CN117146774B - 一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道工程技术领域，具体公开了一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，根据变截面隧道锚开挖后洞壁围岩图像得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型；确定并获取变截面隧道锚的起始断面、至少一个过渡断面和终点断面的轮廓及相邻间距，并建立变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型统一至施工坐标系，得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；在施工坐标系下，将变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型与设计开挖轮廓三维曲面模型进行比较，计算变截面隧道锚洞壁围岩超欠挖值；实现了对变截面型式的隧道锚超欠挖的高效、精准的检测和分析。

Description

一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法。

背景技术

在隧道开挖施工过程中，以设计开挖轮廓线为基准，实际开挖的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分称为欠挖。在实际作业中超欠挖现象难以避免，超欠挖不仅影响隧道施工的安全性和高效性，也关乎施工质量和成本。隧道欠挖在实际施工中是不被允许的，而超挖一方面会增加出渣时间和额外的初支混凝土用量，致使成本提高，另一方面，过度的超挖会造成隧道周边岩体力学性质劣化，致使围岩的承载能力和稳定性下降。因此，对隧道超欠挖的准确检测尤为重要。

在传统技术中，隧道工程领域超欠挖检测方法主要包括全站仪测量法和三维激光扫描仪法等。其中，全站仪测量法操作简单，虽然可以满足隧道超欠挖检测的准确性，但其测点数目较少，检测效率低，无法满足隧道全断面超欠挖检测的要求。三维激光扫描仪方法具有检测效率高，准确性高等优点，但受设备限制，仍存在成本高、操作繁琐等缺陷。

目前，随着计算机技术的发展，有学者提出了基于图像拼接和三维重建技术的超欠挖检测方法，如CN109598714专利公开了一种基于图像三维重建及网格曲面的隧道超欠挖检测方法，提出通过照片三维重建得到隧道真实开挖轮廓曲面，并通过与网格化的隧道设计开挖轮廓曲面进行对比，得到隧道超欠挖检测情况，可对隧道超欠挖量、超欠挖面积以及体积进行检测，为超欠挖的评价提供了依据；但该方法建立得到的隧道设计开挖轮廓三维曲面模型为等截面，而隧道锚为变截面形式，即该方法无法适用于检测变截面隧道锚的超欠挖值。

因此，现需提供一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，以对变截面型式的隧道锚超欠挖进行高效、精准的检测和分析。

发明内容

为了解决现有技术中变截面型式的隧道锚超欠挖问题，本发明提供一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，以进行高效、精准的检测和分析。

本发明申请保护一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，步骤为：

步骤1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置多个控制点，获取各个控制点在施工坐标系下的坐标；根据变截面隧道锚开挖后洞壁围岩图像建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；并根据控制点在施工坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至施工坐标系下，得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型；

步骤2：根据设计资料，确定并获取变截面隧道锚的起始断面、至少一个过渡断面和终点断面的轮廓及相邻间距，并建立变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

步骤3：通过平移、旋转或其他方式将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型统一至施工坐标系，得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

步骤4：在施工坐标系下，将变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型与设计开挖轮廓三维曲面模型进行比较，计算变截面隧道锚洞壁围岩超欠挖值。

在步骤1中，具体步骤为：

1.1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置多个控制点，并使用全站仪测出各个控制点在施工坐标系下的坐标；

1.2：使用数码相机对变截面隧道锚开挖后的洞壁进行环向拍摄，获得变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩图像；

1.3：变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩图像进行拼接，建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；

1.4：根据各个控制点在施工坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至施工坐标系下，得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型。

进一步地，当过渡断面为一个时，在步骤2中，具体步骤为：

2.1：根据设计资料，确定起始断面、过渡断面和终点断面各自的左拱脚点、左拱肩点、右拱肩点、右拱脚点以及断面中心点的位置，并确定起始断面、过渡断面和终点断面的相邻间距；

2.2：根据2.1在三维软件中分别绘制变截面隧道锚起始断面、过渡断面和终点断面的设计断面线；

2.3：将变截面隧道锚起始断面、过渡断面和终点断面的设计断面线导入三维建模软件中的YOZ平面内，以X轴作为模型的中轴线，并将变截面隧道锚起始断面的断面中心点移动至坐标原点（0,0,0）处，再根据确定的相邻间距将过渡断面和终点断面的断面中心点分别平移至X轴相应的位置；

2.4：对应连接起始断面左拱脚点和过渡断面左拱脚点、起始断面左拱肩点和过渡断面左拱肩点、起始断面右拱肩点和过渡断面右拱肩点、起始断面右拱脚点和过渡断面右拱脚点，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚起始断面和过渡断面之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面；

2.5：对应连接过渡断面左拱脚点和终点断面左拱脚点、过渡断面左拱肩点和终点断面左拱肩点、过渡断面右拱肩点和终点断面右拱肩点、过渡断面右拱脚点和终点断面右拱脚点，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚过渡断面和终点断面之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面，进而得到整个变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

进一步地，当过渡断面为N（N≥2）个时，在步骤2中，具体步骤为：

2.1：根据设计资料，确定起始断面、各个过渡断面和终点断面各自的左拱脚点、左拱肩点、右拱肩点、右拱脚点以及断面中心点的位置，并确定起始断面、各个过渡断面和终点断面的相邻间距；

2.2：根据2.1在三维软件中分别绘制变截面隧道锚起始断面、各个过渡断面和终点断面的设计断面线；

2.3：将变截面隧道锚起始断面、各个过渡断面和终点断面的设计断面线导入三维建模软件中的YOZ平面内，以X轴作为模型的中轴线，并将变截面隧道锚起始断面的断面中心点移动至坐标原点（0,0,0）处，再根据确定的相邻间距将过渡断面和终点断面的断面中心点分别平移至X轴相应的位置；

2.4：对应连接起始断面左拱脚点和第一个过渡断面左拱脚点、起始断面左拱肩点和过渡断面左拱肩点、起始断面右拱肩点和过渡断面右拱肩点、起始断面右拱脚点和过渡断面右拱脚点，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚起始断面和过渡断面之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面；并采用相同方法建立各个断面之间的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

2.5：对应连接第N个过渡断面左拱脚点和终点断面左拱脚点、过渡断面左拱肩点和终点断面左拱肩点、过渡断面右拱肩点和终点断面右拱肩点、过渡断面右拱脚点和终点断面右拱脚点，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚过渡断面和终点断面之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面，进而得到整个变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

在步骤3中，具体步骤为：

3.1：将变截面隧道锚起始断面中心点和终点断面中心点在施工坐标系下的坐标分别记为（）、（/>）；

3.2：计算施工坐标系下变截面隧道锚轴线相对X轴的方位角，

；

进一步确定施工坐标系下隧道锚轴线与Z轴的夹角；

3.3：步骤S2中得到的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型在XOZ平面内绕Y轴旋转至与Z轴夹角为；

再将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型绕Z轴逆时针旋转至与X轴夹角为；

最后将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型起始断面中心点平移至施工坐标系下的坐标点（）处，从而得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

在步骤4中，具体步骤为：

4.1：将施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型沿着轴线方向等间距分割，得到若干变截面隧道锚超欠挖计算断面；

4.2：将各个变截面隧道锚超欠挖计算断面按定距等分或者定数等分的方式离散化，得到若干节点；

4.3：过变截面隧道锚超欠挖计算断面上的各个节点（/>）作法线，将法线与变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型的交点/>（/>）作为超欠挖计算点，计算变截面隧道锚超欠挖计算断面上的各个节点/>（/>）与对应超欠挖计算点/>（/>）之间的距离即可得到超欠挖值/>；

；

当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面外时，该点为超挖点，计算得到超挖值；当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面内时，该点为欠挖点，计算得到欠挖值。

本发明技术方案，具有如下优点：

在本发明中，通过起始断面、终点断面和过渡断面的结合，可以在任意位置处将设计轮廓和变截面隧道锚实际开挖轮廓进行对比，得到变截面隧道锚实际开挖轮廓超欠挖检测情况，为变截面型式的隧道锚超欠挖的评价提供了依据，实现了对变截面型式的隧道锚超欠挖的高效、精准的检测；同时，本发明提出的技术主要基于数字图像技术，与传统的使用全站仪、三维激光扫描仪等仪器现场检测超欠挖值相比，具有检测成本低、检测过程简便等显著优势；此外，通过改变过渡截面的数目，能够建立各种变截面型式的隧道锚设计开挖轮廓，能够计算各类型式的隧道锚超欠挖值，具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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取其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的变截面隧道锚超欠挖检测方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型示意图；

图3为本发明实施例1提供的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型构建示意图；

图4为本发明实施例1提供的局部坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型示意图；

图5为本发明实施例1提供的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型方位角示意图；

图6为本发明实施例1提供的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型倾角示意图；

图7为本发明实施例1提供的施工坐标系下坐标统一后变截面隧道锚设计开挖和设计轮廓三维曲面模型示意图；

图8为本发明实施例1提供的变截面隧道锚超欠挖计算结果示意图；

图9为本发明实施例2提供的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型构建示意图；

图10为本发明实施例3提供的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型构建示意图；

图11为本发明实施例3提供的变截面隧道锚超欠挖计算结果示意图。

附图标记：

1-起始断面，11-起始断面中心点，12-起始断面左拱脚点，13-起始断面左拱肩点，14-起始断面右拱肩点，15-起始断面右拱脚点，2-过渡断面，21-过渡断面中心点，22-过渡断面左拱脚点，23-过渡断面左拱肩点，24-过渡断面右拱肩点，25-过渡断面右拱脚点，3-终点断面，31-终点断面中心点，32-终点断面左拱脚点，33-终点断面左拱肩点，34-终点断面右拱肩点，35-终点断面右拱脚点。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。下述实施例所用到的实验试剂和材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1：如图1-8所示，本实施例提供一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，如图1所示，具体步骤为：

步骤1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置多个控制点，获取各个控制点在施工坐标系下的坐标；根据变截面隧道锚开挖后洞壁围岩图像建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；并根据控制点在施工坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至施工坐标系下，得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型；如图2所示；

在此需要说明的是：变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型的准确度与洞壁围岩图像即洞壁围岩所拍摄照片之间的重复度相关，照片之间的重复部分越多，得到的模型精确度越高。同时，控制点坐标是为了将模型移动至施工坐标系下，因此控制点设置的越多，得到的模型坐标精度越高，越接近模型在施工坐标系下的位置，所以在实际操作过程中控制点的设置数目不得少于3个；

步骤2：根据设计资料，确定并获取变截面隧道锚的起始断面1、至少一个过渡断面2和终点断面3的轮廓及相邻间距，并建立变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；即建立局部坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；如图3和4所示；

步骤3：通过平移、旋转或其他方式将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型统一至施工坐标系，得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

步骤4：在施工坐标系下，将变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型与设计开挖轮廓三维曲面模型进行比较，计算变截面隧道锚洞壁围岩超欠挖值。如图7和8所示。

在步骤1中，具体步骤为：

1.1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置多个控制点，并使用全站仪或者经纬仪测量各个控制点在施工坐标系下的坐标；

1.2：使用数码相机或手机等可拍摄照片的设备对变截面隧道锚开挖后的洞壁进行环向拍摄，获得变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩图像；

1.3：变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩图像进行拼接，采用Agisoft Metashape软件建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；

1.4：根据各个控制点在施工坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至施工坐标系下，得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型。

在本实施例中，所述过渡断面2为一个，在步骤2中，具体步骤为：

2.1：根据设计资料，确定起始断面1、过渡断面2和终点断面3各自的左拱脚点、左拱肩点、右拱肩点、右拱脚点以及断面中心点的位置，并确定起始断面、过渡断面2和终点断面3的相邻间距；

2.2：根据2.1在三维软件中分别绘制变截面隧道锚起始断面1、过渡断面2和终点断面3的设计断面线；

2.3：将变截面隧道锚起始断面1、过渡断面2和终点断面3的设计断面线导入三维建模软件中的YOZ平面内，以X轴作为模型的中轴线，并将变截面隧道锚起始断面中心点11移动至坐标原点（0,0,0）处，再根据确定的相邻间距将过渡断面中心点21和终点断面中心点31分别平移至X轴相应的位置；

2.4：对应连接起始断面左拱脚点12和过渡断面左拱脚点22、起始断面左拱肩点13和过渡断面左拱肩点23、起始断面右拱肩点14和过渡断面右拱肩点24、起始断面右拱脚点15和过渡断面右拱脚点25，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚起始断面1和过渡断面2之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面；

2.5：对应连接过渡断面左拱脚点22和终点断面左拱脚点32、过渡断面左拱肩点23和终点断面左拱肩点33、过渡断面右拱肩点24和终点断面右拱肩点34、过渡断面右拱脚点25和终点断面右拱脚点35，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚过渡断面2和终点断面3之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面，进而得到整个变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

如图5和6所示，在步骤3中，具体步骤为：

3.1：将变截面隧道锚起始断面中心点11和终点断面中心点31在施工坐标系下的坐标分别记为（）、（/>）；

3.2：计算施工坐标系下变截面隧道锚轴线相对X轴的方位角，

；

进一步确定施工坐标系下隧道锚轴线与Z轴的夹角；

3.3：步骤S2中得到的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型在XOZ平面内绕Y轴旋转至与Z轴夹角为；

再将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型绕Z轴逆时针旋转至与X轴夹角为；

最后将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型起始断面中心点11平移至施工坐标系下的坐标点（）处，从而得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。如图7所示。

在步骤4中，具体步骤为：

4.1：将施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型沿着轴线方向等间距分割，得到若干变截面隧道锚超欠挖计算断面；

4.2：将各个变截面隧道锚超欠挖计算断面按定距等分或者定数等分的方式离散化，得到若干节点；

4.3：过变截面隧道锚超欠挖计算断面上的各个节点（/>）作法线，将法线与变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型的交点/>（/>）作为超欠挖计算点，计算变截面隧道锚超欠挖计算断面上的各个节点/>（/>）与对应超欠挖计算点/>（/>）之间的距离即可得到超欠挖值/>；

；

当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面外时，该点为超挖点，计算得到超挖值；当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面内时，该点为欠挖点，计算得到欠挖值。图8所示。综上可知，本实施例通过起始断面1、终点断面3和过渡断面2的结合，可以在任意位置处将设计轮廓和变截面隧道锚实际开挖轮廓进行对比，得到变截面隧道锚实际开挖轮廓超欠挖检测情况，为超欠挖的评价提供了依据，实现了对变截面型式的隧道锚超欠挖的高效、精准的检测和分析。

实施例2：本实施例与实施例1的不同之处在于：

所述过渡断面2为N（N≥2）个，则在步骤2中，具体步骤为：

2.1：根据设计资料，确定起始断面1、各个过渡断面2和终点断面3各自的左拱脚点、左拱肩点、右拱肩点、右拱脚点以及断面中心点的位置，并确定起始断面1、各个过渡断面2和终点断面3的相邻间距；

2.2：根据2.1在三维软件中分别绘制变截面隧道锚起始断面1、各个过渡断面2和终点断面3的设计断面线；

2.3：将变截面隧道锚起始断面1、各个过渡断面2和终点断面3的设计断面线导入三维建模软件中的YOZ平面内，以X轴作为模型的中轴线，并将变截面隧道锚起始断面1的断面中心点移动至坐标原点（0,0,0）处，再根据确定的相邻间距将过渡断面2和终点断面3的断面中心点分别平移至X轴相应的位置；

2.4：对应连接起始断面左拱脚点12和第一个过渡断面左拱脚点22、起始断面左拱肩点13和过渡断面左拱肩点23、起始断面右拱肩点14和过渡断面右拱肩点24、起始断面右拱脚点15和过渡断面右拱脚点25，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚起始断面1和过渡断面2之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面；并采用相同方法建立各个断面之间的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型，如图9所示；

2.5：对应连接第N个过渡断面左拱脚点22和终点断面左拱脚点32、过渡断面左拱肩点23和终点断面左拱肩点33、过渡断面右拱肩点24和终点断面右拱肩点34、过渡断面右拱脚点25和终点断面右拱脚点35，形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚过渡断面2和终点断面3之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面，进而得到整个变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

本实施例的其他步骤与实施例1一致，因此不再赘述。

实施例3：本实施例以具体工程为例，一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，具体步骤为：步骤1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置5个控制点，分别记为target1、target24、target28、target49、target88，获取各个控制点在北京1954坐标系下的坐标分别为：

target1(2845258.765,509413.285,1086.910),

target24(2845244.978,509409.233,1086.540),

target28(2845252.758,509399.918,1086.264),

target49(2845256.015,509401.535,1084.421),

target88(2845249.035,509413.439,1084.457)；根据变截面隧道锚开挖后洞壁围岩图像建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；并根据控制点在北京1954坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至北京1954坐标系下，得到北京1954坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型；如图10所示；

在本实施例中，所述过渡断面2为一个；步骤2：根据设计资料，确定并获取变截面隧道锚的起始断面1、一个过渡断面2和终点断面3的轮廓及相邻间距，并建立变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；即建立局部坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

步骤3：通过平移、旋转或其他方式将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型统一至北京1954坐标系，得到北京1954坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

在步骤3中，具体步骤为：

3.1：变截面隧道锚起始断面中心点11和终点断面中心点31在北京1954坐标系下的坐标分别记为：

（509378.076，2845218.860，1126.687）、

（509422.043，2845268.709，1060.219）；

3.2：计算北京1954坐标系下变截面隧道锚轴线相对X轴的方位角，

；

进一步确定北京1954坐标系下隧道锚轴线与Z轴的夹角=135°；

3.3：步骤S2中得到的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型在XOZ平面内绕Y轴旋转至与Z轴夹角为=135°；

再将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型绕Z轴逆时针旋转至与X轴夹角为=48.58759°；

最后将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型起始断面中心点11平移至北京1954坐标系下的坐标点（509378.076，2845218.860，1126.687）处，从而得到北京1954坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

步骤4：在北京1954坐标系下，将变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型与设计开挖轮廓三维曲面模型进行比较，计算变截面隧道锚洞壁围岩超欠挖值。如图11所示。

在步骤4中，具体步骤为：

4.1：将北京1954坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型沿着轴线方向等间距分割，得到若干变截面隧道锚超欠挖计算断面；

4.2：将各个变截面隧道锚超欠挖计算断面按定距等分或者定数等分的方式离散化，得到若干节点；

4.3：当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面外时，该点为超挖点，计算得到超挖值；当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面内时，该点为欠挖点，计算得到欠挖值，如图11所示。

综上可知，本实施例通过起始断面1、终点断面3和过渡断面2的结合，可以在任意位置处将设计轮廓和变截面隧道锚实际开挖轮廓进行对比，得到变截面隧道锚实际开挖轮廓超欠挖检测情况，为超欠挖的评价提供了依据，实现了对变截面型式的隧道锚超欠挖的高效、精准的检测和分析。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置多个控制点，获取各个控制点在施工坐标系下的坐标；根据变截面隧道锚开挖后洞壁围岩图像建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；并根据控制点在施工坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至施工坐标系下，得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型；

步骤2：根据设计资料，确定并获取变截面隧道锚的起始断面（1）、至少一个过渡断面（2）和终点断面（3）的轮廓及相邻间距，并建立变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

步骤3：通过平移、旋转或其他方式将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型统一至施工坐标系，得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

步骤4：在施工坐标系下，将变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型与设计开挖轮廓三维曲面模型进行比较，计算变截面隧道锚洞壁围岩超欠挖值；

其中，在步骤1中，具体步骤为：

1.1：在变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩上布置多个控制点，并使用全站仪测出各个控制点在施工坐标系下的坐标；

1.2：使用数码相机对变截面隧道锚开挖后的洞壁进行环向拍摄，获得变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩图像；

1.3：变截面隧道锚开挖后的洞壁围岩图像进行拼接，建立变截面隧道锚实际开挖轮廓的初步点云模型；

1.4：根据各个控制点在施工坐标系下的坐标，将初步点云模型还原至施工坐标系下，得到施工坐标系下的变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型；

其中，当过渡断面（2）为一个时，在步骤2中，具体步骤为：

2.1：根据设计资料，确定起始断面（1）、过渡断面（2）和终点断面（3）各自的左拱脚点、左拱肩点、右拱肩点、右拱脚点以及断面中心点的位置，并确定起始断面（1）、过渡断面（2）和终点断面（3）的相邻间距；

2.2：根据2.1在三维软件中分别绘制变截面隧道锚起始断面（1）、过渡断面（2）和终点断面（3）的设计断面线；

2.3：将变截面隧道锚起始断面（1）、过渡断面（2）和终点断面（3）的设计断面线导入三维建模软件中的YOZ平面内，以X轴作为模型的中轴线，并将变截面隧道锚起始断面中心点（11）移动至坐标原点（0,0,0）处，再根据确定的相邻间距将过渡断面中心点（21）和终点断面中心点（31）分别平移至X轴相应的位置；

2.4：对应连接起始断面左拱脚点（12）和过渡断面左拱脚点（22）、起始断面左拱肩点（13）和过渡断面左拱肩点（23）、起始断面右拱肩点（14）和过渡断面右拱肩点（24）、起始断面右拱脚点（15）和过渡断面右拱脚点（25），形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚起始断面（1）和过渡断面（2）之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面；

2.5：对应连接过渡断面左拱脚点（22）和终点断面左拱脚点（32）、过渡断面左拱肩点（23）和终点断面左拱肩点（33）、过渡断面右拱肩点（24）和终点断面右拱肩点（34）、过渡断面右拱脚点（25）和终点断面右拱脚点（35），形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚过渡断面（2）和终点断面（3）之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面，进而得到整个变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

其中，当过渡断面（2）为N（N≥2）个时，在步骤2中，具体步骤为：

2.1：根据设计资料，确定起始断面（1）、各个过渡断面（2）和终点断面（3）各自的左拱脚点、左拱肩点、右拱肩点、右拱脚点以及断面中心点的位置，并确定起始断面（1）、各个过渡断面（2）和终点断面（3）的相邻间距；

2.2：根据2.1在三维软件中分别绘制变截面隧道锚起始断面（1）、各个过渡断面（2）和终点断面（3）的设计断面线；

2.3：将变截面隧道锚起始断面（1）、各个过渡断面（2）和终点断面（3）的设计断面线导入三维建模软件中的YOZ平面内，以X轴作为模型的中轴线，并将变截面隧道锚起始断面中心点（11）移动至坐标原点（0,0,0）处，再根据确定的相邻间距将过渡断面中心点（21）和终点断面中心点（31）分别平移至X轴相应的位置；

2.4：对应连接起始断面左拱脚点（12）和第一个过渡断面左拱脚点（22）、起始断面左拱肩点（13）和过渡断面左拱肩点（23）、起始断面右拱肩点（14）和过渡断面右拱肩点（24）、起始断面右拱脚点（15）和过渡断面右拱脚点（25），形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚起始断面（1）和过渡断面（2）之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面；并采用相同方法建立各个断面之间的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型；

2.5：对应连接第N个过渡断面左拱脚点（22）和终点断面左拱脚点（32）、过渡断面左拱肩点（23）和终点断面左拱肩点（33）、过渡断面右拱肩点（24）和终点断面右拱肩点（34）、过渡断面右拱脚点（25）和终点断面右拱脚点（35），形成四条连线；并在连线形成的封闭区域生成变截面隧道锚过渡断面（2）和终点断面（3）之间变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面，进而得到整个变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

2.根据权利要求1所述的一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，其特征在于，在步骤3中，具体步骤为：

3.1：将变截面隧道锚起始断面中心点（11）和终点断面中心点（31）在施工坐标系下的坐标分别记为（）、（/>）；

3.2：计算施工坐标系下变截面隧道锚轴线相对X轴的方位角，

；

进一步确定施工坐标系下隧道锚轴线与Z轴的夹角；

3.3：步骤2中得到的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型在XOZ平面内绕Y轴旋转至与Z轴夹角为；

再将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型绕Z轴逆时针旋转至与X轴夹角为；

最后将变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型起始断面（1）中心点平移至施工坐标系下的坐标点（）处，从而得到施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型。

3.根据权利要求2所述的一种适用于变截面的隧道锚超欠挖检测方法，其特征在于，在步骤4中，具体步骤为：

4.1：将施工坐标系下的变截面隧道锚设计开挖轮廓三维曲面模型沿着轴线方向等间距分割，得到若干变截面隧道锚超欠挖计算断面；

4.2：将各个变截面隧道锚超欠挖计算断面按定距等分或者定数等分的方式离散化，得到若干节点；

4.3：过变截面隧道锚超欠挖计算断面上的各个节点（/>）作法线，将法线与变截面隧道锚实际开挖轮廓三维曲面模型的交点/>（/>）作为超欠挖计算点，计算变截面隧道锚超欠挖计算断面上的各个节点/>（/>）与对应超欠挖计算点（/>）之间的距离即可得到超欠挖值/>；

；

当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面外时，该点为超挖点，计算得到超挖值；当所述超欠挖计算点位于变截面隧道锚设计开挖轮廓面内时，该点为欠挖点，计算得到欠挖值。