计轮廓沿z向的坐标变化量；
S4.2.3，根据步骤S4.2.2拟合的切割断面处的隧道设计轮廓，提取切割断面处隧道实际轮廓的点云数据。
所述步骤S1中，在上一爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置圆形的标靶，通过全站仪获取标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)；所述步骤S2中，三维点云数据中X轴、Y轴、Z轴的坐标为大地绝对坐标；
所述爆破进尺的计算方法为：
S5.1，根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合经过标靶的圆形切面点云：
Figure BDA0002937449280000041
其中，
Figure BDA0002937449280000042
为拟合的圆形切面点云的坐标，θ为拟合的圆形切面点云所需周向方向的旋转角度，
Figure BDA0002937449280000043
为圆形切面的半径且满足
Figure BDA0002937449280000044
S5.2，根据获取的圆形切面处点云的坐标，计算切面内所有点云与当前隧道爆破断面内点云数据间距离的平均值，得到爆破进尺
Figure BDA0002937449280000045
其中，
Figure BDA0002937449280000046
为圆形切面内第j个点云的坐标，
Figure BDA0002937449280000047
为当前隧道爆破断面内第j个点云的坐标，N1为当前隧道爆破断面内点云数量。
所述步骤S6中计算当前爆破断面的不平整度的方法为：
S6.1，根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及步骤S5中爆破进尺ddrilling，确定当前爆破断面的大地绝对坐标(xsection,ysection,zsection)为：
Figure BDA0002937449280000048
S6.2，根据当前爆破断面的大地绝对坐标(xsection,ysection,zsection)和隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合理想爆破断面点云为：
Figure BDA0002937449280000049
其中，
Figure BDA00029374492800000410
为拟合后理想爆破断面点云的坐标，θ为拟合的理想爆破断面所需周向方向的旋转角度，
Figure BDA00029374492800000411
为圆形理想爆破断面的半径且
Figure BDA00029374492800000412
S6.3，将当前爆破断面与理想爆破断面之间的空间点云数据划分为多个曲面体元，计算每个曲面体元内当前爆破断面与理想爆破断面之间的空间点云数据的平均差值，得到曲面体元的不平整度
Figure BDA00029374492800000413
其中，
Figure BDA00029374492800000414
为拟合后理想爆破断面内第k个点云的坐标，
Figure BDA00029374492800000415
为当前隧道爆破断面内第k个点云的坐标，N2为曲面微元内点云数量；
S6.4，根据步骤S6.3中所有曲面体元的不平整度droughness，计算所有曲面体元的不平整度的平均值，得到当前爆破断面的不平整度
Figure BDA00029374492800000416
其中，
Figure BDA00029374492800000417
为当前爆破断面的不平整度，
Figure BDA00029374492800000418
为当前爆破断面内第m个曲面体元的不平整度，M为当前爆破断面内曲面体元的数量。
所述步骤S7的实现方法为：
S7.1，根据隧道超欠挖量及其控制标准，对上一个断面的爆破质量进行评价打分；
S7.2，根据爆破断面的不平整度及其控制标准，对上一个断面的爆破质量进行评价打分；
S7.3，根据步骤S5得到的爆破进尺与理想爆破进尺的比值得到爆破进尺比值，利用爆破进尺比值对上一个断面的爆破质量进行评价打分。
S7.4，根据步骤S7.1～S7.3所获取的隧道超欠挖量、爆破断面的不平整度以及爆破进尺比值对判断爆破质量的评价打分，求取三个评价打分的平均值作为上一个断面的爆破质量得分；
S7.5，根据步骤S7.4得到的爆破质量得分，判断是否优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。
所述具体超欠挖量的控制标准及打分范围为：①若隧道超欠挖量>30cm，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若隧道超欠挖量介于20～30cm，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若隧道超欠挖量介于10～20cm，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若隧道超欠挖量介于10cm以内，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
所述爆破断面的不平整度的控制标准及打分范围为：①若爆破断面的不平整度>100cm，则爆破断面的不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若爆破断面的不平整度介于50cm～100cm，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若爆破断面的不平整度介于20cm～50cm，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若爆破断面的不平整度小于20cm，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
所述爆破断面的理想爆破进尺为隧道设计爆破进尺；
所述爆破进尺比值标准及打分范围为：①若爆破进尺比值<75％，爆破进尺与理想爆破进尺相距非常大，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若爆破进尺比值介于75％～85％，爆破进尺与理想爆破进尺相距较大，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若爆破进尺比值介于85％～95％，爆破进尺与理想爆破进尺相距较小，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若爆破进尺比值介于95％～100％，爆破进尺与理想爆破进尺相距非常小，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
所述步骤S7.5中如果爆破质量得分>75，则上一个爆破断面中钻孔布置及炸药量填充合理，满足当前对爆破质量的要求，则当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充不变更；反之，对当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充进行优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过全站式激光三维扫描获取相邻两个爆破断面之间和当前爆破断面之间三维点云数据，计算隧道超欠挖量、当前爆破断面的不平整度以及爆破进尺，最终通过量化计算上一个爆破断面的爆破质量得分，用以评价上一个爆破断面的爆破质量好坏、优化指导当前爆破断面的钻孔布置和炸药量填充。此外，本发明全面考虑了影响爆破质量的各个评价因素，并对每个评价因素进行量化计算，获取每个评价因素对判断爆破质量的评价得分，便于工程技术人员分析各个评价因素对判断爆破质量的影响程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明沿着隧道中轴线对隧道实际轮廓与设计轮廓之间点云数据进行等间隔切片所得断面示意图。
图3为本发明当前爆破断面的网格划分示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种隧道爆破质量评价及优化方法，包括如下步骤：
步骤S1，在上一个爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置标靶。
在步骤S1中，在上一爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置圆形的标靶，通过全站仪获取标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)。
步骤S2，利用全站式扫描仪对当前爆破断面及其隧道轮廓进行三维扫描，获取上一个和当前的爆破断面之间三维点云数据以及当前爆破断面的三维点云数据。
在步骤S2中，在距离掌子面20m处架设全站式激光扫描仪，通过手部控制全站式激光扫描仪对当前爆破断面及其隧道轮廓进行三维扫描，获取两个爆破断面之间及当前爆破断面的三维点云数据，三维点云数据中X轴、Y轴、Z轴的坐标为大地绝对坐标，可避免点云配准与坐标转化，大大简化点步骤S3中云预处理的流程与效率。
步骤S3，根据步骤S2所得到的三维点云数据，对三维点云数据进行预处理，获取预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据。
在步骤S3中，所述预处理包括降噪和空洞插值处理，具体实现的步骤如下：
S3.1，利用统计均值滤波对步骤S2得到的三维点云数据进行降噪处理，剔除边缘噪点和孤立点云，具体步骤为：
S3.1.1，计算每个点到邻域点K的平均距离，其中，邻域点K可根据点云扫描精度设置，通常设置为10～30；
S3.1.2，根据步骤S3.1.1计算整个三维点云距离的平均值u和标准差σ；
S3.1.3，根据整个点云数据的距离，计算距离阈值区间[u-3σ,u+3σ]；
S3.1.4，依次将距离阈值区间与每个点的距离比较，超出距离阈值区间的点被标记为边缘噪点和孤立点，并将其移除。
S3.2，利用移动最小二乘平滑方法对步骤3.1中降噪处理后的点云数据进行空洞插值处理，弥补三维点云数据中的缺失值，获取预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓的点云数据，具体步骤为：
S3.2.1，对于每个点(x,y,z)，设定搜索圆的半径R和搜索步长S；
S3.2.2，利用拟合的多项式L(x,y,z)计算点(x,y,z)处法线n，并沿着法线n增加搜索步长S；
S3.2.3，根据搜索圆的半径R内所有点的z向坐标值和拟合的多项式L(x,y,z)，计算插值点的坐标；
S3.2.4，根据原始三维点云和插值点的坐标，得到预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓的点云数据。
步骤S4，根据步骤S3中预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓和隧道设计轮廓的点云数据，计算爆破后隧道超欠挖量。
在步骤S4中，所述计算隧道超欠挖量的步骤如下：
S4.1，将STL/OBJ格式的隧道三维模型导入至第三方软件，生成点云格式的隧道设计轮廓；将隧道中轴线坐标导入至第三方软件，获取点云格式的隧道中轴线；
S4.2，根据预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓与隧道设计轮廓的点云数据，沿着隧道中轴线的方向等间隔切片获取切割断面的隧道实际轮廓与设计轮廓，如图2所示，其中切割断面为沿隧道轴向方向具有10cm宽度的曲面，切片间隔设置为1m，具体实现步骤如下：
S4.2.1，根据隧道中轴线的起始坐标、截止坐标及切片间隔，获取沿隧道中轴线方向所有切割断面的中心坐标；
S4.2.2，根据隧道设计半径r、步骤S4.2.1中切割断面的中心坐标(xcenter,ycenter,zcenter)和切割断面的宽度L，通过圆柱参数方程拟合切割断面处圆柱形的隧道设计轮廓：
Figure BDA0002937449280000081
其中，(xdesign,ydesign,zdesign)为拟合后圆柱形的隧道设计轮廓的点云坐标，θ为拟合的隧道设计轮廓所需周向方向的旋转角度，l为拟合的隧道设计轮廓沿z向的坐标变化量。
S4.2.3，根据步骤S4.2.2所拟合的切割断面处圆柱形的隧道设计轮廓，提取切割断面处隧道实际轮廓的点云数据.
S4.3，对步骤S4.2所获取的切割断面处隧道实际轮廓沿着隧道周向进行等间隔分割，设置隧道周向分割间距为50cm，从而将切割断面处隧道实际轮廓分割为34个10cm×50cm曲面微元，求取当前切割断面的中心坐标与每个曲面微元内所有点云数据的距离平均值，并以此作为切割断面的中心坐标至每个曲面微元的距离d：
Figure BDA0002937449280000082
其中，(xcenter,ycenter,zcenter)为切割断面的中心坐标，(xi,yi,zi)为曲面微元内第i个点的三维坐标，N为曲面微元内点云数量。
S4.4，根据步骤4.3所获取切割断面的中心坐标至每个曲面微元的距离d，并根据隧道设计半径r，计算每个曲面微元处超欠挖量：
s＝d-r。
S4.5，重复步骤S4.2.2～4.4，计算所有切割断面内每个曲面微元的超欠挖量，获取预处理后两个爆破断面之间隧道超欠挖量沿轴向方向的分布情况。
步骤S5，根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合经过标靶的切面，并计算切面内所有点云与当前隧道爆破断面内点云数据间距离的平均值，以此作为爆破进尺，具体实现步骤如下：
S5.1，根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合经过标靶的圆形切面点云：
Figure BDA0002937449280000083
其中，
Figure BDA0002937449280000084
为拟合后圆形切面点云的坐标，θ为拟合的圆形切面点云所需周向方向的旋转角度，
Figure BDA0002937449280000091
为圆形切面的半径且满足
Figure BDA0002937449280000092
S5.2，根据步骤S5.1获取的圆形切面处点云的坐标，计算切面内所有点云与当前隧道爆破断面内点云数据间距离的平均值，以此作为爆破进尺ddrilling：
Figure BDA0002937449280000093
其中，
Figure BDA0002937449280000094
为拟合后圆形切面内第j个点云的坐标，
Figure BDA0002937449280000095
为当前隧道爆破断面内第j个点云的坐标，N1为当前隧道爆破断面内点云数量。
S6，根据步骤S3中预处理后当前爆破断面的点云数据、步骤S1中两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)、步骤S5中爆破进尺及隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，计算当前爆破断面的不平整度。
在步骤S6中，所述根据步骤S3中预处理后当前爆破断面的点云数据、步骤S1中两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)、步骤S5中爆破进尺ddrilling及隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，计算当前爆破断面的不平整度，包括如下步骤：
S6.1，根据步骤S1中两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及步骤S5中爆破进尺ddrilling，确定当前爆破断面的大地绝对坐标(xsection,ysection,zsection)为：
Figure BDA0002937449280000096
S6.2，根据当前爆破断面的大地绝对坐标(xsection,ysection,zsection)和隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合理想爆破断面的点云：
Figure BDA0002937449280000097
其中，
Figure BDA0002937449280000098
为拟合后理想爆破断面点云的坐标，θ为拟合的理想爆破断面所需周向方向的旋转角度，
Figure BDA0002937449280000099
为圆形理想爆破断面的半径且满足
Figure BDA00029374492800000910
S6.3，将当前爆破断面与理想爆破断面之间的空间点云数据划分为50×50个曲面体元，如图3所示，并计算每个曲面体元内当前爆破断面与理想爆破断面之间的空间点云数据的平均差值，以此作为对应曲面体元的不平整度droughness：
Figure BDA00029374492800000911
其中，
Figure BDA00029374492800000912
为拟合后理想爆破断面内第k个点云的坐标，
Figure BDA00029374492800000913
为当前隧道爆破断面内第k个点云的坐标，N2为曲面微元内点云数量。
S6.4，根据步骤S6.3中所有曲面体元的不平整度droughness，计算所有曲面体元的不平整度的平均值，作为当前爆破断面的不平整度
Figure BDA0002937449280000101
Figure BDA0002937449280000102
其中，
Figure BDA0002937449280000103
为当前爆破断面的不平整度，
Figure BDA0002937449280000104
为当前爆破断面内第m个曲面体元的不平整度，M为当前爆破断面内曲面体元的数量。
S7，根据隧道超欠挖量、当前爆破断面的不平整度以及爆破进尺，对上一个断面的爆破质量进行评估，优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。
在步骤S7中，实现的步骤如下：
S7.1，根据隧道超欠挖量及其控制标准，对上一个断面的爆破质量进行评价打分。
具体超欠挖量的控制标准及打分范围为：①若隧道超欠挖量>30cm，超欠挖量过大，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若隧道超欠挖量介于20～30cm，超欠挖量较大，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若隧道超欠挖量介于10～20cm，超欠挖量较小，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若隧道超欠挖量介于10cm以内，超欠挖量非常小，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
S7.2，根据爆破断面的不平整度及其控制标准，对上一个断面的爆破质量进行评价打分。
爆破断面的不平整度的控制标准及打分范围为：①若爆破断面的不平整度>100cm，爆破不平整度过大，则爆破断面的不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若爆破断面的不平整度介于50cm～100cm，爆破不平整度较大，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若爆破断面的不平整度介于20cm～50cm，爆破不平整度较小，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若爆破断面的不平整度小于20cm，爆破不平整度非常小，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
S7.3，根据步骤S5得到的爆破进尺与理想爆破进尺的比值得到爆破进尺比值，利用爆破进尺比值对上一个断面的爆破质量进行评价打分。
爆破断面的理想爆破进尺为隧道设计爆破进尺。
具体爆破进尺比值标准及打分范围为：①若爆破进尺比值<75％，爆破进尺与理想爆破进尺相距非常大，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若爆破进尺比值介于75％～85％，爆破进尺与理想爆破进尺相距较大，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若爆破进尺比值介于85％～95％，爆破进尺与理想爆破进尺相距较小，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若爆破进尺比值介于95％～100％，爆破进尺与理想爆破进尺相距非常小，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分；
S7.4，根据步骤S7.1～S7.3所获取的隧道超欠挖量、爆破断面的不平整度以及爆破进尺比值对判断爆破质量的评价打分，求取三个评价打分的平均值作为上一个断面的爆破质量得分。
如果爆破质量得分介于80～100分，则爆破质量非常好，如果爆破质量得分介于60～80分，则爆破质量较好，如果爆破质量得分介于40～60分，则爆破质量较差，如果爆破质量得分介于0～40分，则爆破质量非常差。
S7.5，根据步骤S7.4得到爆破质量得分，判断是否优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。
如果爆破质量得分>75，则上一个爆破断面中钻孔布置及炸药量填充合理，可以满足当前对爆破质量的要求，则当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充可不变更；反之，则需要对当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充进行优化。
本发明可以根据实时采集的TBM破岩状态数据快速地对围岩等级进行判断，方便主司机根据围岩等级合理调整掘进参数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤S1：在上一个爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置标靶；
步骤S2：利用全站式扫描仪对当前爆破断面及其隧道轮廓进行三维扫描，获取上一个和当前的爆破断面之间三维点云数据以及当前爆破断面的三维点云数据；
步骤S3：对步骤S2所得的三维点云数据进行预处理，获取预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据；
步骤S4：根据步骤S3中预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓和隧道设计轮廓的点云数据，计算爆破后隧道超欠挖量；
所述计算隧道超欠挖量的方法为：
S4.1，将STL/OBJ格式的隧道三维模型导入至第三方软件，生成点云格式的隧道设计轮廓；将隧道中轴线坐标导入至第三方软件，获取点云格式的隧道中轴线；
S4.2，根据预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓与隧道设计轮廓的点云数据，沿着隧道中轴线的方向等间隔切片获取切割断面的隧道实际轮廓与隧道设计轮廓，并提取切割断面处隧道实际轮廓的点云数据；
S4.3，对步骤S4.2所获取的切割断面处隧道实际轮廓沿着隧道周向进行等间隔分割，将切割断面处隧道实际轮廓分割为多个曲面微元，求取当前切割断面的中心坐标与每个曲面微元内所有点云数据的距离平均值，并作为切割断面的中心坐标至每个曲面微元的距离：
Figure FDA0003980913040000011
其中，(xcenter,ycenter,zcenter)为切割断面的中心坐标，(xi,yi,zi)为曲面微元内第i个点的三维坐标，N为曲面微元内点云数量；
S4.4，根据步骤4.3所获取切割断面的中心坐标至每个曲面微元的距离d，计算每个曲面微元处超欠挖量s＝d-r，其中，r为隧道设计半径；
S4.5，计算所有切割断面内每个曲面微元的超欠挖量，获取预处理后两个爆破断面之间隧道超欠挖量沿轴向方向的分布情况；
步骤S5：根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标及隧道中轴线坐标，通过圆的参数方程拟合经过标靶的切面，并计算切面内所有点云与当前隧道爆破断面内点云数据间距离的平均值，得到爆破进尺；
步骤S6：根据步骤S3中预处理后当前爆破断面的点云数据、步骤S1中两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标、步骤S5中爆破进尺及隧道中轴线坐标，计算当前爆破断面的不平整度；
步骤S7：根据隧道超欠挖量、当前爆破断面的不平整度以及爆破进尺，对上一个断面的爆破质量进行评估，优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。
2.根据权利要求1所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S3中预处理包括降噪和空洞插值处理，实现步骤如下：
S3.1，利用统计均值滤波对三维点云数据进行降噪处理，剔除边缘噪点和孤立点云；
S3.2，利用移动最小二乘平滑方法对步骤3.1中降噪处理后的点云数据进行空洞插值处理，获取预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据。
3.根据权利要求2所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S3.1的实现步骤为：
S3.1.1，计算每个点云到邻域点K的平均距离；
S3.1.2，根据步骤S3.1.1计算整个三维点云距离的平均值u和标准差σ；
S3.1.3，根据整个点云数据的距离，计算距离阈值区间[u-3σ,u+3σ]；
S3.1.4，依次将距离阈值区间与每个点的距离比较，超出距离阈值区间的点被标记为边缘噪点和孤立点，并将其移除。
4.根据权利要求2所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S3.2的实现步骤为：
S3.2.1，对于每个点(x,y,z)，设定搜索圆的半径R和搜索步长S；
S3.2.2，利用拟合的多项式L(x,y,z)计算点(x,y,z)处法线n，并沿着法线n增加搜索步长S；
S3.2.3，根据半径R内所有点的z向坐标值和拟合的多项式L(x,y,z)计算插值点的坐标；
S3.2.4，根据原始三维点云和插值点的坐标，得到预处理后两个爆破断面之间隧道实际轮廓及当前爆破断面的点云数据。
5.根据权利要求1所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S4.2的实现方法为：
S4.2.1，根据隧道中轴线的起始坐标、截止坐标及切片间隔，获取沿隧道中轴线方向所有切割断面的中心坐标(xcenter,ycenter,zcenter)；
S4.2.2，根据隧道设计半径r、切割断面的中心坐标(xcenter,ycenter,zcenter)和切割断面的宽度L，通过圆柱参数方程拟合切割断面处的隧道设计轮廓：
Figure FDA0003980913040000021
其中，(xdesign,ydesign,zdesign)为拟合后的隧道设计轮廓的点云坐标，θ为拟合的隧道设计轮廓所需周向方向的旋转角度，l为拟合的隧道设计轮廓沿z向的坐标变化量；
S4.2.3，根据步骤S4.2.2拟合的切割断面处的隧道设计轮廓，提取切割断面处隧道实际轮廓的点云数据。
6.根据权利要求1或5所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S1中，在上一爆破断面与当前爆破断面的分界线处设置圆形的标靶，通过全站仪获取标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)；所述步骤S2中，三维点云数据中X轴、Y轴、Z轴的坐标为大地绝对坐标；
所述爆破进尺的计算方法为：
S5.1，根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合经过标靶的圆形切面点云：
Figure FDA0003980913040000031
其中，
Figure FDA0003980913040000032
为拟合的圆形切面点云的坐标，θ为拟合的圆形切面点云所需周向方向的旋转角度，
Figure FDA0003980913040000033
为圆形切面的半径且满足
Figure FDA0003980913040000034
S5.2，根据获取的圆形切面处点云的坐标，计算切面内所有点云与当前隧道爆破断面内点云数据间距离的平均值，得到爆破进尺
Figure FDA0003980913040000035
其中，
Figure FDA0003980913040000036
为圆形切面内第j个点云的坐标，
Figure FDA0003980913040000037
为当前隧道爆破断面内第j个点云的坐标，N1为当前隧道爆破断面内点云数量。
7.根据权利要求6所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S6中计算当前爆破断面的不平整度的方法为：
S6.1，根据两个爆破断面分界线处标靶的大地绝对坐标(xtarget,ytarget,ztarget)及步骤S5中爆破进尺ddrilling，确定当前爆破断面的大地绝对坐标(xsection,ysection,zsection)为：
Figure FDA0003980913040000038
S6.2，根据当前爆破断面的大地绝对坐标(xsection,ysection,zsection)和隧道中轴线坐标(xcenter,ycenter,zcenter)，通过圆的参数方程拟合理想爆破断面点云为：
Figure FDA0003980913040000039
其中，
Figure FDA0003980913040000041
为拟合后理想爆破断面点云的坐标，θ为拟合的理想爆破断面所需周向方向的旋转角度，
Figure FDA0003980913040000042
为圆形理想爆破断面的半径且
Figure FDA0003980913040000043
S6.3，将当前爆破断面与理想爆破断面之间的空间点云数据划分为多个曲面体元，计算每个曲面体元内当前爆破断面与理想爆破断面之间的空间点云数据的平均差值，得到曲面体元的不平整度
Figure FDA0003980913040000044
其中，
Figure FDA0003980913040000045
为拟合后理想爆破断面内第k个点云的坐标，
Figure FDA0003980913040000046
为当前隧道爆破断面内第k个点云的坐标，N2为曲面微元内点云数量；
S6.4，根据步骤S6.3中所有曲面体元的不平整度droughness，计算所有曲面体元的不平整度的平均值，得到当前爆破断面的不平整度
Figure FDA0003980913040000047
其中，
Figure FDA0003980913040000048
为当前爆破断面的不平整度，
Figure FDA0003980913040000049
为当前爆破断面内第m个曲面体元的不平整度，M为当前爆破断面内曲面体元的数量。
8.根据权利要求1或7所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S7的实现方法为：
S7.1，根据隧道超欠挖量及其控制标准，对上一个断面的爆破质量进行评价打分；
S7.2，根据爆破断面的不平整度及其控制标准，对上一个断面的爆破质量进行评价打分；
S7.3，根据步骤S5得到的爆破进尺与理想爆破进尺的比值得到爆破进尺比值，利用爆破进尺比值对上一个断面的爆破质量进行评价打分；
S7.4，根据步骤S7.1～S7.3所获取的隧道超欠挖量、爆破断面的不平整度以及爆破进尺比值对判断爆破质量的评价打分，求取三个评价打分的平均值作为上一个断面的爆破质量得分；
S7.5，根据步骤S7.4得到的爆破质量得分，判断是否优化当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充。
9.根据权利要求8所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述具体超欠挖量的控制标准及打分范围为：①若隧道超欠挖量>30cm，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若隧道超欠挖量介于20～30cm，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若隧道超欠挖量介于10～20cm，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若隧道超欠挖量介于10cm以内，则超欠挖量对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
10.根据权利要求9所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述爆破断面的不平整度的控制标准及打分范围为：①若爆破断面的不平整度>100cm，则爆破断面的不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若爆破断面的不平整度介于50cm～100cm，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若爆破断面的不平整度介于20cm～50cm，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若爆破断面的不平整度小于20cm，则爆破不平整度对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
11.根据权利要求9所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述爆破断面的理想爆破进尺为隧道设计爆破进尺；
所述爆破进尺比值标准及打分范围为：①若爆破进尺比值<75％，爆破进尺与理想爆破进尺相距非常大，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为0～40分；②若爆破进尺比值介于75％～85％，爆破进尺与理想爆破进尺相距较大，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为40～60分；③若爆破进尺比值介于85％～95％，爆破进尺与理想爆破进尺相距较小，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为60～80分；④若爆破进尺比值介于95％～100％，爆破进尺与理想爆破进尺相距非常小，则爆破进尺对判断爆破质量的评价打分范围为80～100分。
12.根据权利要求9-11中任意一项所述的隧道爆破质量评价及优化方法，其特征在于，所述步骤S7.5中如果爆破质量得分>75，则上一个爆破断面中钻孔布置及炸药量填充合理，满足当前对爆破质量的要求，则当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充不变更；反之，对当前爆破断面的钻孔布置及炸药量填充进行优化。
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