一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，该方法采用三维激光扫描仪对开挖毛洞、初支及二衬进行三维全景扫描，获取隧道内三维围岩开挖扫描点云、初支扫描点云及二衬扫描点云数据，利用三维建模及点云套接技术，实现了三维模型与扫描点云的嵌套，通过扫描点云的断面与隧道设计断面对比，可以分析隧道二维或三维初支及二衬侵限值；通过不同曲面扫描点云之间的对比，可以分析隧道二维或三维初支及二衬厚度。该方法突破单点测量方式，以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据，对目标描述细致、采样速率高，解决了传统方法检测断面的局限性、随机性及代表性差等问题。

An Analysis Method for Invasion Limit and Thickness of Initial Branch and Secondary Lining of Tunnel

【技术实现步骤摘要】
一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法
本专利技术涉及隧道扫描领域。更具体地说，本专利技术涉及一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法。
技术介绍
随着高速公路的建设的快速发展，隧道衬砌病害问题日益突出。隧道二次衬砌的厚度大小也影响着隧道衬砌的安全及使用寿命，而隧道初支净空直接决定了二次衬砌的厚度，因此，在隧道施工期间隧道初期支护以及二次衬砌的侵限值和厚度的检测是隧道工程必不可少的检测项目，也是保证隧道施工质量的关键。传统监测采用全站仪+反光贴或者激光断面仪对隧道初支和二次衬砌进行检测，该种检测方法只能对某一区段选测其中一个或几个断面，其中每个断面选择几个单点进行抽检，选测断面中的几个测点随机性大，并不能够代表整个区段或整个断面的初支及二次衬砌的侵限值和厚度，而且测试一个断面需要不断转站，传统检测方法耗时长，浪费大量的人力物力，有时检测点易发生破坏，导致精度低等现象。因此亟待发展一种高效的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法。
技术实现思路
为了实现以上目的，本专利技术提供一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，包括以下步骤：1)分别对隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌表面进行多站式扫描，从而获取多组上述三种结构表面的点云数据，每组点云数据由结构表面的无数个扫描点构成，每个扫描点三维坐标Ni(xi，yi，zi)；2)将不同站扫描得到的点云数据整合到同一坐标系中进行点云配准；3)对配准后的点云数据进行预处理，从而得到完整的隧道点云；4)根据隧道设计资料建立三维隧道设计模型；将隧道点云与三维隧道设计模型进行套接；提取隧道点云的二维断面轮廓线，并将其与设计断面线进行对比，从而得到隧道初支及隧道二衬的侵限值；将隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌的隧道点云分别进行对比，即可得到隧道初支及隧道二衬的厚度；5)设置不同隧道初支厚度、隧道二衬厚度阈值，以三维色谱图展现隧道初支及隧道二衬厚度信息。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，步骤3)中的预处理包括点云拼接、点云去噪以及点云抽稀。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，步骤4)中根据隧道设计资料建立三维隧道设计模型；将隧道点云与三维隧道设计模型进行套接，具体包括以下步骤：4a)根据隧道设计时的中线坐标与点云坐标整体偏移量，利用隧道中线坐标生成三维曲线；4b)以隧道中线为路径，以设计横断面为轮廓，结合上述三维曲线进行三维隧道建模；4c)利用3DReshaper软件导入三维隧道设计模型和隧道点云，将二者处于同一个坐标系中，进而实现三维隧道设计模型与隧道点云的套接。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，步骤4)中提取隧道点云的二维断面轮廓线，并将其与相应的设计断面线进行对比，从而得到隧道初支及隧道二衬的侵限值，具体包括：4d)根据隧道中任意里程处的断面必须与隧道中线垂直的原则，得到该里程处的横断面方程，从而确定选取分析断面；4e)根据精度需求及点云扫描质量情况，设定距离阀值d0，在隧道点云中选取距离上述分析断面d0的点云切片，利用该点云切片提取该分析断面的断面轮廓线；4f)将步骤4e)中选取的点云切片中的点云数据投影到相应的隧道断面所在平面上，采用三次B样条曲线法进行断面轮廓线拟合，即得到所该分析断面的轮廓线；4g)将该里程处的设计断面和分析断面转化至同一个坐标系，沿隧道设计轮廓线均匀布置n个观测点，计算设计断面线与分析断面轮廓线上所有观测点之间的法向距离，进而分析得到该分析断面的侵限值；其中，重复步骤4d)～4f)，得到隧道初支分析断面轮廓线，再按照步骤4g)将其与隧道初支设计断面对比，即可分析出隧道初支断面的侵限值；重复步骤4d)～4f)，得到隧道二衬分析断面轮廓线，再按照步骤4g)将其与隧道二衬设计断面对比，即可分析出隧道二衬断面的侵限值。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，步骤4)中，将隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌的隧道点云分别进行对比，即可得到隧道初支及隧道二衬的厚度，具体为：由隧道开挖后的毛洞扫描点云数据，可得到隧道开挖轮廓线；由隧道初支扫描点云数据，可得到初支轮廓线；由隧道二衬扫描点云数据，可以得到二衬轮廓线；将隧道开挖轮廓线与初支轮廓线对比，两者之间的间距为隧道初支的厚度；将隧道初支轮廓线与二衬轮廓线对比，两者之间的间距为隧道二衬的厚度。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，上述步骤4)实现隧道点云与三维隧道设计模型的套接之后，计算出隧道点云中的数据点到隧道三维设计模型曲面的最短距离，即为隧道的侵限值。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，上述步骤4)实现隧道点云与三维隧道设计模型的套接之后，计算出隧道点云中的数据点到隧道三维设计模型曲面的最短距离，具体计算方法包括以下步骤：假设Q0为隧道三维设计模型曲面外侧的一数据点，其在隧道三维设计模型曲面上的垂足为P0；在隧道三维设计模型曲面上选取任意一点P1(μ，ω)，求出该点在隧道三维设计模型曲面上的任意两个彼此垂直的方向上的偏导数rμ和rω和以及该点P1到上述数据点Q0的方向矢量S；将矢量S分解到U、rμ、rω三个方向，S＝dU+Arμ+Brω，分别求点积S·rμ和S·rω；给定计算误差ε，若|S·rμ|≤ε且|S·rω|≤ε，即为所求垂足点P0，终止迭代，否则返回，在隧道三维设计模型曲面上任意选取另外一点，并且进行计算，直到满足终止条件；垂足点P0，其对应的向量对应向量的模为||S||＝D，即为最短距离。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，将隧道初支轮廓线与二衬轮廓线对比，两者之间的间距为隧道二衬的厚度，具体为计算出初支扫描点云到相应点在二衬点云面上的投影距离即为隧道二衬厚度。优选的是，所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，隧道初支/二衬厚度的具体计算步骤如下：隧道初支/二衬厚度的具体计算步骤如下：在毛洞扫描点云/初支扫描点云曲面上任意选取一个点k，计算k点到初支/二衬扫描点云曲面上所有点的距离，并筛选出距离k最近的三个点，分别为第一近的点k1，第二近的点k2，第三近的点k3；由上述确定的k1、k2、k3三个点确定的一个平面，将k投影到该平面上，作为k点在初支/二衬点云面上的对应点k’；采用MDP距离公式计算得出毛洞/初支点云面上的点k距离初支/二衬点云面上的k’最小空间位移，即为该点处的初支/二衬厚度，重复上述步骤，可计算出初支/二衬点云曲面上所有点的初支/二衬厚度，即隧道内所有点的初支/二衬厚度。本专利技术至少包括以下有益效果：1、该方法可以解决传统方法检测断面的局限性、随机性及代表性差等问题，采用无接触测量，避免测点破坏等缺点，实现隧道初期支护及二次衬砌三维全景扫描，能够快速扫描隧道轮廓，获取隧道三维点云坐标，从而构建高精度高分辨率的隧道数字化模型，与初支和二衬设计断面进行对比，从而得到初支侵限值及二衬厚度检测。该方法突破单点测量方式，以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据，对目标描述细致、采样速率高。采用点云与模型套接技术，分析隧道初支及二衬侵限值，比较初支点云数据与二衬点云数据可对二衬厚度进行评估，保障了隧道施工质量，具有较好的应用前景。2、隧道初支及二衬侵限值和厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)分别对隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌表面进行多站式扫描，从而获取多组上述三种结构表面的点云数据，每组点云数据由结构表面的无数个扫描点构成，每个扫描点三维坐标Ni(xi，yi，zi)；2)将不同站扫描得到的点云数据整合到同一坐标系中进行点云配准；3)对配准后的点云数据进行预处理，从而得到完整的隧道点云；4)根据隧道设计资料建立三维隧道设计模型；将隧道点云与三维隧道设计模型进行套接；提取隧道点云的二维断面轮廓线，并将其与设计断面线进行对比，从而得到隧道初支及隧道二衬的侵限值；将隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌的隧道点云分别进行对比，即可得到隧道初支及隧道二衬的厚度；5)设置不同隧道初支厚度、隧道二衬厚度阈值，以三维色谱图展现隧道初支及隧道二衬厚度信息。

【技术特征摘要】
1.一种隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)分别对隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌表面进行多站式扫描，从而获取多组上述三种结构表面的点云数据，每组点云数据由结构表面的无数个扫描点构成，每个扫描点三维坐标Ni(xi，yi，zi)；2)将不同站扫描得到的点云数据整合到同一坐标系中进行点云配准；3)对配准后的点云数据进行预处理，从而得到完整的隧道点云；4)根据隧道设计资料建立三维隧道设计模型；将隧道点云与三维隧道设计模型进行套接；提取隧道点云的二维断面轮廓线，并将其与设计断面线进行对比，从而得到隧道初支及隧道二衬的侵限值；将隧道内开挖毛洞、隧道初期支护、隧道二次衬砌的隧道点云分别进行对比，即可得到隧道初支及隧道二衬的厚度；5)设置不同隧道初支厚度、隧道二衬厚度阈值，以三维色谱图展现隧道初支及隧道二衬厚度信息。2.如权利要求1所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，其特征在于，步骤3)中的预处理包括点云拼接、点云去噪以及点云抽稀。3.如权利要求1所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，其特征在于，步骤4)中根据隧道设计资料建立三维隧道设计模型；将隧道点云与三维隧道设计模型进行套接，具体包括以下步骤：4a)根据隧道设计时的中线坐标与点云坐标整体偏移量，利用隧道中线坐标生成三维曲线；4b)以隧道中线为路径，以设计横断面为轮廓，结合上述三维曲线进行三维隧道建模；4c)利用3DReshaper软件导入三维隧道设计模型和隧道点云，将二者处于同一个坐标系中，进而实现三维隧道设计模型与隧道点云的套接。4.如权利要求1所述的隧道初支及二衬侵限值和厚度分析方法，其特征在于，步骤4)中提取隧道点云的二维断面轮廓线，并将其与相应的设计断面线进行对比，从而得到隧道初支及隧道二衬的侵限值，具体包括：4d)根据隧道中任意里程处的断面必须与隧道中线垂直的原则，得到该里程处的横断面方程，从而确定选取分析断面；4e)根据精度需求及点云扫描质量情况，设定距离阀值d0，在隧道点云中选取距离上述分析断面d0的点云切片，利用该点云切片提取该分析断面的断面轮廓线；4f)将步骤4e)中选取的点云切片中的点云数据投影到相应的隧道断面所在平面上，采用三次B样条曲线法进行断面轮廓线拟合，即得到所该分析断面的轮廓线；4g)将该里程处的设计断面和分析断面转化至同一个坐标系，沿隧道设计轮廓线均匀布置n个观测点，计算设计断面线与分析断面轮廓线上所有观测点之间的法向距离，进而分析得到该分析断面的侵限值；其中，重复步骤4d)～4f)，得到隧道初支分析断面轮廓线，再按照步骤4g)将其与隧道初支设计断面对比，即可分析出隧道初支断面的侵限值；重复步骤4d)～4f)，得到隧道二衬分析断面轮廓线，再按照步骤4g)将其与隧道二衬设...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘毅，江鸿，陈培帅，王伟，冯德定，杨林，闫鑫雨，袁青，黄威，杨擎，蒋道东，高如超，孔茜，许超，熊栋栋，方俊，邱敏，贺创波，唐湘隆，梁晓腾，
申请(专利权)人：中交第二航务工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42