一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法技术

本发明专利技术提出一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，包括：第一步、确定最佳精度点和激光扫描仪激光束最大入射角；第二步、确定所述激光扫描仪测站间距和所需测站总数；第三步、获取隧道初支表面点云数据，所述点云数据是指以隧道监测基准点所在坐标系下的隧道初次支护表面点的三维坐标；第四步、根据施工现场隧道断面检测要求，确定需要检测的隧道断面里程；第五步、将提取的所述三维点坐标投影到待检测的隧道断面上；第六步、确定拟合所用的型值点，拟合构造出曲线，所述曲线是隧道断面开挖得到的实际边界；第七步、确定隧道断面超欠挖量及超欠挖位置。本发明专利技术实现矿山法隧道初支质量自动化、高精度、连续检测。

A Method for Quality Detection of Tunnel Excavation and Initial Support by Mine Method

The invention provides a method for detecting the quality of tunnel excavation and initial support by mining method, which includes: the first step, determining the best precision point and the maximum incident angle of laser beam of laser scanner; the second step, determining the distance between the laser scanner stations and the total number of stations required; the third step, acquiring the point cloud data on the initial support surface of tunnel, which refers to the coordinate system in which the tunnel monitoring datum points are located. The three-dimensional coordinates of the surface points of the initial support of the tunnel under this condition; the fourth step is to determine the mileage of the tunnel section to be tested according to the requirements of the tunnel section detection in the construction site; the fifth step is to project the coordinates of the three-dimensional points extracted onto the tunnel section to be tested; the sixth step is to determine the type points used for fitting, and to fit and construct the curve, which is the actual result of the tunnel section excavation. The seventh step is to determine the amount and location of overbreak and underbreak in tunnel section. The invention realizes automatic, high precision and continuous detection of initial support quality of mine method tunnel.

【技术实现步骤摘要】
一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法
本专利技术属于隧道检测领域，具体地，涉及一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法。
技术介绍
近年来，随着轨道交通的快速发展，工程建设的规模的数量呈现不断上升的趋势。根据国家交通运输部的统计，2017年全国铁路营业里程已达12.7万公里。铁路建设中由于线路规划、施工技术和施工成本等因素的影响，需要建设大量隧道以满足工程需求。矿山法是修建隧道最常用的方法之一，该方法主要通过爆破方式使开挖面围岩松动，然后按照顺序分部开挖岩体，并对已开挖部分的岩体进行支护，以保证开挖部分岩体的稳定和施工安全。由于隧道穿越地层往往岩性复杂、类型多变，以及人为操作等原因，爆破效果往往达不到设计要求。同时，由于隧道开挖造成原始地应力平衡被打破，隧道围岩发生收敛变形，多种因素造成开挖后的实际断面与设计开挖断面往往存在偏差，即发生超欠挖现象。欠挖导致二次衬砌厚度不足，易造成坍塌和沉降的加大，同时再次超挖增加了对岩体的扰动。超挖造成出渣量增大，延长出渣作业时间，同时导致混凝土回填量加大，增加工程成本。可见，超欠挖对矿山法隧道断面开挖质量、施工进度和安全以及工程成本存在重大影响。因此，有必要在隧道开挖初次支护后对开挖断面进行质量检测，并与设计断面尺寸进行对比，从而发现超欠挖、隧道断面变形等问题并及时弥补。经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为CN201620030051，公开号为CN205577997U，专利名称为：一种隧道超欠挖检测控制装置，该专利公开了：“一种隧道超欠挖检测控制装置，其包括：行走系统，通过全站仪定位“平行双拼角钢”进行所述装置定位，装置底设置胶轮人工推行行走；骨架系统，由工字钢和钢管组成稳定的三角支撑体系；伸缩系统，由七根伸缩丝杆组成，调节台车高度，以适应不同的围岩断面；刚性轮廓系统，采用钢筋焊接成骨架，与隧道开挖及初支待检测段断面轮廓一致。”该专利所述的超欠挖检测装置主要是通过伸缩丝杆预先确定隧道开挖初支设计断面轮廓，然后人工推动台车通过检测段，若台车能顺利通过即表明无欠挖，然后通过丝杆伸出的长度反映超挖量的大小。然而，在实际隧道断面质量检测过程中，往往需要对断面进行自动、连续检测。此方法主要依靠人工推动台车进行测量，由于台车轨道铺设存在高差等原因，台车行进过程中伸缩丝杆难以时刻准确保持设计初支开挖轮廓。同时，此方法超挖量主要依靠人工通过肉眼观测丝杆伸出长度得到，准确性难以保证，当断面某点超挖量过大时，可能导致丝杆长度不足而无法测量。综上所述，现有的测量装置的现场操作繁琐复杂，难以控制，准确性难以保证，大量人为因素的存在导致检测作业可靠性差，费时费力，效率低下。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于三维激光扫描技术的矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，该方法克服了现有技术中存在的检测精度差，效率低，无法连续检测的缺点和不足，实现矿山法隧道初支质量自动化、高精度、连续检测。为实现上述目的，本专利技术提出一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，包括：第一步、确定最佳精度点和激光扫描仪激光束最大入射角；在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向设置若干个标靶纸，确定其中一个所述标靶纸为所述最佳精度点；所述最大入射角是指激光扫描仪激光束发射点和所述最佳精度点的连线与所述激光扫描仪激光束发射点所在隧道横截面的夹角；第二步、确定所述激光扫描仪测站间距和所需测站总数；所述测站间距是指沿隧道轴线方向任意相邻两次激光扫描测量站点之间的距离；所述测站总数是指检测隧道初支质量所需的激光扫描次数；第三步、获取隧道初支表面点云数据；所述点云数据是指以隧道监测基准点所在坐标系下的隧道初次支护表面点的三维坐标；在每个所述测站进行激光扫描作业，获取所有所述测站的所述点云数据，然后进行所述点云数据拼接，得到完整的隧道初支表面点云数据；优选地，采用Cyclone配套后处理软件进行点云数据拼接，得到完整的隧道初支表面点云数据。第四步、根据施工现场隧道断面检测要求，确定需要检测的隧道断面里程、所述里程处隧道断面与隧道监测基准点坐标系x轴的夹角、以及所述里程处隧道断面中心点坐标，然后提取所述里程处隧道断面的三维点坐标；第五步、将提取的所述三维点坐标投影到待检测的隧道断面上；所述三维点坐标投影是指将所述第四步中隧道监测基准点坐标系下的三维点坐标转换到待测的隧道断面局部坐标系下；第六步、确定投影点坐标拟合所用的型值点，拟合构造出光滑曲线y＝f(x)，所述光滑曲线f(x)是隧道断面开挖得到的实际边界；优选地，采用三次插值样条拟合构造出曲线y＝f(x)，由插值拟合法确定的光滑曲线f(x)就是隧道断面开挖得到的实际边界。第七步、确定隧道断面超欠挖量及超欠挖位置；以所述第四步中待检测里程处隧道断面中心点坐标为圆心，画出所述第六步中得到的拟合曲线与隧道初支设计开挖边界，即可比较超欠挖位置和超欠挖量。优选地，第一步中所述最佳精度点确定方法包括：在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向等间隔设置若干个标靶纸，依次测量各个相邻所述标靶纸之间的距离，将测量距离与实际距离作比较，当在所述标靶纸的测量距离与实际距离之差超过设定值时，为扫描精度不达标，此时，所述标靶纸的中心点即为最佳精度点。优选地，所述第一步中：所述最佳精度点确定按照以下步骤执行：S1：在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向粘贴所述标靶纸，以激光扫描仪为中心由近及远编号，相邻所述标靶纸之间间隔一距离；更加优选地，所述标靶纸之间间隔距离为2m；S2：利用激光扫描仪进行测距作业，在隧道中心轴线上设置所述激光扫描仪，依次测量各个相邻所述标靶纸之间的距离；更优选地，采用激光扫描仪获取标靶纸表面点云数据，然后导入到Cyclone后处理软件中，利用软件中的选择工具依次选择相邻两标靶纸中心点，得到各个相邻标靶纸的测量距离。S3：将测量距离与实际距离作比较，当两者之差超过所述设定值时，即认为扫描精度不达标，此时，最大编号标靶纸的中心点即为所述最佳精度点。更加优选地，所述设定值为10mm。优选地，确定所述最佳精度点后，通过全站仪测量最大入射角。确定最佳精度点后，利用全站仪测量最大入射角：首先选择全站仪的角度测量模式，并对准激光扫描仪所在隧道断面水平直径方向，然后锁死水平微动，将水平角置零，最后打开水平微动，旋转照准最佳精度点，屏幕上显示的角度即为最大入射角。优选地，所述第二步中所述测站间距满足以下公式：S＝D×tanθ式中，S为测站间距，m；D为隧道初支设计断面直径，m；θ为激光扫描仪的最大入射角；所述测站总数满足以下公式：式中，N为测站总数，L为待检测隧道总长，m；S为测站间距，m。优选地，第四步中，所述提取所述里程处隧道断面的三维点坐标，其中提取宽度满足以下公式：式中，W为提取宽度，mm；n为三维激光扫描得到的三维坐标点总数；D为隧道初支设计断面直径，m；L为隧道长度，m；ρ为数据点线密度，mm-1，取2-3。优选地，第四步中，被提取的所述里程处隧道断面的三维点坐标，满足以下公式：|(xi-x0)sinα-(yi-y0)cosα|≤Wi＝1,2,3,…,n式中，(xi,yi,zi)为隧道监测基准点坐标系下的点坐标；(x0,y0,z0)为隧道监测基准点坐标系下待检测隧道断面中心点坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，其特征在于：包括：第一步、确定最佳精度点和激光扫描仪激光束最大入射角；在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向设置若干个标靶纸，确定其中一个所述标靶纸为所述最佳精度点；所述最大入射角是指激光扫描仪激光束发射点和所述最佳精度点的连线与所述激光扫描仪激光束发射点所在隧道横截面的夹角；第二步、确定所述激光扫描仪测站间距和所需测站总数；所述测站间距是指沿隧道轴线方向任意相邻两次激光扫描测量站点之间的距离；所述测站总数是指检测隧道初支质量所需的激光扫描次数；第三步、获取隧道初支表面点云数据；所述点云数据是指以隧道监测基准点所在坐标系下的隧道初次支护表面点的三维坐标；在每个所述测站进行激光扫描作业，获取所有所述测站的所述点云数据，然后进行所述点云数据拼接，得到完整的隧道初支表面点云数据；第四步、根据施工现场隧道断面检测要求，确定需要检测的隧道断面里程、所述里程处隧道断面与隧道监测基准点坐标系x轴的夹角、以及所述里程处隧道断面中心点坐标，然后提取所述里程处隧道断面的三维点坐标；第五步、将提取的所述三维点坐标投影到待检测的隧道断面上；所述三维点坐标投影是指将所述第四步中隧道监测基准点坐标系下的三维点坐标转换到待测的隧道断面局部坐标系下；第六步、确定投影点坐标拟合所用的型值点，拟合构造出光滑曲线y＝f(x)，所述光滑曲线f(x)是隧道断面开挖得到的实际边界；第七步、确定隧道断面超欠挖量及超欠挖位置；以所述第四步中待检测里程处隧道断面中心点坐标为圆心，画出所述第六步中得到的拟合曲线与隧道初支设计开挖边界，即可比较超欠挖位置和超欠挖量。...

【技术特征摘要】
1.一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，其特征在于：包括：第一步、确定最佳精度点和激光扫描仪激光束最大入射角；在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向设置若干个标靶纸，确定其中一个所述标靶纸为所述最佳精度点；所述最大入射角是指激光扫描仪激光束发射点和所述最佳精度点的连线与所述激光扫描仪激光束发射点所在隧道横截面的夹角；第二步、确定所述激光扫描仪测站间距和所需测站总数；所述测站间距是指沿隧道轴线方向任意相邻两次激光扫描测量站点之间的距离；所述测站总数是指检测隧道初支质量所需的激光扫描次数；第三步、获取隧道初支表面点云数据；所述点云数据是指以隧道监测基准点所在坐标系下的隧道初次支护表面点的三维坐标；在每个所述测站进行激光扫描作业，获取所有所述测站的所述点云数据，然后进行所述点云数据拼接，得到完整的隧道初支表面点云数据；第四步、根据施工现场隧道断面检测要求，确定需要检测的隧道断面里程、所述里程处隧道断面与隧道监测基准点坐标系x轴的夹角、以及所述里程处隧道断面中心点坐标，然后提取所述里程处隧道断面的三维点坐标；第五步、将提取的所述三维点坐标投影到待检测的隧道断面上；所述三维点坐标投影是指将所述第四步中隧道监测基准点坐标系下的三维点坐标转换到待测的隧道断面局部坐标系下；第六步、确定投影点坐标拟合所用的型值点，拟合构造出光滑曲线y＝f(x)，所述光滑曲线f(x)是隧道断面开挖得到的实际边界；第七步、确定隧道断面超欠挖量及超欠挖位置；以所述第四步中待检测里程处隧道断面中心点坐标为圆心，画出所述第六步中得到的拟合曲线与隧道初支设计开挖边界，即可比较超欠挖位置和超欠挖量。2.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，其特征在于：第一步中，所述确定最佳精度点包括：在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向等间隔设置若干个标靶纸，依次测量各个相邻所述标靶纸之间的距离，将测量距离与实际距离作比较，当在所述标靶纸的测量距离与实际距离之差超过设定值时，为扫描精度不达标，此时，所述标靶纸的中心点即为最佳精度点。3.根据权利要求2所述的一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，其特征在于：所述确定最佳精度点，具体为：S1：在待检测隧道拱腰上沿隧道轴线水平方向粘贴所述标靶纸，以激光扫描仪为中心由近及远编号，相邻所述标靶纸之间间隔一距离；S2：利用激光扫描仪进行测距作业，在隧道中心轴线上设置所述激光扫描仪，依次测量各个相邻所述标靶纸之间的距离；S3：将测量距离与实际距离作比较，当两者之差超过所述设定值时，即认为扫描精度不达标，此时，最大编号标靶纸的中心点即为所述最佳精度点。4.根据权利要求1所述的一种矿山法隧道开挖与初支质量检测方法，其特征在于：确定所述最佳...

【专利技术属性】
技术研发人员：马栋，刘志峰，张楠，沈水龙，齐书峰，王祥，张力学，吴明付，张大鹏，罗太祥，史超，刘耀华，高策，冯旭东，朱玉粮，薛俊，李杰明，苏媛，宁兴萍，范晓辉，李明，
申请(专利权)人：中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，中铁十六局集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11