CN112985304B - 一种隧道施工辅助监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道施工辅助监测系统，至少包括多个地面三维激光扫描装置和多个数据处理模块，第二数据处理模块被配置为对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警，其中，空间相关函数被定义为在一维空间下，空间相关函数δ(h)为三维点云数据Z(i)在一维空间坐标的x轴方向上的空间相关函数。

Description

一种隧道施工辅助监测系统

本发明是申请号为201910686498.4，申请日为2019年7月26日，申请类型为发明，申请名称为一种基于空间时间参数的隧道施工风险管控系统。

技术领域

本发明涉及盾构隧道风险评价技术领域、建工预测技术领域、盾构工程技术领域，尤其涉及一种隧道施工辅助监测系统。

背景技术

隧道及地下工程在建设阶段面临有很大风险，风险由许多方面引起，有内在的因素也有外在因素，具体体现在其结构本身、周围水文地层材料、周围建设的环境现状和要求、以及施工工艺和操作水平等方面。

人口不断向城市聚集导致城市人口和建筑面积密集度迅速上升，导致城市可利用的地面空间越来越小。盾构法因其施工速度快、可适应大多数地层、机械化程度高、环境污染小等优点，已成为城市地铁的主要施工方法。盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，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。盾构掘进已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。近年来随着城市地铁和城市水利建设的不断发展，盾构机在地下隧道的建设中占据主要地位，成为地下开拓隧道主要使用的机械设备，盾构机在施工推进过程中对周围土体产生扰动，在管片即将脱出盾尾时，在土体与管片之间形成90～140mm的间隙，这将导致严重的地表沉降，当沉降值过大时严重危及周边建筑物及地下管线的使用安全。

地铁盾构施工引起的地表沉降受诸多因素的影响，这些因素具有随机性、不确定性、非线性的特点，很难用一个确定的函数关系来描述沉降值与各个因素间的关系。因此，近年来许多国内外学者基于人工智能的方法，分析、挖掘施工监测数据之间存在的隐含关系，预测地表沉降。这其中包括BP神经网络模型、小波分析方法结合RBF函数构建小波网络W-RBF预测模型、灰色关联与支持向量机结合等，但由于影响盾构施工地表沉降因素的复杂性、各类方法的缺陷性等，在实际工程应用仍有一定的局限性，预测结果精度也值得商榷。

在盾构施工时，盾构施工参数的合理选取和控制是有效减少和避免盾构施工安全风险的必要措施。建立适宜不同工程地质条件、水文地质条件、地层环境条件和其它特殊条件下盾构施工参数控制标准和/或控制范围，实现盾构施工的规范化和施工管理的标准化，对有效控制盾构施工安全风险是非常有必要的。盾构施工参数必须根据项目环境条件(包括地面和地下建构筑物等)和工程、水文地质条件来确定。盾构施工过程中穿越的地层及其工程地质、水文地质条件并非一成不变，当项目环境条件或工程地质、水文地质条件发生变化时，盾构施工参数也必须相应调整，因此必须根据盾构施工过程中的工程、水文地质条件、地面和地下环境条件以及隧道埋深等因素对盾构法施工的区间隧道进行组段划分，确定适宜各个组段的盾构施工参数控制标准和/或控制范围。

盾构隧道施工风险可以按施工先后顺序进行阶段划分，包括施工前准备阶段、盾构始发掘进与到达接受阶段、盾构掘进阶段、管片拼装阶段、注浆阶段、压气、开仓与换刀阶段、穿越构造物及管线复杂地质阶段和盾构辅助阶段。盾构掘进阶段的评价指标包括：穿越粘性土层出现“结泥饼”、盾构前方出现不明障碍物、地面沉降或隆起超限、土仓压力不平衡、螺旋输送器喷涌风险、刀盘切削扭矩大于盾壳摩擦、千斤顶系统故障、主轴承断裂风险、盾构施工参数设置不合理、盾构机械设备故障及维修不当、盾构轴线纠偏不当、盾尾密封失效风险、砂性土失稳、上软下硬复合地层刀盘偏磨及轴线偏移、开挖面泥皮形成质量、地面渣土排放；穿越构造物及管线复杂地质阶段的评价指标包括：地面沉降或隆起超限、构筑物开裂及结构失稳、管线破坏、地层空洞、局部有沼气储气层；盾构辅助阶段的评价指标包括：施工用电风险、水平与垂直运输风险、机械吊装与安装风险、监控与测量不准确、隧道排水通道不畅通、对周边环境的影响、循环泥浆制作。

隧道健康监测包括隧道结构侵蚀监测、结构变形监测、结构内力监测和环境情况监测，其中尤其是结构变形监测非常重要，其监测内容主要为隧道的纵向沉降(纵轴线变形)、横向位移和断面的收敛变形。

中国专利(公开号为CN109242171A)公开了一种基于BIM和RS-SVR的盾构施工地表沉降预测方法，本发明利用粗糙集理论中基于Pawlak属性重要度的方法约简决策表，得到了影响地表沉降程度最大的最优属性集，剔除了冗余数据，简化了模型输入参数的维度，节约了模型计算时间；同时，基于支持向量回归对小样本优秀的回归能力建立地表沉降预测模型，并进行训练，得到最佳核函数，提高了模型预测精度，增强了模型的解释能力；最后，将该模型与BIM技术结合，可以作为基于BIM的地铁施工风险管控平台的一个功能模块，直观地显示地表沉降的风险程度，方便对风险的发展进行跟踪，督促风险的规避与解决，并达到项目各方信息传递、信息共享的效果。

中国专利(公开号为CN207923112U)公开了一种盾构隧道施工地表沉降点智能一体化辅助监测装置，该装置包括钢制盖、钢制薄壁筒、点位标号及二维码识别模块、GPS定位追踪器、激光位移传感器、无线传输装置及信号控制模块、太阳能电池板及储蓄电池、LED照明灯和电源控制模块；本实用新型具有以下优点和效果：1)解决了监测点位数量繁杂，夜间测量困难的问题。2)通过设置的无线传输装置及信号控制模块、激光位移传感器，为点位是否遭到破坏提供判据；同时实现了实时监测，自动预警功能，克服了人工监测频率低，人为误差大，高风险等问题。3)通过设置的GPS定位追踪器，使地表沉降监测数据与拱顶沉降、上浮，周边收敛数据紧密结合，形成多元化、立体化的盾构施工监测网络。

上述专利所提供的监测装置仅适用于在盾构通过后的后续沉降阶段，然而在盾构推进过程中，隧道开挖后最初时间的变形及应力变化较快，该专利所提供的监测装置只能在盾构通过后进行埋设测量，导致其取得的初读数对后期的最终位移及应力预测无法提供准确的参考数据，进一步地将会导致后续与地表沉降监测数据之间的误差放大，无法实现真正的实时监测以及准确的预警功能。此外，目前针对隧道监控量测数据的分析及管理，大部分业主及施工单位都研发了各自的监控量测预警信息平台，通过此管理平台可实现对测点变化曲线、累计变化量、变形速率、测点报警与否进行查看及管理，BIM技术是信息化施工的一个新方向，目前已开始应用于隧道及地下工程的设计及施工领域，并逐步推广至隧道全生命周期的应用，然而基于BIM施工管理平台中的三维隧道模型，在不增加技术人员录入监控量测数据工作量的前提下，仍存在如何在BIM施工管理平台上实时查看隧道测点的测试数据及变化曲线的问题。

在本发明母案的审查过程中，第一次审查意见通知书仅指出形式性问题，未检索到最接近的现有技术。因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种基于空间时间参数的隧道施工风险管控系统，所述隧道施工风险管控系统至少包括多个地面三维激光扫描装置和多个数据处理模块，其中，第一数据处理模块被配置为：对由多个地面三维激光扫描装置获取到的每一个隧道区段表面的多个三维点云数据及其在空间坐标系下对应的三维坐标进行数据处理，以确定所述三维坐标中的连续隧道区段表面之间的空间相关函数，基于所述空间相关函数指示导入的BIM三维信息化模拟模型进行校正，以获得动态更新的该待建隧道的BIM三维信息化测量模型，第二数据处理模块被配置为：对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于所述时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警。

根据一种优选实施方式，所述隧道施工风险管控系统还包括第三数据处理模块，第三数据处理模块被配置为在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型，并基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段，将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段，在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。

根据一种优选实施方式，所述第一数据处理模块还用于与所述第二数据处理模块进行信息交互，所述第一数据处理模块基于由所述第二数据处理模块生成的所述变化趋势与所述分段条件相结合并重新对该待建隧道进行穿越风险源分段，并基于重新分段后获得的隧道区段指示隧道环境监测点的布置位置以及隧道环境监测点的监测频率。

根据一种优选实施方式，所述第一数据处理模块在盾构机进行掘进前确定隧道区段长度与彼此均不相同的至少三个连续隧道区段，并基于至少三个连续隧道区段表面之间的空间相关函数指示所述BIM三维信息化模拟模型的初步校正过程，该初步校正过程能够为后续盾构机施工提供初步参数优化。其中，进一步优选地，所述第一数据处理模块在盾构机进行掘进前基于导入的BIM三维信息化模拟模型确定隧道区段长度与彼此均不相同的且彼此连续的第一隧道区段、第二隧道区段、第三隧道区段以及与第一隧道区段相对应的盾构机的预测工况参数组合。所述预测工况参数组合为拟定的BIM三维信息化模拟模型所预先设定的多个盾构机施工参数例如注浆量、土仓压力、掘进速度的组合。由于在盾构开挖的不同阶段，隧道周围土体经历不同的应变路径，各阶段对应于不同的扰动机制；首先在刀盘掘进过程中形成挤压扰动，开挖过程中形成剪切扰动，盾尾脱出时形成卸荷扰动，注浆过程中形成固结扰动，因此需要通过多元化、立体化的盾构施工风险管控数据，及时调整注浆量、土仓压力、掘进速度等工况参数组合来指导盾构施工。

所述第一数据处理模块在以所述预测工况参数组合指示所述盾构机完成第一隧道区段的过程中获取地层变化信息和轴线偏差趋势，并根据所述地层变化信息和轴线偏差趋势生成各个场景集下的对应的至少一个待优化工况参数组合，所述第一数据处理模块基于遗传算法分别对至少一个待优化工况参数组合进行计算并在满足其规定的收敛依据时生成工况参数最优解组合。优选地，该地层变化信息至少包括地质构造、岩体强度、地应力、渗透压力分布等地层变化信息，初步掌握待掘进地质的地层变化规律，该地层变化信息可以是由超前地质探测系统所探测得到的，该超前地质探测系统是以水平超长钻孔技术为核心，具有探测距离较远且能够有效探明掌子面前方赋存的断层和破碎带等不良地质体特点，或是通过提前对地质进行取样试验所获得的信息。所述轴线偏差趋势至少包括盾构机的掘进方向与规划轴线方向之间的偏差及趋势，该轴线偏差趋势是由安装在盾构机上的多个传感器实时采集所得到的，优选地根据预定导入的BIM三维信息化模拟模型能够获得盾构机的掘进方向的规划轴线方向。

根据一种优选实施方式，所述第二数据处理模块用于计算该待建隧道的中心轴线移位变形以此量化待建隧道的整体位移监测情况，所述第二数据处理模块根据在所述第三数据处理模块处理中计算得到第i节隧道区段的中心坐标和方向向量，并用第i节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+1节隧道区段的中心坐标，然后用第i+1节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+2节隧道区段的中心坐标，依次计算得到了该待建隧道的中轴线的各坐标值P′h，将第i节隧道区段的中心坐标的基准值Ph中的x与每次测量获得的第i节隧道区段的中心坐标P′h中的x′比较，得到Δxh＝x′—x，Δxh就是第i节隧道区段的位移偏移量。

根据一种优选实施方式，所述空间相关函数的特征集合至少包括所述隧道区段表面所对应的三维坐标的测点距离特征和测点位置特征、所述盾构机的推力特征以及盾构机的姿态特征以及转弯半径特征中的一个或几个，所述时变空间相关函数的参数集合至少包括所述测点距离参数的测点幅度、彼此连续的至少两个隧道区段表面的测点幅度之比、背景噪声的标准偏差中的一个或几个，其中，所述空间相关函数用于指示所述隧道区段表面在同一时刻下不同测点的空间位置，所述时变空间相关函数用于指示所述隧道区段表面上同一测点在不同时刻下的空间位置变化。

根据一种优选实施方式，所述第二数据处理模块用于从所述空间相关函数中提取与各个隧道区段表面相关的特征集合以及其特征集合的时间变化曲线，并通过对在预定周期内所提取到的特征集合进行数据处理，以生成关于所提取到的特征集合的时间变化曲线的变化趋势，并基于预设变化阈值对各个隧道区段表面的变形情况进行分析。

一种基于空间时间参数的隧道施工风险管控方法，至少包括以下步骤：

对由多个地面三维激光扫描装置获取到的每一个隧道区段表面的多个三维点云数据及其在空间坐标系下对应的三维坐标进行数据处理，以确定所述三维坐标中的连续隧道区段表面之间的空间相关函数，基于所述空间相关函数指示导入的BIM三维信息化模拟模型进行校正，以获得动态更新的该待建隧道的BIM三维信息化测量模型。

对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于所述时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警。

根据一种优选实施方式，所述隧道施工风险管控方法还包括以下步骤：在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型，并基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段，将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段，在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。

本发明提供的基于空间时间参数的隧道施工风险管控系统至少具有如下有益技术效果：

(1)本发明提供了一种能够在终端的BIM三维信息化测量模型上直接查看以及隧道施工过程中风险管控的系统，实现在终端的BIM三维信息化测量模型上直接调用、查看监控量测信息平台中测点的测试数据及变化曲线，快速准确且可视化程度高，并且通过设定空间相关函数与时变空间相关函数对发生更新或变化的监测点进行同步更新后，能够直观地显示沉降、拱顶下沉、周边收敛等施工风险趋势，方便对施工风险的发展进行跟踪，督促施工风险的规避与解决，突破了传统基于监控量测信息平台对监测数据以二维图表形式的管理方式，实现在人机交互的情况下，在可视化更强的三维模型中对监测数据进行可视化的动态查看与管理，保证隧道的施工能够安全、顺利进行。

(2)本发明所提供的隧道施工风险管控系统，是基于降低对设备成本在本发明所考虑的要素中所占的比重，以实现完全杜绝隧道施工风险中发生隧道结构变形的情况的管控目标，突破了以往受限于设备成本上而通常只采用或改进设备成本较低的常规测量技术，导致现有技术中只能在发生隧道结构变形后才能够给出分析决策的现状。

(3)本发明通过利用三维激光扫描技术以及GIS信息，能够给得到精度均匀、密度高、定位准确的数据，可以发现许多细节变化，并且数据中包含任意截取断面，能够对目标的整体稳定性进行分析。尤其是在环境较为恶劣、不确定风险因素过多且现场监测人员的潜在危险较大的隧道施工过程中，导致常规测量技术无法支持任务的执行。

附图说明

图1是本发明提供的隧道施工风险管控系统的简化整体结构示意图；

图2是本发明提供的隧道施工风险管控系统的简化模块连接关系示意图；和

图3是本发明提供的隧道施工风险管控方法的简化流程示意图。

附图标记列表

1：第一数据处理模块 2：第二数据处理模块 3：第三数据处理模块 4：第一地面三维激光扫描装置 5：第二地面三维激光扫描装置 6：终端 7：网络平台

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

如图2所示，一种基于空间时间参数的隧道施工风险管控系统，所述隧道施工风险管控系统至少包括多个地面三维激光扫描装置和多个数据处理模块，其中，第一数据处理模块1被配置为：对由多个地面三维激光扫描装置获取到的每一个隧道区段表面的多个三维点云数据及其在空间坐标系下对应的三维坐标进行数据处理，以确定所述三维坐标中的连续隧道区段表面之间的空间相关函数，基于所述空间相关函数指示导入的BIM三维信息化模拟模型进行校正，以获得动态更新的该待建隧道的BIM三维信息化测量模型，第二数据处理模块2被配置为：对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于所述时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警。

本发明提供一种基于空间时间参数的隧道施工风险管控系统，即在终端的BIM三维信息化测量模型上直接查看以及隧道施工过程中风险管控的系统。本发明首先通过实时风险监测管控数据与BIM三维信息化模拟模型之间的数据交互，对预先拟定的BIM三维信息化模拟模型进行校正，使BIM三维信息化模拟模型上测点模型与终端后台上监测点的数据相对应绑定，获得动态更新的该待建隧道的BIM三维信息化测量模型，实现在终端后台的BIM三维信息化测量模型上可调取的、查看监测点的历史数据及变化曲线，快速准确且可视化，并且通过设定空间相关函数与时变空间相关函数对发生更新或变化的监测点进行同步更新后，能够直观地显示沉降、拱顶下沉、周边收敛等施工风险趋势，方便对施工风险的发展进行跟踪，督促施工风险的规避与解决，并达到项目各方信息传递、信息共享的效果。通过本发明的实施，在不增加技术人员工作量的情况下，可实现隧道监测数据的共享及传递，有效提升用户体验和工作效率。不仅为隧道施工的施工方法、施工支护、施工管理等提供管理支持，不再等同于以往的基于终端后台以平面的表格图形等形式反映其监测数据的监测方式，通过在可视化更强的三维模型中对监测数据进行动态的调取与风险监测，保证隧道的风险规避与施工安全。

更进一步地，本发明所提供的隧道施工风险管控系统，是基于降低对设备成本在本发明所考虑的要素中所占的比重，以实现完全杜绝隧道施工风险中发生隧道结构变形的情况为管控目标，突破了现有技术中受限于设备成本上而通常只采用或改进设备成本较低的常规测量技术，以及突破了以往技术只能在发生隧道结构变形后才能够给出分析决策的现状。

本发明所提供的隧道施工风险管控系统尤其是适用于在待建隧道下穿有其他铁路或地面上的既有铁路的情况下。该情况由于存在待建隧道线路与既有铁路的交叉影响，待建隧道下穿施工不可避免的会对既有铁路的基础产生扰动，会产生不同程度的地层沉降，从而引起既有铁路基础和轨道结构变形，不仅对待建隧道施工安全产生不利影响，而且会影响既有铁路的运营安全，严重的会造成既有铁路的破坏，引起较大的安全事故和造成较大的经济损失，由此需要完全杜绝隧道施工风险中发生隧道结构变形的情况，以免地面上的既有铁路受到严重影响。同样地，本发明所提供的隧道施工风险管控系统尤其是针对在盾构机进行同步注浆的情况下，由于在同步注浆量较大或是注浆压力较大的情况会给周围地层变形带来严重的影响，此外，对于双孔重叠隧道施工的情况以及待建隧道区段上方的住宅区密集等情况下，均需要完全杜绝隧道施工风险中发生隧道结构变形的情况，以免地面上的既有线路受到严重影响。

优选地，第一数据处理模块1通过隧道全断面信息采集和数据滤波，获得动态更新的该待建隧道的BIM三维信息化测量模型：其中，该隧道施工风险管控系统不同于传统的模型建立方法，采用的是非直接接触的测量方法——三维激光扫描装置，通过三维激光扫描装置能够直接地得到待扫描物体表面的空间采样点，利用所采集到的多个空间采样点能够重构出待扫描物体的表面，而以往的需要直接接触的测量方法，在测量时很容易对物体造成变形或损伤并且难以对物体的不规则表面进行准确测量，最终将导致传统测量方法所得到的测量结果的可靠度降低。三维激光扫描装置用于采集部分隧道三维点云数据，例如现有技术中已经应用成熟的由三维激光扫描系统供应商奥地利RIEGL激光测量系统公司提供的型号为LMS-Z210I-95的Riegl LMS-Z 210i-95 3D Laser Scanner Lazer Survey，其能够完成空间数据的抓取并能够完成对采集到的空间数据的处理以及三维建模。现场实测扫描过程采用的装置可以为上述Riegl LMS-Z210i-95 3D Laser Scanner Lazer Survey三维激光扫描仪或是美国FARO FOCUS X130三维激光扫描仪，获取三维激光扫描装置采集到的数据并将其传输至Trible RealWorks点云后处理软件进行点云数据处理，将现场扫描过程获得的实际测量的点云与BIM三维信息化模拟模型进行比对并更新BIM三维信息化模拟模型。进一步优选地，现场实测扫描过程采用的装置可以是现有技术中已授权的公开号为CN206410678U的中国专利所公开的三维激光扫描装置，现场实测扫描过程即为通过采用地面三维激光扫描技术测量隧道全断面变形，而具体的操作方法例如论文(《测绘工程》2015年-第5期-朱宁宁-河南理工大学矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室-三维激光扫描在地铁隧道形变监测中的应用)所提供的利用三维激光扫描点云截取隧道横断面拟合椭圆进行形变监测的方法，或是论文(《岩石力学与工程学报》2016年-第2期-谢雄耀-三维激光扫描在地铁隧道形变监测中的应用)所提供的联合采用圆柱面拟合与椭圆拟合进行点云建模,并运用误差分布统计规律进行点云降噪的方法。

进一步优选地，隧道全断面信息采集系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取隧道或者复杂物体或者地形的几何图形数据和影像数据，测量范围选在50m左右，每秒可测量800000个左右点坐标信息、强度信息、灰度信息和像元信息，采用自动测度计算的数据自动滤波处理和控制点自动拼接方法，如图1所示，基于物联网技术将监测数据和数据流不间断地实时传输交互，对拟定的BIM三维信息化模拟模型进行动态更新，最终生成该待建隧道的BIM三维信息化测量模型。该测量方法能够保证待建隧道的监控量测数据的真实性，避免待建隧道的监控量测数据的人为影响，同时可以加快数据采集以及处理的进度，使得监测数据与分析结果实时指导隧道施工，更好地满足了信息化施工以及隧道施工风险管控的要求；节省人力、物力，节约成本，提高了隧道施工的工作效率。

优选地，采用三维激光扫描技术可以直接得到真实物体表面的空间采样点，所得到的的空间采样点即为所述三维点云数据，三维点云数据可以用于重构三维物体表面。

优选地，三维点云数据在空间坐标系下对应的三维坐标：获取采集到的各个局部坐标系下的点云数据，通过多视点云配准把上述各个局部坐标系下扫描得到的点云数据，通过几何坐标变换后统一至空间坐标系中，该过程将从多个监测点不同监测角度下采集到的数据合成至统一空间坐标系下，该多视点云配准方法可以选择采用常用的基于集合特征的拼接方法或是基于点集合信息的ICP算法。优选地，对三维点云数据的处理过程中至少包括上述的点云配准还包括点云去噪和特征处理等预处理过程。

优选地，该隧道施工风险管控系统中的BIM三维信息化模拟模型，即为：拟定的BIM三维信息化模拟模型是根据设计方案以及现场实际施工情况，录入岩土体结构/性质/状态以及地应力情况等地质信息、管片体积/长度/环号/临接块/封底块/封顶块/成环日期等成环管片信息、盾构机切口轴线偏差、盾构机盾尾轴线偏差/土压力/推进速度/盾构总推力/盾构刀盘扭矩等盾构推进信息、洞内外地质与支护状态/支护裂缝监测/周边位移监测/水平相对净空变化值监测/s拱顶下沉量监测等监测点信息，以此形成施工BIM三维信息化模拟模型。

例如已授权的公开号为CN106595565B的中国专利所公开的一种基于BIM的智能化监测系统，是通过以下步骤完成BIM模型的建立首先项目设计人员已地勘报告、周边环境、经有限元计算软件计算转换成二维CAD图纸为基础信息，将基坑的二维地勘资料和二维CAD图纸、周边环境等转换成三维模型，完成BIM模型的建立，如图1所示，并在网络平台上共享，以供施工、监理和建设单位能够同步查看，同时通过主要是获取基坑周边信息的GIS信息模块，GIS信息能够与BIM模型结合，实现基坑的三维可视化展示。

又例如已授权的公开号为CN103473706B的中国专利所公开的基于BIM的运营隧道维护健康监测管理系统，其中隧道建设初期的BIM模型信息由前端操作终端所提供，数据采集来源于摄像采集的检测信息、人工检测信息。

上述两份专利的数据采集来源于GPS模块和传感器模块，或是摄像采集的检测信息和人工检测信息，即为传统的常规变形监测方法，一般选取的方法包括上述的GPS测量、传感测量还包括常规测量等，这些测量方法首先需要进行监测点的布设，然而监测点的数量是有限制的，而且测量效率也不高，容易收到天气的影响，在雨天、雾天等天气下，能够得到的准确数据很有限，无法准确的体现出变形的情况。而本发明通过利用三维激光扫描技术以及GIS信息，能够给得到精度均匀、密度高、定位准确的数据，可以发现许多细节变化，并且数据中包含任意截取断面，能够对目标的整体稳定性进行分析。尤其是在环境较为恶劣、不确定风险因素过多且现场监测人员的潜在危险较大的隧道施工过程中，导致常规测量技术无法支持任务的执行。

优选地，对于该隧道施工风险管控系统中的BIM三维信息化测量模型，即为：通过将获取三维激光扫描装置采集到的数据并传输至Trible RealWorks软件进行点云数据处理，继而，将现场实测扫描过程获得的点云与BIM三维信息化模拟模型进行比对，并以比对结果更新BIM三维信息化模拟模型，由此生成动态更新的BIM三维信息化测量模型。同时优选地，本发明所提供的风险管控系统还设置有用于获取基坑周边信息的GIS信息模块，GIS信息能够与BIM模型结合，实现隧道施工监测的三维可视化展示。

根据一种优选实施方式，所述第二数据处理模块2用于从所述空间相关函数中提取与各个隧道区段表面相关的特征集合以及其特征集合的时间变化曲线，并通过对在预定周期内所提取到的特征集合进行数据处理，以生成关于所提取到的特征集合的时间变化曲线的变化趋势，并基于预设变化阈值对各个隧道区段表面的变形情况进行分析。优选地，所述第二数据处理模块2用于从所述空间相关函数中提取与各个隧道区段表面相关的特征集合以及其特征集合的时间变化曲线。所述第二数据处理模块2用于通过对在预定周期内所提取到的特征集合进行数据处理。所述第二数据处理模块2用于生成关于所提取到的特征集合的时间变化曲线的变化趋势。所述第二数据处理模块2用于基于预设变化阈值对各个隧道区段表面的变形情况进行分析。

进一步优选地，对于该隧道施工风险管控系统中的空间相关函数：空间相关函数被定义为在一维空间下，当第i节隧道区段的中心坐标i在一维空间坐标上变化时，三维点云数据Z(x)在空间坐标点i处的监测值Z(i)与在空间坐标点i+h处的监测值Z(i+h)之差的方差的1/2，即为三维点云数据Z(i)在一维空间坐标的x轴方向上的空间相关函数，记为δ(h)，即

由于在满足二阶平稳的条件下有E[Z_(i)]＝E[Z_(i+h)]，因而

从而依据该空间相关函数δ(h)能够反映出局部范围和特定方向上监测点的变化，所述空间相关函数用于指示所述隧道区段表面在同一时刻下不同测点的空间位置，通过空间相关函数的建立，选择对应的隧道区段表面的时变空间相关函数进行拟合。

优选地，对于该隧道施工风险管控系统中的时变空间相关函数：所述时变空间相关函数被定义为以t_j为时间间隔计算t₀～t₁之间的表面变化值，即为

并以时间间隔t_j为横坐标、以时变空间相关函数

为纵坐标来绘制时变空间相关函数散点图或曲线图，针对时间间隔nt_j(其中n为1,2,3,4......，nt_j即为某个监测周期)下能够计算得到的表面变化值。所述时变空间相关函数用于指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势。

优选地，对于该隧道施工风险管控系统中的特征集合：目前，隧道盾构机施工过程中的风险管控不同于其他设备的风险管控，通常待建隧道不是全程都有一样的需管控风险，随着待建隧道沿其进程的环境情况的变化，待建隧道的需管控风险也在发生变化，待建隧道的穿越风险管控需要确定其进程中需管控风险较高的位置。为了正确的反映待建隧道的风险管控情况，需要制定可靠的穿越风险源分段的分段条件，将整条待建隧道划分为多个隧道区段，以隧道区段作为单个的风险管控单元，即根据特征集合的变化值作为穿越风险源分段的分段条件，在所述变化值大于所述预设阈值时，则进行穿越风险源分段，否则，则不进行穿越风险源分段，并根据该隧道区段的特征集合确定该隧道区段的关于时变空间相关函数的预设变化阈值。

具体的，所述分段条件可以实际情况来确定，所述分段条件可以包括盾构机机身所受的压力变化阈值、盾构机当前掘进的隧道区段的地质变化阈值、当前穿越隧道区段所处的地区等级变化阈值、待建隧道相对表面地层的隧道埋深阈值、当前穿越隧道区段所处的穿越河流阈值、当前隧道区段下盾构机的位移偏移阈值等。

其中，盾构机机身所受的压力变化阈值例如可以为大于7％的值，诸如8％，11％；盾构机当前掘进的隧道区段的地质变化阈值例如可以为不小于1的值，诸如即为1或2；当前穿越隧道区段所处的地区等级变化阈值例如可以为不小于1的值，诸如即为1、2、3或4，该阈值由该地区地面上的建筑物密集程度确定；待建隧道相对表面地层的隧道埋深阈值例如可以为大于7％的值，诸如8％，11％；当前穿越隧道区段所处的穿越河流阈值可以区别为是与否，其中是与否分别以量化的1与0代替，如果当前穿越隧道区段处于河流下方则进行穿越风险源分段，如果当前穿越隧道区段未处于河流下方则不进行穿越风险源分段。

其中，当前隧道区段下盾构机的位移偏移阈值可以通过第二数据处理模块2计算该待建隧道的中心轴线移位变形而获得，所述第二数据处理模块2根据在所述第三数据处理模块3处理中计算得到第i节隧道区段的中心坐标和方向向量，并用第i节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+1节隧道区段的中心坐标，然后用第i+1节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+2节隧道区段的中心坐标，依次计算得到了该待建隧道的中轴线的各坐标值P′h(i)(x′,y′,z′)，将第i节隧道区段的中心坐标的基准值Ph(i)(x,y,z)中的x与每次测量获得的第i节隧道区段的中心坐标P′h(i)(x′,y′,z′)中的x′比较，得到Δxh(i)＝x′-x，Δxh(i)就是第i节隧道区段的位移偏移量。当满足上述分段条件中的一个或多个时即进行穿越风险源分段，由此能够对待建隧道完成穿越风险源穿越风险源分段。

优选地，对于该隧道施工风险管控系统中的特征集合：针对各个隧道区段的满足的上述分段条件中的一个或多个分段条件，将其作为子集合并为该隧道区段的特征集合。例如某个隧道区段满足当前穿越隧道区段所处的地区等级变化阈值以及当前穿越隧道区段所处的穿越河流阈值，则该某个隧道区段的特征集合即为上述两个阈值，并根据合并形成的特征集合获得关于所述时变空间相关函数的预设变化阈值β。

其中，例如某个隧道区段的特征集合为当前穿越隧道区段所处的地区等级变化阈值(此处假设为y₁＝4)以及当前穿越隧道区段所处的穿越河流阈值(此处假设为y₂＝1)，且y₁对应的y_min为1以及y₂对应的y_min为0，而根据预设变化阈值与特征集合{y₁,y₂,y₃......y_j}之间的关系函数

由此针对具有不同量纲的多个特征子集，消除了数据之间不同量纲的影响性，使得数据之间具有可比性和加和性以获得关于所述时变空间相关函数的预设变化阈值β。当由该时变空间相关函数计算得到的表面变化值超出该预设变化阈值的隧道区段时，则自动发出警报警示停止继续施工，以利于及时采取相应的预防纠正措施。

由此，本发明所提供的隧道施工风险管控系统在考虑到隧道区段的空间分布的基础上，同时考虑到多个待建隧道沿其进程的环境情况在掘进进程的时间维度上的变化特征，引入多个与影响待建隧道的隧道施工风险的特征子集，进而结合由该时变空间相关函数计算得到的表面变化值与由特征集合计算得到的预设变化阈值，实现对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警的有效风险管控。

所述隧道施工风险管控系统还包括第三数据处理模块3，第三数据处理模块3被配置为在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型，并基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段，将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段，在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。优选地，所述隧道施工风险管控系统还包括第三数据处理模块3。第三数据处理模块3被配置为在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型。第三数据处理模块3基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段。第三数据处理模块3将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段。第三数据处理模块3在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。

由于本申请实施例是根据待建隧道沿其进程的环境情况的变化情况对待建隧道进行分段，以隧道区段作为风险管控单元，再基于根据所述关键属性参数的变化值作为隧道区段分段条件，获取所述多个隧道区段中的每一个隧道区段的需管控风险，最后基于每一个隧道区段的需管控风险，能够通过BIM三维信息化测量模型实现对该待建隧道的施工风险进行管控的目的，如此，使得每一个隧道区段与及其对应的需管控风险更匹配，进而再基于每一个隧道区段的需管控风险，对所述待建隧道的BIM三维信息化测量模型进行分析评估时，使得获取的计算结果更准确，进而能够提高获取的计算结果的准确度，以及准确地判断出待建隧道的施工风险发展趋势，实现了精度高的风险自动预警。

所述第一数据处理模块1还用于与所述第二数据处理模块2进行信息交互，所述第一数据处理模块1基于由所述第二数据处理模块2生成的所述变化趋势与所述分段条件相结合并重新对该待建隧道进行穿越风险源分段，并基于重新分段后获得的隧道区段指示隧道环境监测点的布置位置以及隧道环境监测点的监测频率。根据一种优选实施方式，所述第一数据处理模块1还用于与所述第二数据处理模块2进行信息交互。所述第一数据处理模块1基于由所述第二数据处理模块2生成的所述变化趋势与所述分段条件相结合并重新对该待建隧道进行穿越风险源分段。所述第一数据处理模块1基于重新分段后获得的隧道区段指示隧道环境监测点的布置位置以及隧道环境监测点的监测频率。

所述第一数据处理模块1在盾构机进行掘进前确定隧道区段长度与彼此均不相同的至少三个连续隧道区段，并基于至少三个连续隧道区段表面之间的空间相关函数指示所述BIM三维信息化模拟模型的初步校正过程，该初步校正过程能够为后续盾构机施工提供初步参数优化。根据一种优选实施方式，所述第一数据处理模块1在盾构机进行掘进前确定隧道区段长度与彼此均不相同的至少三个连续隧道区段。所述第一数据处理模块1基于至少三个连续隧道区段表面之间的空间相关函数指示所述BIM三维信息化模拟模型的初步校正过程。该初步校正过程能够为后续盾构机施工提供初步参数优化。

所述第一数据处理模块1在盾构机进行掘进前基于导入的BIM三维信息化模拟模型确定隧道区段长度与彼此均不相同的且彼此连续的第一隧道区段、第二隧道区段、第三隧道区段以及与第一隧道区段相对应的盾构机的预测工况参数组合。所述第一数据处理模块1在以所述预测工况参数组合指示所述盾构机完成第一隧道区段的过程中获取地层变化信息和轴线偏差趋势。所述第一数据处理模块1根据所述地层变化信息和轴线偏差趋势生成各个场景集下的对应的至少一个待优化工况参数组合。所述第一数据处理模块1基于遗传算法分别对至少一个待优化工况参数组合进行计算并在满足其规定的收敛依据时生成工况参数最优解组合。

实施例2

如图3所示，一种基于空间时间参数的隧道施工风险管控方法，至少包括以下步骤：

S1：在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型，并基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段，将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段，在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。

根据一种优选实施方式，步骤S1至少包括以下步骤：在盾构机进行掘进前确定隧道区段长度与彼此均不相同的至少三个连续隧道区段，并基于至少三个连续隧道区段表面之间的空间相关函数指示所述BIM三维信息化模拟模型的初步校正过程，该初步校正过程能够为后续盾构机施工提供初步参数优化。

进一步优选地，步骤S1还包括以下步骤：在盾构机进行掘进前基于导入的BIM三维信息化模拟模型确定隧道区段长度与彼此均不相同的且彼此连续的第一隧道区段、第二隧道区段、第三隧道区段以及与第一隧道区段相对应的盾构机的预测工况参数组合。在以所述预测工况参数组合指示所述盾构机完成第一隧道区段的过程中获取地层变化信息和轴线偏差趋势，并根据所述地层变化信息和轴线偏差趋势生成各个场景集下的对应的至少一个待优化工况参数组合。基于遗传算法分别对至少一个待优化工况参数组合进行计算并在满足其规定的收敛依据时生成工况参数最优解组合。

S2：对由多个地面三维激光扫描装置获取到的每一个隧道区段表面的多个三维点云数据及其在空间坐标系下对应的三维坐标进行数据处理，以确定所述三维坐标中的连续隧道区段表面之间的空间相关函数，基于所述空间相关函数指示导入的BIM三维信息化模拟模型进行校正，以获得动态更新的该待建隧道的BIM三维信息化测量模型。

S3：对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于所述时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警。

优选地，步骤S3至少包括以下步骤：从所述空间相关函数中提取与各个隧道区段表面相关的特征集合以及其特征集合的时间变化曲线，并通过对在预定周期内所提取到的特征集合进行数据处理，以生成关于所提取到的特征集合的时间变化曲线的变化趋势，并基于预设变化阈值对各个隧道区段表面的变形情况进行分析。

进一步优选地，步骤S3还包括以下步骤：计算该待建隧道的中心轴线移位变形以此量化待建隧道的整体位移监测情况，根据在所述第三数据处理模块3处理中计算得到第i节隧道区段的中心坐标和方向向量，并用第i节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+1节隧道区段的中心坐标，然后用第i+1节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+2节隧道区段的中心坐标，依次计算得到了该待建隧道的中轴线的各坐标值(x′,y′,z′)，将第i节隧道区段的中心坐标的基准值(x，y，z)中的x与每次测量获得的第i节隧道区段的中心坐标(x′,y′,z′)中的x′比较，得到Δ＝x′—x，Δ就是第i节隧道区段的位移偏移量。

进一步优选地，所述空间相关函数的特征集合至少包括所述隧道区段表面所对应的三维坐标的测点距离特征和测点位置特征、所述盾构机的推力特征以及盾构机的姿态特征以及转弯半径特征中的一个或几个，所述时变空间相关函数的参数集合至少包括所述测点距离参数的测点幅度、彼此连续的至少两个隧道区段表面的测点幅度之比、背景噪声的标准偏差中的一个或几个，其中，所述空间相关函数用于指示所述隧道区段表面在同一时刻下不同测点的空间位置，所述时变空间相关函数用于指示所述隧道区段表面上同一测点在不同时刻下的空间位置变化。

S4：所述第一数据处理模块1还用于与所述第二数据处理模块2进行信息交互，所述第一数据处理模块1基于由所述第二数据处理模块2生成的所述变化趋势与所述分段条件相结合并重新对该待建隧道进行穿越风险源分段，并基于重新分段后获得的隧道区段指示隧道环境监测点的布置位置以及隧道环境监测点的监测频率。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以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 (9)

1.一种隧道施工辅助监测系统，其特征是，所述系统至少包括多个地面三维激光扫描装置和多个数据处理模块，其中，

第二数据处理模块(2)被配置为：对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于所述时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警，

其中，空间相关函数被定义为在一维空间下，空间相关函数δ(h)为三维点云数据Z(i)在一维空间坐标的x轴方向上的空间相关函数，其中，

所述空间相关函数用于指示所述隧道区段表面在同一时刻下不同测点的空间位置，并且时变空间相关函数能够基于所述空间相关函数δ(h)的建立，对相应的隧道区段表面进行拟合。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述系统还包括第三数据处理模块(3)，第三数据处理模块(3)被配置为在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型，并基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段，将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段，在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，第一数据处理模块(1)还用于与所述第二数据处理模块(2)进行信息交互，所述第一数据处理模块(1)基于由所述第二数据处理模块(2)生成的所述变化趋势与所述分段条件相结合并重新对该待建隧道进行穿越风险源分段，并基于重新分段后获得的隧道区段指示隧道环境监测点的布置位置以及隧道环境监测点的监测频率。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述分段条件可以包括盾构机机身所受的压力变化阈值、盾构机当前掘进的隧道区段的地质变化阈值、当前穿越隧道区段所处的地区等级变化阈值、待建隧道相对表面地层的隧道埋深阈值、当前穿越隧道区段所处的穿越河流阈值、当前隧道区段下盾构机的位移偏移阈值中的一个或多个。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述第二数据处理模块(2)还用于计算该待建隧道的中心轴线移位变形，所述第二数据处理模块(2)根据在所述第三数据处理模块(3)处理中计算得到第i节隧道区段的中心坐标和方向向量，并用第i节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+1节隧道区段的中心坐标，然后用第i+1节隧道区段的中心坐标和法向量估算第i+2节隧道区段的中心坐标，依次计算得到了该待建隧道的中轴线的各坐标值(x′,y′,z′)，将第i节隧道区段的中心坐标的基准值(x,y,z)中的x与每次测量获得的第i节隧道区段的中心坐标(x′,y′,z′)中的x′比较，得到Δ＝x′-x，Δ就是第i节隧道区段的位移偏移量。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述第一数据处理模块(1)在盾构机进行掘进前确定隧道区段长度与彼此均不相同的至少三个连续隧道区段，并基于至少三个连续隧道区段表面之间的空间相关函数指示所述BIM三维信息化模拟模型的初步校正过程，该初步校正过程能够为后续盾构机施工提供初步参数优化。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述第二数据处理模块(2)用于从所述空间相关函数中提取与各个隧道区段表面相关的特征集合以及其特征集合的时间变化曲线，并通过对在预定周期内所提取到的特征集合进行数据处理，以生成关于所提取到的特征集合的时间变化曲线的变化趋势，并基于预设变化阈值对各个隧道区段表面的变形情况进行分析。

8.一种隧道施工辅助监测方法，其特征是，至少包括以下步骤：

对空间相关函数内的不同隧道区段表面的检测值进行分析并确定每一个隧道区段表面的时变空间相关函数，基于所述时变空间相关函数指示每一个隧道区段表面随时间的变化趋势，并对计算得到的表面变化值与预设变化阈值之间进行判断，对超出该预设变化阈值的隧道区段进行自动预警，

其中，空间相关函数被定义为在一维空间下，空间相关函数δ(h)为三维点云数据Z(i)在一维空间坐标的x轴方向上的空间相关函数，其中，

所述空间相关函数用于指示所述隧道区段表面在同一时刻下不同测点的空间位置，并且时变空间相关函数能够基于所述空间相关函数δ(h)的建立，对相应的隧道区段表面进行拟合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述方法还包括以下步骤：在盾构机进行掘进前导入待建隧道的BIM三维信息化模拟模型，并基于分段条件对该BIM三维信息化模拟模型进行穿越风险源分段，将该待建隧道沿其长度方向分为多个隧道区段，在盾构机掘进过程中指示至少一个地面三维激光扫描装置扫描每一个正在施工的隧道区段表面。

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