一种盾构法隧道表观质量检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种盾构法隧道表观质量检测方法，包括如下步骤：(1)通过激光扫描隧道管片实体实时获取点云数据；(2)根据点云数据生成隧道实体点云模型；(3)隧道实体点云模型的隧道中心与隧道设计BIM模型中心比对得到隧道中心线偏差值；(4)根据隧道实体点云模型计算获取错台值；(5)根据隧道实体点云模型计算获取椭圆度；(6)对隧道实体点云模型进行病害分析，包括病害区域识别，病害类别判断，以及病害数值计算；(7)根据预设的表观质量评价标准，对检测数值进行判断，评价隧道表观质量状况。本发明专利技术能够大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，快速大量地采集空间点位信息，高效率、高精度。

【技术实现步骤摘要】
一种盾构法隧道表观质量检测方法及系统
本专利技术属于隧道检测
，具体涉及一种基于激光扫描技术和BIM技术的盾构法隧道表观质量检测方法及系统，主要面向于盾构法隧道结构体的检测诊断。
技术介绍
在盾构法隧道的施工过程中，由于管片拼装质量往往难以完全控制，错台错缝、管片破损以及椭圆度超出规定值等现象时有发生，以及隧道运营期的裂缝、渗漏和掉块等问题，这些隧道表观质量问题都严重威胁到隧道结构体的安全。传统的管片拼装质量的控制是由工程检测人员定期在隧道内部逐一进行检查，在检查过程中发现错台较大的管片时，使用尺量法判定错台是否超标；对于椭圆度的检测，采用皮卷尺配合吊铅垂的方法共同确定隧道的长轴及短轴，然后计算隧道的椭圆度。在运营期，隧道因其总里程较长，病害出现点分散，采用人工检测已经不能满足隧道日常养护维修的需求。传统的检测方法受检测主体、检测频率、检测效率的影响性较大，并且不能实现管片表观质量自动检测。如何尽可能早地检验出盾构法隧道质量不达标的状况，及时采取补救措施避免造成更大事故成为了隧道盾构施工的一个难点。因此，需要寻求新的检测诊断技术实现管片表观质量的实时精准全面的检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据现有隧道结构体状态检测诊断方法的不足，提供一种基于激光扫描技术和BIM技术的盾构法隧道表观质量检测方法，能够实现盾构法隧道结构体的快速精准检测和智能诊断。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种盾构法隧道表观质量检测方法，包括如下步骤：(1)通过激光扫描隧道管片实体实时获取点云数据；(2)根据点云数据生成隧道实体点云模型；(3)隧道实体点云模型的隧道中心与隧道设计BIM模型中心比对得到隧道中心线偏差值；(4)根据隧道实体点云模型计算获取错台值；(5)根据隧道实体点云模型计算获取椭圆度；(6)对隧道实体点云模型进行病害分析，包括病害区域识别，病害类别判断，以及病害数值计算；(7)根据预设的表观质量评价标准，对检测数值进行判断，评价隧道表观质量状况。进一步地，步骤(2)包括如下步骤：(2.1)通过坐标变换，将所有点云的坐标变换到计算采用的坐标系中；(2.2)通过设置z坐标的取值范围来剔除非关键点；(2.3)采用向量求和算法判断点云中的点是否为边线上的点，提取点云边线；(2.4)采用最小二乘法拟合隧道中心，计算出中心点M的坐标。进一步地，步骤(2.1)中，坐标系按照如下方式设定：隧道中心轴线方向向量采用最小二乘法计算，对于一个环管点云数据，将每个点进行邻域求法向量，求得一个向量与所有法向量乘积最小，即为轴向；规定该方向为z轴，xy平面垂直于z轴，完成坐标系的建立。进一步地，步骤(2.2)中，第N环沿z轴正方向可以剔除的非关键点z坐标取值范围为：aμ+(N-1)(l+2)+b≤zni≤Nl+2(N-1)-aμ+b其中，N＝1，2...，μ为同一点云中相邻两点的距离，l为一个管片环的长度，a是一个常量，b是所有点z轴坐标的最小值。进一步地，步骤(2.3)中，假设在一个激光扫描获取的点云中，存在任意一点Pi和8个相邻点组成了8个向量这8个向量的和V(Pi)可以按如下方法计算：理想化的点云边界上的点，以Pie表示，V(Pie)＝5μ其中，μ是两点间的最小距离；点云中间的点用Pii表示，V(Pii)＝0如果V(Pi)＞2.5μ，则Pi是Pie，即Pi是点云边界上的点，反之则Pi是Pii，即Pi是点云中间的点。进一步地，步骤(2.4)中，设中心M的坐标为(a，b，c)，边缘上一点Pi的坐标为(x，y，z)，M和Pi的z轴坐标值相等，即c＝z，由此我们得到了：f(x，y)＝g(x，y)+ε(x，y)上式中，y＝g(x，y)是拟合函数，y＝ε(x，y)是误差函数，y＝f(x，y)是Pi的实值函数，此外，g(x，y)＝(x-a)2+(y-b)2＝r2所以我们得到ε(x，y)＝f(x，y)-g(x，y)和Pi的误差εi＝fi-gi，令S是关于a和b的二次函数，当S取最小值时，可计算出理想拟合方程g(x，y)以及相应环边缘的中心M。进一步地，步骤(4)中，包括如下步骤；(4.1)单环管片环面错台计算取6对边缘点进行计算，每对边缘点Qi(x1i，y1i)和Q′i(x2i，y2i)中一个的x值和其他5对的x值比较，将6个x值从小到大排列对应的i分别取值1到6，由此决定了错台发生的位置；如果拟合环平面中心点为M(a，b)，环平面内相邻管片间的错台值Li1可以按如下公式计算：另一侧的错台值Li2以及其他环的错台值也可以采用相同的算法计算；(4.2)单环管片轴向错台计算当轴线线方向上存在错台，取六组边缘点(x1i，y1i，z1i)和(x2i，y2i，z2i)，相邻管片间沿环平面法线方向的错台值L′i可以按以下方法计算：L′i＝Δz＝|Z1i-Z2i|，i＝1，2，...，6(4.3)环间错台计算取AL和BF两个边缘，投影到xy平面，AL边缘的中心MA发出一条射线与AL和BF两个边缘在xy平面相交产生线段PiAPiB；通过360°的穷举过程，以MA为中心每0.05°一个共形成72个PiAPiB，计算的长度记为DiAB；在以MA为原点的直角坐标系中，所有的PiAPiB线段分布在四个象限中，代表了四个不同的方向，命名为+X+Y，-X+Y，-X-Y和+X-Y，每个象限的DiAB最大值如(DiAB|+X+Y)MAX的形式；在边缘BF的中心MB采用同样的穷举法计算线段PiBPiA，得到四个DiBA的最大值(DiBA|+X+Y)MAx；四个象限中相邻环的错台值如下：四个象限中特定的错台位置通过最长线段和x轴正方向的角度表示，该角度如下：坐标xi1，yi1和xi2，yi2是最长线段的两个端点，坐标a和b是边缘环中心的坐标。进一步地，步骤(5)中，对于一个椭圆环，它的两侧提取边缘都被用于计算椭圆度，平均值就作为环的椭圆度；单侧边缘的椭圆度按照如下方式计算：边缘上有一点Pi，到z轴的距离是ri，中心对称点P′i到z轴的距离为r′i；另一点Pj以及它的中心对称点P′j到z轴的距离分别为rj和r′j；边缘环平面的中心点为M(a，b)，向量和的角度为90°；椭圆形边缘的椭圆度记为Tk，则有：Tk＝MAX{|(ri+r′i)-(rj+r′j)|}，k＝1，2上式中，长轴D1＝MAX{(ri+r′i)，(rj+r′j)}，k＝1，2，短轴D2＝MIN{(ri+r′i)，(rj+r′j)}，k＝1，2，进一步地，步骤(6)中，每环管片的BIM模型中心点和点云中心点比对作从BIM模型中心点O(D，E，F）到点云数据拟合的实际中心点M(A，B，C)的向量，两个中心之间的偏差距离ΔS即为该环的中心线偏差，按如下公式计算：为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种盾构法隧道表观质量检测系统，包括：表观部位扫描单元、分析诊断单元和数据存储单元；表观部位扫描单元包括激光发射器、激光接收器、管片拼装点云模型处理器；管片拼装点云模型处理器包括激光触发端口和信号接收端口，激光触发端口连接激光发射器，信号接收端口连接激光接收器；分析诊断单元包括分析诊断处理器、模型整合处理器；分析诊断处理器的数据输入端连接模型整合处理器的数据输出端；分析诊断处理器包括预置源数据模块，预置源数据模块包含管片拼装各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过激光扫描隧道管片实体实时获取点云数据；(2)根据点云数据生成隧道实体点云模型；(3)隧道实体点云模型的隧道中心与隧道设计BIM模型中心比对得到隧道中心线偏差值；(4)根据隧道实体点云模型计算获取错台值；(5)根据隧道实体点云模型计算获取椭圆度；(6)对隧道实体点云模型进行病害分析，包括病害区域识别，病害类别判断，以及病害数值计算；(7)根据预设的表观质量评价标准，对检测数值进行判断，评价隧道表观质量状况。

【技术特征摘要】
1.一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)通过激光扫描隧道管片实体实时获取点云数据；(2)根据点云数据生成隧道实体点云模型；(3)隧道实体点云模型的隧道中心与隧道设计BIM模型中心比对得到隧道中心线偏差值；(4)根据隧道实体点云模型计算获取错台值；(5)根据隧道实体点云模型计算获取椭圆度；(6)对隧道实体点云模型进行病害分析，包括病害区域识别，病害类别判断，以及病害数值计算；(7)根据预设的表观质量评价标准，对检测数值进行判断，评价隧道表观质量状况。2.如权利要求1所述的一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：(2.1)通过坐标变换，将所有点云的坐标变换到计算采用的坐标系中；(2.2)通过设置z坐标的取值范围来剔除非关键点；(2.3)采用向量求和算法判断点云中的点是否为边线上的点，提取点云边线；(2.4)采用最小二乘法拟合隧道中心，计算出中心点M的坐标。3.如权利要求2所述的一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，步骤(2.1)中，坐标系按照如下方式设定：隧道中心轴线方向向量采用最小二乘法计算，对于一个环管点云数据，将每个点进行邻域求法向量，求得一个向量与所有法向量乘积最小，即为轴向；规定该方向为z轴，xy平面垂直于z轴，完成坐标系的建立。4.如权利要求2所述的一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，步骤(2.2)中，第N环沿z轴正方向可以剔除的非关键点z坐标取值范围为：aμ+(N-1)(l+2)+b≤zniNl+2(N-1)-aμ+b其中，N＝1，2…，μ为同一点云中相邻两点的距离，l为一个管片环的长度，a是一个常量，b是所有点z轴坐标的最小值。5.如权利要求2所述的一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，步骤(2.3)中，假设在一个激光扫描获取的点云中，存在任意一点Pi和8个相邻点组成了8个向量这8个向量的和V(Pi)可以按如下方法计算：理想化的点云边界上的点，以Pie表示，V(Pie)＝5μ其中，μ是两点间的最小距离；点云中间的点用Pii表示，V(Pii)＝0如果V(Pi)＞2.5μ，则Pi是Pie，即Pi是点云边界上的点，反之则Pi是Pii，即Pi是点云中间的点。6.如权利要求2所述的一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，步骤(2.4)中，设中心M的坐标为(a，b，c)，边缘上一点Pi的坐标为(x，y，z)，M和Pi的z轴坐标值相等，即c＝z，由此我们得到了：f(x，y)＝g(x，y)+ε(x，y)上式中，y＝g(x，y)是拟合函数，y＝ε(x，y)是误差函数，y＝f(x，y)是Pi的实值函数，此外，g(x，y)＝(x-a)2+(y-b)2＝r2所以我们得到ε(x，y)＝f(x，y)-g(x，y)和Pi的误差εi＝fi-gi，令S是关于a和b的二次函数，当S取最小值时，可计算出理想拟合方程g(x，y)以及相应环边缘的中心M。7.如权利要求1所述的一种盾构法隧道表观质量检测方法，其特征在于，步骤(4)中，包括如下步骤；(4.1)单环管片环面错台计算取6对边缘点进行计算，每对边缘点Qi(x1i，y1i)和Q′i(x2i，y2i)中一个的x值和其他5对的x值比较，将6个x值从小到大排列对应的i分别取值1到6，由此决定了错台发生的位置；如果拟合环平面中心点为M(a,b)，环平面内相邻管片间的错台值Li1可以按如下公式计算：另一侧的错台值Li2以及其他环的错台值也可以采用相同的算法计算；(4.2)单环管片轴向错台计算当轴线线方向上存在错台，取六组边缘点(x1i，y1i，z1i)和(x2i,y2i,z2i)，相邻管片间沿环平面法线方向的错台值L′i可以按以下方法计算：L′i＝Δz...

【专利技术属性】
技术研发人员：周诚，丁烈云，陈健，徐捷，闫鹏慧，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42