CN114183146B - 一种超欠挖分析控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超欠挖分析控制方法及系统，属于隧道工程超欠挖技术领域，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，包括：S1、在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；S2、分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；S3、分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；相比于现有技术中基于总的超欠挖值依据经验来调整，本发明对每一个爆破孔洞进行了针对性分析，能够精确对各爆破孔洞爆破参数的调整进行指导，既节约了时间也能更加有的放矢，大大提高了经济效益。

Description

一种超欠挖分析控制方法及系统

技术领域

本发明属于隧道工程超欠挖技术领域，更具体地，涉及一种超欠挖分析控制方法及系统。

背景技术

在隧道工程中，由于地质构造复杂，褶曲局部发育，岩层界限及产状局部地段存在变化，尤其是在板岩层状地质中使用钻爆法施工工艺造成的超欠挖现象不容忽视。在钻爆法施工过程中其围岩稳定性控制较为困难，拱顶由于受爆破振动影响容易发生离层、断裂和弯折现象，严重时容易产生塌方等重大危险事故。并且板岩结构面结合程度对洞室成形有着明显影响，结合程度较差，拱顶和边墙处岩体破坏范围越大，更易形成超挖。过度的超挖会增加整段工序的出渣量，增加在初期支护过程中的混凝土用量，在增加建设成本的同时使整体的施工进度滞后，影响整个工程的经济效益。同时超挖也会带来围岩的不稳定，易造成应力集中，产生安全隐患，故研究一种超欠挖分析控制方法存在重要意义。

现有的超欠挖分析控制方法通常使用全站仪对爆破后的掌子面进行测量，在围岩拱顶及其两侧布置十余个观测点来测该位置的坐标，并计算出此坐标与设计隧道面的距离，得到多个抽样数据，并以所得抽样数据在坐标系中线性表示出整个掌子面的超欠挖总量后，基于整个掌子面的超欠挖总量依据经验来对下一轮爆破作业的爆破参数进行调整，并没有对每一个爆破孔洞进行针对性分析，也没有精细化到单一爆破孔洞的调整，无法精确对各爆破孔洞爆破参数的调整进行指导；另外，该方法的抽样难度高、抽样数据量小，测得的超欠挖量精度也受到抽样数量的限制，无法得到精确的超欠挖计算结果，也无法精确的指导爆破参数的调整。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超欠挖分析控制方法及系统，用以解决现有技术无法精确对各爆破孔洞爆破参数的调整进行指导的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种超欠挖分析控制方法，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，包括以下步骤：

S1、在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；

S2、分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；

S3、分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；

其中，每个掌子面周边孔均包括与其相邻的两个周边孔，记为第一相邻周边孔和第二相邻周边孔；掌子面周边孔与其第一相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点A，掌子面周边孔与其第二相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点B；

记隧道中心线与掌子面的交点为点O，上述掌子面周边孔影响范围为角∠AOB所对应的掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的轮廓弧所组成的区域；

上述超欠挖平均值为掌子面的总超欠挖量与掌子面周边孔的数量之比。

进一步优选地，步骤S2包括：

S21、以点O为坐标原点，在掌子面方向建立极坐标系；

S22、对每个掌子面周边孔，分别以其对应的相邻中心点A和相邻中心点B的角度坐标作为积分的上下限，对其影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量。

进一步优选地，上述爆破参数包括掌子面周边孔的深度、孔径、以及钻孔角度和装药量。

进一步优选地，通过对整个掌子面区域范围内的超欠挖值进行积分，得到掌子面的总超欠挖量。

进一步优选地，上述超欠挖值的获取方法，包括：

基于隧道掌子面的点云数据，构建掌子面实景模型，并对掌子面实景模型进行网格化，得到掌子面实景网格模型；

将掌子面实景网格模型与隧道的BIM模型进行比对，计算BIM模型中的各抽样点到掌子面实景网格模型中最近的网格面之间的距离，并根据网格的法线方向确定所得距离的符号，得到BIM模型中各抽样点处的超欠挖值，进而得到掌子面上的超欠挖值分布。

进一步优选地，获取掌子面实景网格模型的方法包括：

对隧道掌子面的点云数据进行预处理；其中，预处理方法包括去噪和轻量化处理；

对预处理后的点云数据依次进行均匀取样、去除噪点和去除孤点后，对点云数据进行网格化，得到掌子面点云网格；

根据掌子面点云网格空洞处的周边点云数据，对掌子面点云网格空洞进行曲率补点，以对掌子面点云网格进行修复；

对修复后的掌子面点云网格依次进行去钉、网格松弛和顺滑处理，得到掌子面实景网格模型。

进一步优选地，通过对隧道内部掌子面进行三维点云扫描，得到隧道掌子面的点云数据。

进一步优选地，采用颜色梯度图来表示掌子面上的超欠挖值分布，以实现量化可视化。

第二方面，本发明提供了一种超欠挖分析控制系统，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，包括：

影响范围确定模块，用于在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；

超欠挖总量获取模块，用于分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；

爆破参数调整模块，用于分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；

其中，每个掌子面周边孔均包括与其相邻的两个周边孔，记为第一相邻周边孔和第二相邻周边孔；掌子面周边孔与其第一相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点A，掌子面周边孔与其第二相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点B；

记隧道中心线与掌子面的交点为点O，上述掌子面周边孔影响范围为角∠AOB所对应的掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的轮廓弧所组成的区域；

上述超欠挖平均值为掌子面的总超欠挖量与掌子面周边孔的数量之比。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、在发明所提供的超欠挖分析控制方法中，为了寻找偏差比较大的超欠挖值所对应的周边孔洞，将隧道掌子面的超欠挖总量根据钻爆周边孔进行分区，并别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量，通过将掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量与掌子面的超欠挖平均值进行比较，来判断该周边孔爆破参数是否需要进行针对性调整；本发明通过将单一周边孔影响范围内的超欠挖总量与掌子面的超欠挖平均值进行比较，能更便捷快速的找到偏差较大的孔洞一次来进行针对性调整或重点调整，相比于现有技术中基于总的超欠挖值依据经验来调整(现有技术中整体的超欠挖值是多个周边孔洞爆破共同作用的结果)，本发明对每一个爆破孔洞进行了针对性分析，能够精确对各爆破孔洞爆破参数的调整进行指导。

2、本发明所提供的超欠挖分析控制方法，通过对超欠挖量进行爆破参数的针对性分析，对每一个爆破孔洞的爆破参数的调整进行了精确指导，能够实现更加针对性的调整，既节约了时间也能更加有的放矢，大大增强了进度控制和经济控制，从而得到最大化的经济效益。

3、本发明所提供的超欠挖分析控制方法，通过对整个掌子面区域范围内的超欠挖值进行积分得到掌子面的总超欠挖量，并通过对掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量，可在数据量庞大，精度极高的激光点云模型的基础上完成对整体超欠挖总量根据爆破周边孔分布的分区块计算，在整体的超欠挖总量上为单一孔洞或多个孔洞的爆破参数调整提供了支撑和依据，从数学的角度解决了在超欠挖问题上对爆破孔洞的追根溯源和定向调整。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的超欠挖分析控制方法流程图；

图2为本发明实施例1所提供的任意掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1、

一种超欠挖分析控制方法，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，如图1所示，包括以下步骤：

S1、在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；

具体地，如图2所示，每个掌子面周边孔均包括与其相邻的两个周边孔，记为第一相邻周边孔和第二相邻周边孔；掌子面周边孔与其第一相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点A，掌子面周边孔与其第二相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点B；

记隧道中心线与掌子面的交点为点O，上述掌子面周边孔影响范围为角∠AOB所对应的掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的轮廓弧所组成的区域；具体如图1中的阴影部分所示，从图中可以看出，记OA、OB的延长线与掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的交点分别为点C、点D、点E和点F，

CE、DF所围成的区域即为掌子面周边孔影响范围。

S2、分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；

具体地，可以对掌子面建立坐标系进行积分，本实施例中通过建立极坐标系来求解掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；具体地，步骤S2包括：

S21、以点O为坐标原点，在掌子面方向建立极坐标系；

S22、对每个掌子面周边孔，分别以其对应的相邻中心点A和相邻中心点B的角度坐标作为积分的上下限，对其影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量。

S3、分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；其中，爆破参数包括掌子面周边孔的深度、孔径、以及钻孔角度和装药量。超欠挖平均值为掌子面的总超欠挖量与掌子面周边孔的数量之比；掌子面的总超欠挖量通过对整个掌子面区域范围内的超欠挖值进行积分计算得到，具体地，对隧道的BIM模型的隧道宽度方向数值取微分，将超欠挖值进行积分计算，从而得到该单一隧道掌子面的总超欠挖量。

进一地，在一种可选实施方式下，上述超欠挖值的获取方法，包括以下步骤：

1)基于隧道掌子面的点云数据，构建掌子面实景模型，并对掌子面实景模型进行网格化，得到掌子面实景网格模型；

在一种可选实施方式中，获取掌子面实景网格模型的方法包括：

a、对隧道掌子面的点云数据进行预处理；其中，预处理方法包括去噪和轻量化处理(如点云抽稀)；

具体地，可以通过对隧道内部掌子面进行三维点云扫描，得到隧道掌子面的点云数据；本实施例中，在隧道钻爆掘进过程中，爆破形成掌子面且人工排险后，初支湿喷混凝土之前，在掌子面中央2m位置处，架设激光扫描仪进行仰角90度俯角65度的激光扫描得到该具体断面的点云数据，同时记录该掌子面在隧道整体中的绝对位置坐标，方便之后的模型对齐。本实施例中对得到的掌子面点云数据进行初处理，对隧道掌子面的点云数据进行去噪，将掌子面以外的数据去除掉后，进行点云抽稀操作，形成初步处理的xyz文件，为之后的网格化提供数据基础。

b、对预处理后的点云数据依次进行均匀取样、去除噪点和去除孤点后，对点云数据进行网格化，得到掌子面点云网格；

具体地，对之前预处理后的点云数据进行进一步处理，对预处理后的点云数据依次进行均匀取样、去除掌子面点云数据中的噪点及孤点后，对点云数据进行网格化，得到掌子面点云网格；优选地，掌子面点云网格为三角形网格。

c、根据掌子面点云网格空洞处的周边点云数据，对掌子面点云网格空洞进行曲率补点，以对掌子面点云网格进行修复；

d、对修复后的掌子面点云网格依次进行去钉、网格松弛和顺滑处理，得到掌子面实景网格模型。

通过上述过程最终形成完整且顺滑的毫米级掌子面实景网格模型，可以最大限度的贴近实际开挖掌子面，极大的减少因模型误差而导致的超欠挖量不准确的问题。本发明所构建的掌子面实景网格模型包含了更加丰富的隧道掌子面断面信息，不仅包含了传统点云模型所具有的每个点的毫米级位置信息和其属性，同时还包含了传统点云模型不包括的模型三角面属性，同时在实用性上，掌子面实景网格模型包含的信息更多但是所占用的空间更少，处理效率更高。

2)将掌子面实景网格模型与隧道的BIM模型在同一坐标系下进行比对，计算BIM模型中的各抽样点到掌子面实景网格模型中最近的网格面之间的距离，并根据网格的法线方向确定所得距离的符号，得到BIM模型中各抽样点处的超欠挖值，进而得到掌子面上的超欠挖值分布。进一步地，可以采用颜色梯度图来表示掌子面上的超欠挖值分布，以实现量化可视化。具体过程如下：

预先对设计阶段的隧道图纸进行深度为LOD400BIM的建模，建模内容包括但不限于全场隧道的主线隧道整体、局部、走向、长度等，以及主线隧道衬砌、洞口处钢拱架、锚杆、钢筋等数量、尺寸、外观、位置等参数，使用Dynamo程序建立隧道BIM参数化模型，生成局部平面图和局部三维图，最后形成隧道的BIM模型，包括初支和二衬面等；LOD400的BIM模型的建立是对设计阶段隧道的三维再现，对指导施工阶段的隧道建设具有指导性意义。

将两个带有同一绝对坐标的BIM模型和掌子面实景网格模型采取中线拟合或定点定位法进行重合，使其形成数字孪生模型，形成初步的超欠挖量的可视化效果，同时为之后的超欠挖量化提供计算模型基础；

将隧道的BIM模型和掌子面实景网格模型在同一绝对坐标下进行量化的比较分析，在绝对坐标下的统一位置信息的BIM模型与掌子面实景网格模型重合后，比较BIM模型的定点到掌子面实景网格模型的距离来实现超欠挖量的显示和计算。具体地，选定BIM模型的抽样点，并在掌子面实景网格模型中搜索离该抽样点最近的网格，通过抽样点到最近网格平面的距离来获取数值，且根据网格的法线方向来确定掌子面实景网格模型的内部外部，以此来判断计算的数据是正值还是负值，从而表示超挖或欠挖(正值表示超挖，负值表示欠挖)，进而得到BIM模型中各抽样点处的超欠挖值。进一步地，可以对所得的超欠挖值进行梯度分段，通过颜色梯度转换形成单一隧道掌子面的超欠挖值的表示图。本发明在超欠挖量化和可视化方面，不仅运用了颜色梯度来直观表示超欠挖量的大小，同时所运用的计算方法比传统的测量计算方式更加精准，方便之后的数据统计和爆破参数调整。

进一步地，可以以计算出来的超欠挖值以及得到的颜色梯度图为基础，将工人的钻爆工作面分区块，并将每个爆破钻孔进行编号且负责到人，钻爆工人也同时进行编号负责到管理人员，通过超欠挖量来逆向调整爆破钻孔的用药量，同时也调整人员管理依次进行奖惩措施来保证下一次的爆破来减少超欠挖量。需要说明的是，在掌子面钻爆过程中，对周边围岩超欠挖影响较大的是其掌子面周边孔的孔深、孔距、装药量等爆破参数。本实施例以隧道中心为坐标原点，在掌子面方向建立极坐标，则每个周边孔都有其对应的极坐标值，确定周边孔孔距中心区域作为每个周边孔爆破过程中影响的范围，以相邻的周边孔孔距中心点角度坐标作为积分的上下限对颜色梯度图中的超欠挖值进行积分，得到每个周边孔所影响的超欠挖总量，若该周边孔超欠挖量大于其平均值便针对该周边孔进行爆破参数的调整，调整内容包括但不限于周边孔深度、孔径、钻孔角度和装药量。具体地，本实施例在整体的掏槽方式、单位岩体炸药消耗量计算、每循环炸药消耗量、炮眼数目、炮眼布置、各炮眼转药量的分配等大的爆破参数基础上，针对超欠挖量大的周边孔进行单一的孔洞调整，检查其孔洞的钻孔精度、转孔深度和角度是否存在人工偏差，并对炮孔的装药量根据超欠挖值进行微调，若超挖严重则略微减小其装药量。

本发明通过分析超欠挖量以及断面爆破参数，结合围岩性质对爆破参数、施工工艺进行调整和优化，从技术层面对超欠挖问题进行了优化。另外，结合BIM可视化信息平台，可以对掌子面上的施工区域进行划分，责任到人并在平台上进行记录，从而建立追溯机制、奖惩机制，从管理层面对超欠挖问题进行优化，建立了一个从超欠挖量落实到管理的一个通道，是一个通过超欠挖量逆向调整管理再管控来减小超欠挖量的一次尝试。

实施例2、

一种超欠挖分析控制系统，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，包括：

影响范围确定模块，用于在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；

超欠挖总量获取模块，用于分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；

爆破参数调整模块，用于分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；

其中，每个掌子面周边孔均包括与其相邻的两个周边孔，记为第一相邻周边孔和第二相邻周边孔；掌子面周边孔与其第一相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点A，掌子面周边孔与其第二相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点B；

记隧道中心线与掌子面的交点为点O，上述掌子面周边孔影响范围为角∠AOB所对应的掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的轮廓弧所组成的区域；

上述超欠挖平均值为掌子面的总超欠挖量与掌子面周边孔的数量之比。

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超欠挖分析控制方法，其特征在于，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，包括以下步骤：

S1、在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；

S2、分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；

S3、分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；

其中，每个掌子面周边孔均包括与其相邻的两个周边孔，记为第一相邻周边孔和第二相邻周边孔；掌子面周边孔与其第一相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点A，掌子面周边孔与其第二相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点B；

记隧道中心线与掌子面的交点为点O，所述掌子面周边孔影响范围为角∠AOB所对应的掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的轮廓弧所组成的区域；

所述超欠挖平均值为掌子面的总超欠挖量与掌子面周边孔的数量之比。

2.根据权利要求1所述的超欠挖分析控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、以点O为坐标原点，在掌子面方向建立极坐标系；

S22、对每个掌子面周边孔，分别以其对应的相邻中心点A和相邻中心点B的角度坐标作为积分的上下限，对其影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量。

3.根据权利要求1所述的超欠挖分析控制方法，其特征在于，所述爆破参数包括掌子面周边孔的深度、孔径、以及钻孔角度和装药量。

4.根据权利要求1所述的超欠挖分析控制方法，其特征在于，通过对整个掌子面区域范围内的超欠挖值进行积分，得到掌子面的总超欠挖量。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的超欠挖分析控制方法，其特征在于，所述超欠挖值的获取方法，包括：

基于隧道掌子面的点云数据，构建掌子面实景模型，并对所述掌子面实景模型进行网格化，得到掌子面实景网格模型；

将所述掌子面实景网格模型与隧道的BIM模型进行比对，计算所述BIM模型中的各抽样点到所述掌子面实景网格模型中最近的网格面之间的距离，并根据网格的法线方向确定所得距离的符号，得到所述BIM模型中各抽样点处的超欠挖值，进而得到掌子面上的超欠挖值分布。

6.根据权利要求5所述的超欠挖分析控制方法，其特征在于，获取所述掌子面实景网格模型的方法包括：

对隧道掌子面的点云数据进行预处理；其中，所述预处理包括去噪和轻量化处理；

对预处理后的点云数据依次进行均匀取样、去除噪点和去除孤点后，对点云数据进行网格化，得到掌子面点云网格；

根据所述掌子面点云网格空洞处的周边点云数据，对所述掌子面点云网格空洞进行曲率补点，以对所述掌子面点云网格进行修复；

对修复后的掌子面点云网格依次进行去钉、网格松弛和顺滑处理，得到所述掌子面实景网格模型。

7.根据权利要求6所述的超欠挖分析控制方法，其特征在于，采用颜色梯度图来表示掌子面上的超欠挖值分布，以实现量化可视化。

8.一种超欠挖分析控制系统，其特征在于，用于对隧道进行爆破掘进循环作业中，包括：

影响范围确定模块，用于在上一轮次爆破作业完成后，分别确定各掌子面周边孔在爆破过程中的影响范围；

超欠挖总量获取模块，用于分别对各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖值进行积分，得到各掌子面周边孔影响范围内的超欠挖总量；

爆破参数调整模块，用于分别对各掌子面周边孔，判断其影响范围内的超欠挖总量是否大于掌子面的超欠挖平均值，若是，则对其下一轮次爆破作业中的爆破参数进行调整；

其中，每个掌子面周边孔均包括与其相邻的两个周边孔，记为第一相邻周边孔和第二相邻周边孔；掌子面周边孔与其第一相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点A，掌子面周边孔与其第二相邻周边孔的孔距中心点记为相邻中心点B；

记隧道中心线与掌子面的交点为点O，所述掌子面周边孔影响范围为角∠AOB所对应的掌子面的预期开挖轮廓与实际开挖轮廓的轮廓弧所组成的区域；

所述超欠挖平均值为掌子面的总超欠挖量与掌子面周边孔的数量之比。

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