基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法技术

本发明专利技术基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法，涉及隧道工程施工安全控制技术领域。本方法提出以国家大地坐标(CGCS2000)或城市坐标为总体空间坐标系，建立以隧道设计轴线为原点的局部坐标系，建立总体坐标系与局部坐标系的坐标转换关系；采用图像分析方法，可提高隧道围岩结构面现场采集数据准确性、可溯源性和高效性；采用空间曲面方程构建隧道围岩结构面分布特征和结构面厚度分布函数，可用于预测隧道掘进方向围岩结构面分布，为隧道施工安全控制提供依据；基于国家大地坐标系或城市坐标系构建了隧道围岩结构面空间分布函数，可广泛应用于钻爆法隧道工程，具有高效性操作安全可靠速度快，为数字隧道建设奠定技术基础。设奠定技术基础。设奠定技术基础。

【技术实现步骤摘要】
基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法


[0001]本专利技术涉及隧道工程施工安全控制
，具体指一种适用于钻爆法隧道施工围岩结构面空间曲面和结构面厚度的数字化构建方法。

技术介绍

[0002]对于钻爆法隧道而言，隧道围岩构造结构面是客观存在，是隧道施工安全的主要影响因素之一，是隧道坍塌、围岩掉块等安全风险防控的重要内容。由于受地下工程前期地勘工作在技术、经济、工期等因素影响，勘探结果不能全面真实地反映整个隧道各里程段围岩结构面情况。因此，快速、准确构建围岩构造面，判定隧道掘进方向围岩结构面，是钻爆法隧道施工安全风险控制和动态设计的重要内容，为制定隧道施工措施提供依据，为隧道施工安全控制提供基础。在钻爆法隧道施工过程中，地质素描是判断围岩情况的常用方法，通过人工记录开挖面围岩节理和结构面产状测量，通过地质罗盘测量结构面产状特征。在地质素描方法测量围岩结构面产状过程中，由于贴近隧道掌子面，围岩掉块将对测量人员造成伤害，存在测量作业安全风险高；测量得到的结构面产状无法表征空间曲面特征，无法推演隧道掘进方向的结构面分布特征，特别是曲线隧道。公开的
″
一种隧道洞壁节理结构面产状测量方法
″
(CN202110318613X)，以测站的位置为原点，测量结构面迹线上特征点与原点的距离，以及原点与特征点连线的水平角、方位角和倾角，得到结构面的产状信息；求解平面方程，求得结构面的倾向、倾角。该方法测量得到结构面为平面，无法得到结构面的空间曲面分布；得到出露的结构面轨迹线方程为平面方程，无法预测隧道掘进方向的围岩结构面分布特征；采用测点为原点构造空间坐标系，无法得到隧道围岩结构面的总体空间分布特征，也无法与国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系对应。又如，
″
一种适合隧道工程岩体结构精细化重构的方法及系统
″
(CN202010974229.0)，提出岩体结构三维模型构建，采用蒙特卡洛随机模型生成随机结构面，运用最小二乘法进行平面拟合，构建推演结构面空间平面方程，构建岩体结构三维模型。该专利技术解决了岩体结构三维模型构建问题，无法解决结构面空间三维分布问题；同时，也没有建立与国家大地坐标系或城市坐标系对应关系。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足和缺失，提出基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法，解决结构面空间曲面与厚度函数方程构建、隧道掘进方向结构面预测和结构面数字化构建等技术问题，采用数码图像分析方法解决现场数据收集人员安全等问题。
[0004]本方法所采用的技术方案：
[0005]一、以国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系为总体空间坐标系，建立以隧道设计轴线为原点的局部坐标系，构建总体空间坐标与局部坐标转换关系；
[0006]二、隧道开挖后，拍摄掌子面图像，通过图像分析技术，或现场采用测量仪器测量，获取围岩结构面局部坐标数据和对应的结构面厚度数据；通过空间坐标转换，形成隧道围
岩结构面总体空间坐标数据和对应结构面厚度数据；
[0007]三、采用空间曲面方程拟合方法，构建隧道围岩结构面总体空间坐标方程和结构面厚度分布函数；
[0008]四、以隧道掘进方向隧道设计轴线为原点建立局部坐标系，根据总体空间坐标与局部坐标系的转换关系，预测隧道掘进方向掌子面结构面迹线和结构面厚度；
[0009]五、以预测得到的结构面迹线和结构面厚度，指导隧道支护设计和隧道开挖施工方案的制定。
[0010]综上所述，本专利技术提出以国家大地坐标(CGCS2000)或城市坐标为总体空间坐标系，建立以隧道设计轴线为原点的局部坐标系，建立总体坐标系与局部坐标系的坐标转换关系；通过掌子面图像分析或现场测量，获得结构面坐标和对应结构面厚度数据；构建结构面空间曲线方程和厚度分布函数；预测隧道掘进方向结构面迹线和结构面厚度，为隧道动态设计和隧道施工安全控制提供依据，为数字隧道建设奠定技术基础。
附图说明
[0011]图1为本专利技术基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法流程框图；
[0012]图2为本专利技术以隧道设计轴线为准则形成的空间坐标转换图；
[0013]图3为本专利技术构建围岩结构面总体空间坐标方程和结构面厚度函数图；
[0014]图4为本专利技术实施例隧道三维坐标示意图；
[0015]图5为本专利技术实施例隧道设计轴线与坐标示意图；
[0016]图6为本专利技术实施例隧道开挖掌子面图像，选择椭圆圈内的一个结构面迹线进行数据图；
[0017]图7为本专利技术实施例隧道设计轴线里程t1＝100m开挖面围岩结构面迹线图；
[0018]图8为本专利技术实施例隧道设计轴线里程t2＝102m开挖面围岩结构面迹线图；
[0019]图9为本专利技术实施例隧道设计轴线里程t3＝104m开挖面围岩结构面迹线图；
[0020]图10为本专利技术实施例围岩结构面立体空间展示图；
[0021]图11为本专利技术实施例预测隧道设计轴线里程t4＝106m开挖面围岩结构面迹线图。
具体实施方式
[0022]本专利技术基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法(如附图1所示)，其包括如下步骤：
[0023]A.以国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系为总体空间坐标系，建立以隧道设计轴线为原点的局部坐标系，构建总体空间坐标与局部坐标转换关系。
[0024]A1.基于国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系，隧道设计轴线坐标可表示为
[0025][0026]其中，x轴和y轴分别为国家大地坐标系或城市坐标系的平面坐标轴，z轴为竖直向
上，以水准标高为准，t为隧道轴线里程，单位均为m。
[0027]对于隧道设计轴线里程为t0，对应隧道设计轴线点P0坐标为(x0，y0，z0)
[0028][0029]A2.对隧道设计轴线求导
[0030][0031]隧道设计轴线里程t0处即点P0(x0，y0，z0)的切线方程为
[0032][0033]点P0(x0，y0，z0)的法平面方程为
[0034](x
‑
x0)x
′
(t0)+(y
‑
y0)y
′
(t0)+(z
‑
z0)z
′
(t0)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
4)；
[0035]A3.构建以隧道设计轴线上点P0(x0，y0，z0)为原点O
′
的局部坐标(u，v，w)。其中，切线方向τ为v轴，平面直角坐标系vO
′
w为点P0(x0，y0，z0)的法平面坐标系(如附图2所示)。
[0036]隧道开挖面上点P的局部坐标与总体空间坐标转换关系如下
[0037][0038]或
[0039][0040]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法，其特征在于，包括步骤如下，A.以国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系为总体空间坐标系，建立以隧道设计轴线为原点的局部坐标系，构建总体空间坐标与局部坐标转换关系；B.隧道开挖后，拍摄掌子面图像，通过图像分析技术，或现场采用测量仪器测量，获取围岩结构面局部坐标数据和对应的结构面厚度数据；通过空间坐标转换，形成隧道围岩结构面总体空间坐标数据和对应结构面厚度数据；C.采用空间曲面方程拟合方法，构建隧道围岩结构面总体空间坐标方程和结构面厚度分布函数；D.以隧道掘进方向隧道设计轴线为原点建立局部坐标系，根据总体空间坐标与局部坐标系的转换关系，预测隧道掘进方向掌子面结构面迹线和结构面厚度；E.以预测得到的结构面迹线和结构面厚度，指导隧道支护设计和隧道开挖施工方案制定。2.如权利要求1所述的基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法，其特征在于，步骤A还包括：以国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系为总体空间坐标系，建立以隧道设计轴线为原点的局部坐标系，构建总体空间坐标与局部坐标转换关系；A1基于国家大地坐标系(CGCS2000)或城市坐标系，隧道设计轴线坐标表示为其中，x轴和y轴分别为国家大地坐标系或城市坐标系的平面坐标轴，z轴为竖直向上，以水准标高为准，t为隧道轴线里程，单位均为m；对于隧道设计轴线里程为t0，对应隧道设计轴线点P0坐标为(x0，y0，z0)A2.对隧道设计轴线求导隧道设计轴线里程t0处即点P0(x0，y0，z0)的切线方程为点P0(x0，y0，z0)的法平面方程为(x
‑
x0)x
′
(t0)+(y
‑
y0)y
′
(t0)+(z
‑
z0)z
′
(t0)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
4)
A3.构建以隧道设计轴线上点P0(x0，y0，z0)为原点O
′
的局部坐标(u，v，w)，其中，切线方向τ为v轴，平面直角坐标系vO
′
w为点P0(x0，y0，z0)的法平面坐标系；隧道开挖面上点P的局部坐标与总体空间坐标转换关系如下或其中3.如权利要求1所述的基于空间坐标系的钻爆法隧道围岩结构面数字化构建方法，其特征在于，步骤B还包括：隧道开挖后，拍摄掌子面图像，通过图像分析技术，或现场采用测量仪器测量，获取围岩结构面局部坐标数据(u，0，w)和对应的结构面厚度h
i
；通过坐标转换，获得以结构面总体空间坐标数据和结构面厚度总体空间分布数据；B1.对于隧道设计轴线里程t0，由式(1
‑
1)可得到对应轴线点P0(x0，y0，z0)采用现场拍摄图像分析方法或现场测量方法，实测得到隧道施工掌子面结构面的局部坐标(u
i
，0，w
i
)(i＝1，2，...，n0)，由式(1
‑
5)，可以得到围岩结构面的总体空间坐标以及对应的结构面厚度h
0，i
(i＝1，2，...，n0)；B2.对于隧...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡来炳，谭明伦，周红波，陈鹏，王少卿，齐杰，宁方端，刘印，杨奇，魏艳超，常龙龙，纪俊杰，
申请(专利权)人：青岛国信胶州湾第二海底隧道有限公司，
类型：发明
国别省市：