一种基于初支不等厚的隧道变形监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于初支不等厚的隧道变形监测方法，涉及隧道变形监测技术领域。通过非接触量测的三维激光扫描技术对隧道的围岩以及初支的表面数据进行扫描获取后，能够建立得到包含初支厚度数据的隧道初支模型，根据初支厚度的不同，对隧道进行异常点标记，从而能够在后期的隧道监测时，针对性地监测，有效节省了后期监测的工作量，从而加快了监测的数据获取速度。同时根据监测数据与隧道初支模型方便研究初支厚度与隧道变形之间的关系。通过考虑围岩超欠挖现象导致的初期支护厚度不均匀，不仅符合实际的工程情况，并且能够有效地监控到因超挖引起的局部应力集中和因欠挖导致初支厚度不够而产生的安全隐患。致初支厚度不够而产生的安全隐患。致初支厚度不够而产生的安全隐患。

【技术实现步骤摘要】
一种基于初支不等厚的隧道变形监测方法


[0001]本专利技术涉及隧道变形监测
，具体涉及一种基于初支不等厚的隧道变形监测方法。

技术介绍

[0002]隧道超欠挖直接影响隧道的围岩稳定性和施工成本，但是对超欠挖的控制，始终是现场技术人员进行控制的重难点之一。在开挖过程中，由于爆破所产生的超欠挖现象是难以避免的，超挖过多，会产生应力集中问题，影响围岩稳定性；而欠挖则会导致初期支护厚度不够，对工程质量和安全产生隐患。然而在隧道变形监测时，常常将初期支护按等厚度来考虑，这显然与实际工程情况不符。因此，将初支考虑成因超欠挖影响而导致的不等厚来进行变形监测具有非常实际而重要的工程意义。
[0003]传统的隧道超欠挖检测及变形监测主要以人工测量的方式为主，采用全站仪、断面仪和测量机器人等设备，以逐点、逐断面的方式对隧道进行全断面测量，该类方法检测效率低、耗时长，需要耗费大量人力、物力。此外，传统检测方法的测量精度易受到隧道环境因素的影响，不能反映隧道的整体形态变化等情况，无法满足在隧道开挖过程中大量检测的实际需求。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种非接触量测、数据精度高、数据获取速度快的基于初支不等厚的隧道变形监测方法。
[0005]为达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0006]提供一种基于初支不等厚的隧道变形监测方法，包括如下步骤：
[0007]S1：使用激光扫描仪对待检测隧道围岩进行扫描，得到围岩点云数据；
>[0008]S2：对围岩点云数据进行坐标轴统一转换，得到待检测隧道的轴线方向；
[0009]S3：根据待检测隧道的轴线方向计算得到隧道实际半径，利用隧道实际半径与隧道理论半径计算得到待检测隧道的超欠挖量；
[0010]S4：待检测隧道初支施工完成后再次使用激光扫描仪扫描，得到隧道初支表面点云数据；
[0011]S5：根据隧道初支表面点云数据和围岩点云数据建立隧道初支模型，并通过超欠挖量对隧道初支模型的厚度异常点进行标记；
[0012]S6：待隧道完工后，对厚度异常点对应位置使用激光扫描仪进行若干期扫描检测，比较每期的监测数据得到待检测隧道表面变形情况。
[0013]通过非接触量测的三维激光扫描技术对隧道的围岩以及初支的表面数据进行扫描获取后，能够建立得到包含初支厚度数据的隧道初支模型，根据初支厚度的不同，对隧道进行异常点标记，从而能够在后期的隧道监测时，针对性地监测，有效节省了后期监测的工作量，从而加快了监测的数据获取速度。同时根据监测数据与隧道初支模型方便研究初支
厚度与隧道变形之间的关系。
[0014]进一步的，步骤S2中对围岩点云数据进行坐标轴转换前需要进行预处理，围岩点云数据预处理包括点云去噪、点云抽稀或点云简化中的一种或多种。对点云数据进行预处理能够去除因为现场工作环境太差产生的数据噪点；以及能够在不影响被测主体点云完整整特征的前提下剔除点云数据中的冗杂点。
[0015]进一步的，步骤S2中将围岩点云数据的坐标轴统一转换大地坐标轴，具体方法包括如下：
[0016]A1：步骤S1中激光扫描仪对待检测隧道扫描前，使用全站仪对激光扫描仪进行定位，记全站仪原点为大地坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，并计算得到激光扫描仪的x轴方向向量(x1，y1，z1)和y轴方向向量(x2，y2，z2)；
[0017]A2：将围岩点云数据的扫描坐标系转换为大地坐标系：围岩点云数据为激光扫描仪对待检测隧道分段扫描采集，记各段围岩点云数据的扫描坐标系的坐标为(x
i
'，y
i
'，z
i
')，记各段围岩点云数据的扫描坐标系对应的大地坐标系的坐标为(x
i
，yi，z
i
)，转换方法为：
[0018][0019][0020][0021][0022]其中，θ为扫描坐标系绕z轴旋转的角度，α为扫描坐标系绕x轴旋转的角度，γ为扫
描坐标系绕y轴旋转的角度；T1为z轴方向旋转矩阵；T2为x轴方向旋转矩阵；T3为y轴方向旋转矩阵；
[0023]A3：使用RANSAC算法将围岩点云数据在隧道截面上的圆心坐标进行拟合，将任一截面上的圆心坐标分别投影到大地坐标系的xoz面和yoz面上，并将所有截面的圆心坐标的投影点按隧道前进方向排序；
[0024]A4：分别对大地坐标系的xoz面和yoz面上的投影点使用三次样条插值进行拟合得到两条分别位于大地坐标系的xoz面和yoz面上的曲线；
[0025]A5：将两条曲线进行整合，得到待检测隧道的轴线方向。
[0026]进一步的，两条曲线的整合方法为：
[0027]取xoz面上的曲线上任一的点(x
q
，z
q
)，取yoz面上的曲线同一z坐标上的点(y
q
，z
q
)，将点(x
q
，z
q
)和点(y
q
，z
q
)整合为(x
q
，y
q
，z
q
)，即能得到一条新的曲线，该新的曲线即为待检测隧道的轴线方向。
[0028]进一步的，步骤S3中待检测隧道的超欠挖量的计算方法为：
[0029][0030]其中，(x
xoy
,y
xoy
)为待检测隧道截面上围岩点云数据的轮廓坐标，(x
r
，y
r
)为同一待检测隧道截面上大地坐标系的圆心坐标，r0为隧道理论半径，d为围岩点云数据距离待检测隧道理论轮廓的值；
[0031]当d＞0时，即为待检测隧道在该区域内出现超挖，超挖值为|d|；当d＜0时，即为待检测隧道在该区域内出现欠挖，欠挖值为|d|；当d＝0时，待检测隧道在该区域内未出现超欠挖。
[0032]进一步的，步骤S5中厚度异常点的标记方法为：
[0033]初支的实际厚度T为隧道初支表面点云数据减去围岩点云数据，t为初支的设计厚度；
[0034]当T
‑
t<d<0时，将该处区域标记为厚度超薄异常点；
[0035]当d≤T
‑
t<0时，将该处区域标记为厚度较薄异常点；
[0036]当0<T
‑
t≤d时，将该处区域标记为厚度较厚异常点；
[0037]当0<d<T
‑
t时，将该处区域标记为厚度超厚异常点；
[0038]当T
‑
t＝0时，该处区域不会被标记为厚度异常点。
[0039]进一步的，步骤S6中每期对厚度异常点对应位置进行扫描后均建立隧道表面模型，隧道变形情况判断方法包括如下：
[0040]S61：将隧道表面模型沿中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于初支不等厚的隧道变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：使用激光扫描仪对待检测隧道围岩进行扫描，得到围岩点云数据；S2：对围岩点云数据进行坐标轴统一转换，得到待检测隧道的轴线方向；S3：根据待检测隧道的轴线方向计算得到隧道实际半径，利用隧道实际半径与隧道理论半径计算得到待检测隧道的超欠挖量；S4：待检测隧道初支施工完成后再次使用激光扫描仪扫描，得到隧道初支表面点云数据；S5：根据隧道初支表面点云数据和围岩点云数据建立隧道初支模型，并通过超欠挖量对隧道初支模型的厚度异常点进行标记；S6：待隧道完工后，对厚度异常点对应位置使用激光扫描仪进行若干期扫描检测，比较每期的监测数据得到待检测隧道表面变形情况。2.根据权利要求1所述的基于初支不等厚的隧道变形监测方法，其特征在于，所述步骤S2中对围岩点云数据进行坐标轴转换前需要进行预处理，围岩点云数据预处理包括点云去噪、点云抽稀或点云简化中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于初支不等厚的隧道变形监测方法，其特征在于，所述步骤S2中将围岩点云数据的坐标轴统一转换大地坐标轴，具体方法包括如下：A1：步骤S1中激光扫描仪对待检测隧道扫描前，使用全站仪对激光扫描仪进行定位，记全站仪原点为大地坐标系下的位置坐标为(x0，y0，z0)，并计算得到激光扫描仪的x轴方向向量(x1，y1，z1)和y轴方向向量(x2，y2，z2)；A2：将围岩点云数据的扫描坐标系转换为大地坐标系：围岩点云数据为激光扫描仪对待检测隧道分段扫描采集，记各段围岩点云数据的扫描坐标系的坐标为(x
i
'，y
i
'，z
i
')，记各段围岩点云数据的扫描坐标系对应的大地坐标系的坐标为(x
i
，y
i
，z
i
)，转换方法为：)，转换方法为：
其中，θ为扫描坐标系绕z轴旋转的角度，α为扫描坐标系绕x轴旋转的角度，γ为扫描坐标系绕y轴旋转的角度；T1为z轴方向旋转矩阵；T2为x轴方向旋转矩阵；T3为y轴方向旋转矩阵；A3：使用RANSAC算法将围岩点云数据在隧道截面上的圆心坐标进行拟合，将任一截面上的圆心坐标分别投影到大地坐标系的xoz面和yoz面上，并将所有截面的圆心坐标的投影点按隧道前进方向排序；A4：分别对大地坐标系的xoz面和yoz面上的投影点使用三次样条插值进行拟合得到两条分别位于大地坐标系的xoz面和yoz面上的曲线；A5：将两条曲线进行整合，得到待检测隧道的轴线方向。4.根据权利要求3所述的基于初支不等厚的隧道变形监测方法，其特征在于，所述两条曲线的整合方法为：取xoz面上的曲线上任一的点(x
q
，z
q
)，取yoz面上的曲线同一z坐标上的点(y
q
，z
q
)，将点(x
q
，z
q
)和点(y
q
，z
q
)整合为(x
q
，y
q
，z
q
)，即能得到一条新的曲线，该新的曲线即为待检测隧道的轴线方向。5.根据权利要求1所述的基于初支不等厚的隧道变形监测方法，其特征在于，所述步骤S3中待检测隧道的超欠挖量的计算方法为：其中，(x
xoy
,y
xoy
)为待检测隧道截面上围岩点云数据的轮廓坐标，(x
r
，y
r...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘大刚，王明年，王志龙，严志伟，赵大铭，吴全德，
申请(专利权)人：中国国家铁路集团有限公司中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：