洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统及方法，包括底座、位于底座上表面的三维激光扫描仪、位于底座下表面和侧面上且用于连接洞室内壁的弹性减震组件、位于底座下表面的上对中块、位于洞室内壁且与上对中块相适配的下对中块、一端与底座相连且另一端通过第一弹簧与洞室内壁相连的软带以及与三维激光扫描仪相连的控制单元；非监测状态下，第一弹簧和软带处于松弛状态，上对中块和下对中块相脱离；监测状态下，第一弹簧和软带处于拉紧状态，上对中块和下对中块相卡合对中。本发明专利技术适应洞室黑暗、灰尘环境，针对爆破余震进行有效减震，并保障每次监测处于同一基准位置，同时能够在洞室施工期快速、准确监测洞室不稳定体并及时预警。不稳定体并及时预警。不稳定体并及时预警。

【技术实现步骤摘要】
洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统及方法


[0001]本专利技术涉及三维激光扫描系统，尤其涉及一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统及方法。

技术介绍

[0002]洞室是水利、市政等工程中的常见工程结构类型，洞室开挖后，临空面岩体失去支撑使洞室产生形变，当岩体破碎或存在不利结构面组合时，部分不稳定块体将产生大变形，到达一定程度会从洞室表面脱落，具有极大的安全隐患，尤其是当洞室开挖到一定高度、临空面较大时更为危险，因此需要准确获取洞室形态数据，对可能发生的不稳定体脱落及时预警。
[0003]目前工程上通常使用收敛计，配合全站仪、棱镜等对洞室进行监测，但当洞室较大时，在施工期很难固定工程基点，操作相当困难。近来年，逐渐尝试采用三维立体图像对洞室变形进行监测，常规手段有摄影测量、三维激光扫描和结构光技术，通过采用移动式的装置对洞室进行分次扫描，以固定基准点(靶点)配准的方法对不同批次的数据进行分析，但由于采集的数据量过于庞大，计算模型和数据匹配过程非常繁杂，难以快速得到高精度的监测结果，无法及时发现隐患并预警，影响其使用范围。
[0004]与此同时，洞室表面因开挖爆破，使得洞室表面凹凸不平，难以获取准确的表面形态数据进行后续的分析和处理。此外，洞室内部存在光线黑暗、爆破振动、灰尘较大等问题，使常规的三维激光扫描、摄影测量、结构光技术受到限制。
[0005]目前，亟待解决以上问题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的第一目的在于提出一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，该激光扫描系统可对洞室余震进行有效减震，同时还能保障每次监测处于同一基准位置。
[0007]本专利技术的第二目的是提供该洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统的安装方法。
[0008]本专利技术的第三目的是提供该洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统的扫描方法，该扫描方法针对洞室在爆破开挖后、衬砌完成前洞室表面形变较大的阶段，在洞室两侧固定位置安装三维激光扫描仪，对洞室开挖断面进行双角度测量，解决监测盲区以及视线与洞室表面小角度相交引起的误差问题。
[0009]技术方案：为实现以上目的，本专利技术公开了一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，包括底座、位于底座上表面的三维激光扫描仪、位于底座下表面和侧面上且用于连接洞室内壁的弹性减震组件、位于底座下表面的上对中块、位于洞室内壁且与上对中块相对应的下对中块、一端与底座相连且另一端通过第一弹簧与洞室内壁相连的软带以及与三维激光扫描仪相连的控制单元；非监测状态下，第一弹簧和软带处于松弛状态，上对中块和下对中块相脱离，弹性减震组件支撑底座；监测状态下，第一弹簧和软带处于拉紧状态，上
对中块和下对中块相卡合对中。
[0010]其中，所述弹性减震组件包括相互连接的阻尼器和第二弹簧，其中第二弹簧的劲度系数小于第一弹簧的劲度系数。
[0011]优选的，所述上对中块上设置有圆锥形凸起，下对中块上设置有相对应的凹槽；或者上对中块上设置有圆锥形凹槽，下对中块上设置有相对应的凸起。
[0012]再者，所述底座上对称设置有转轮以及驱动转轮转动的转轮电机，软带的一端绕设有转轮上，转轮电机与控制单元相连接，控制单元控制转轮电机驱动转轮正反转，带动软带拉紧或放松。
[0013]进一步，所述控制单元包括带一侧开口且用于封装的保护盒以及位于保护盒内的控制芯片、无线通信模块和电源模块。
[0014]优选的，所述洞室内壁上开挖有壁槽，该壁槽高度大于安装后三维激光扫描仪顶高。
[0015]再者，所述壁槽口设置有与控制单元相连接的自动防尘门。
[0016]本专利技术一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统的安装方法，包括如下步骤：
[0017]仪器定址：根据洞室洞径、开挖高度的不同，沿洞室轴线方向在洞室两侧选取相对应的洞室侧壁安装位置，其中，轴线方向相邻洞室侧壁安装位置之间小于50m；
[0018]壁槽开挖及底座安装：在洞室侧壁安装位置处开挖壁槽并安装三维激光扫描系统，正确安装状态为：上对中块和下对中块相卡合对中时，弹性减震组件处于压缩状态；上对中块和下对中块相脱离时，弹性减震组件支撑底座；
[0019]防尘门及控制线路连接：将自动防尘门安装于壁槽洞口，将自动防尘门和转轮电机的控制线路接至控制芯片；
[0020]监测状态：数据采集时，控制芯片分别向自动防尘门和转轮电机发送控制信号，自动防尘门打开，转轮由转轮电机带动随脉冲信号转动，拉紧软带和第一弹簧，使底座整体下移，直至上对中块和下对中块相卡合对中，使三维激光扫描仪每次监测时处于同一基准位置；
[0021]非监测状态：数据采集完成后，控制芯片分别向自动防尘门和转轮电机发送控制信号，自动防尘门关闭，转轮由转轮电机带动随脉冲信号转动，松开软带和第一弹簧，使底座整体上移，上对中块和下对中块相脱离，由底座下部和侧面的弹性减震组件支撑底座。
[0022]本专利技术一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统的扫描方法，包括如下步骤：
[0023]数据分区初配准：洞室两侧固定位置安装有相对应的三维激光扫描系统，三维激光扫描系统进入扫描状态进行初次数据采集，由无线通信模块将数据传输至外部处理系统，将洞室表面点云数据进行区域划分并标记角度方位，存储两侧仪器对于同一区域的角度方位初始配准结果；
[0024]数据分析及验证：监测数据分析时，以单侧仪器采集的整体数据快速进行分析，得到每个分区的变形结果，并根据初始配准结果采用另一侧数据进行补充验证，若两侧数据分析结果差值不超过阈值，则取均值作为分区变形量输出；若差值超过阈值，则将两侧数据进行融合并分析，查找数据空洞，合并冗余数据，再计算区域变形结果；
[0025]变形计算和预警：根据监测需求设置数据采集的时间间隔，根据当前测量和前一次测量结果计算各分区的洞室变形量，查找洞室表面的大位移不稳定体位置，当某一分区
变形量超过预设值则进行预警。
[0026]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下显著优点：
[0027](1)针对洞室爆破特殊环境，利用减震设计减少余震对于三维激光扫描仪的干扰，同时，减震对中装置保障三维激光扫描仪监测状态时处于同一基准位置，非监测状态时处于自由振动状态，保证监测精度和仪器的安全；
[0028](2)利用无线通信技术实时传输监测数据，对洞室表面的不稳定体进行监控，满足了工程施工期洞室表面形态的高精度数据采集及不稳定体脱落预报需求；
[0029](3)针对洞室在爆破开挖后、衬砌完成前洞室表面形变较大的阶段，在洞室两侧固定位置安装三维激光扫描仪，对洞室开挖断面进行双角度测量，解决监测盲区以及视线与洞室表面小角度相交引起的误差问题；
[0030](4)本专利技术将三维激光扫描仪固定，以确定角度方式进行快速的数据配准，即相邻两次监测扫描视线相同，可对洞室中的不稳定体大变形进行数据快速查找、计算，能够在施工期对不稳定体进行实时预报；
[0031](5)采用自动防尘门解决洞室施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：包括底座(1)、位于底座上表面的三维激光扫描仪(2)、位于底座下表面和侧面上且用于连接洞室内壁的弹性减震组件(3)、位于底座下表面的上对中块(4)、位于洞室内壁且与上对中块相对应的下对中块(5)、一端与底座相连且另一端通过第一弹簧(6)与洞室内壁相连的软带(7)以及与三维激光扫描仪相连的控制单元(8)；非监测状态下，第一弹簧和软带处于松弛状态，上对中块和下对中块相脱离，弹性减震组件支撑底座；监测状态下，第一弹簧和软带处于拉紧状态，上对中块和下对中块相卡合对中。2.根据权利要求1所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：所述弹性减震组件(3)包括相互连接的阻尼器和第二弹簧，其中第二弹簧的劲度系数小于第一弹簧的劲度系数。3.根据权利要求1所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：所述上对中块(4)上设置有圆锥形凸起，下对中块(5)上设置有相对应的凹槽；或者上对中块(4)上设置有圆锥形凹槽，下对中块(5)上设置有相对应的凸起。4.根据权利要求1所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：所述底座(1)上对称设置有转轮(9)以及驱动转轮转动的转轮电机，软带(7)的一端绕设在转轮(9)上，转轮电机与控制单元(8)相连接，控制单元(8)控制转轮电机驱动转轮(9)正反转，带动软带(7)拉紧或放松。5.根据权利要求1所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：所述控制单元(8)包括带一侧开口且用于封装的保护盒以及位于保护盒内的控制芯片、无线通信模块和电源模块。6.根据权利要求1所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：所述洞室内壁上开挖有壁槽(10)，该壁槽高度大于安装后三维激光扫描仪顶高。7.根据权利要求6所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统，其特征在于：所述壁槽口设置有与控制单元相连接的自动防尘门(11)。8.一种根据权利要求1至7任一所述的洞室不稳定体监测的三维激光扫描系统的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：马明刚，王建，孟继慧，夏万求，顾倬铭，蔡可天，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：