一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法

摘要

本发明公开了一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，包括：获取TBM开挖过程中刀盘中心点的坐标，并根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型；获取TBM开挖过程中护盾后方洞壁围岩实测点云数据，并根据实测点云数据建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型；将理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型进行对比，计算洞壁围岩的塌方量。本发明相对于一般方法中通过设计曲线及轮廓参数建立的理想开挖轮廓曲面模型，本发明中建立的理想开挖轮廓曲面模型更接近于实际情况，能够进一步提高塌方量计算的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是隧道施工领域，特别涉及一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法。

背景技术

TBM(Tunnel Boring Machine)指的是隧道掘进机，TBM施工隧道在穿越软弱破碎地层时，易遭遇围岩松散破碎、岩体节理裂隙发育、地下水发育等不良地质现象，围岩完整性较差，自身稳定能力不足，施工过程中可能出现围岩塌方现象。围岩塌方现象轻则使TBM卡机，带来严重的人身财产损失，大幅增加施工成本、延误工期，重则造成人员伤亡和机械破坏，对施工安全危害性极大。

围岩塌方的有效检测，是进行围岩塌方处治的基础。目前，在钻爆法施工隧道中，隧道塌方量检测普遍采用全站仪等传统方法进行。通过现场实践发现，TBM护盾后方主机区域存在锚杆钻机、撑靴、主梁、皮带机等机械设备，主机区域可利用的空间较小，使用全站仪直接检测围岩塌方较困难，因此传统检测方法在TBM施工隧道中适应性不佳。另外，现有的塌方检测方法大多依靠设计曲线与设计断面参数建立设计开挖轮廓曲面模型，而TBM掘进过程中经常偏离设计曲线，使得传统塌方检测方法建立的设计开挖轮廓曲面模型与实际开挖轮廓曲面模型实际开挖轮廓曲面模型存在一定偏差，塌方量计算结果的准确性受到影响。

因此，需要一种更为简便有效的方法对TBM护盾后方洞壁围岩塌方进行检测。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，包括：

S100.获取TBM开挖过程中刀盘中心点的坐标，并根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型；

S200.获取TBM开挖过程中护盾后方洞壁围岩实测点云数据，并根据实测点云数据建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型；

S300.将理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型进行对比，计算洞壁围岩的塌方量。

进一步地，S100中，施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型的建立过程包括如下步骤：

S101.在TBM始发前，设置一个随TBM的刀盘移动的标记点，并测定刀盘中心点与标记点在施工坐标系下的相对位置关系R1；

S102.在TBM始发后，通过TBM激光导向系统测量标记点的坐标，并通过施工坐标系下的坐标转换关系R1获取刀盘中心点坐标(x

S103.在TBM掘进L

S104.重复步骤S103依次得到TBM掘进L

进一步地，S103中，理想开挖轮廓曲线C

S1031.建立以刀盘中心点坐标(x

S1032.建立以掘进L

S1033.求解S1031中所建立的球面方程和S1032中所建立的平面方程的交集获得理想开挖轮廓曲线C

进一步地，S101中的标记点设置在TBM的本体上。

进一步地，S200中，施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型的建立过程包括如下步骤：

S201.在TBM始发前，在TBM上安装随TBM的刀盘移动的点云采集装置，并测定刀盘中心点与点云采集装置在施工坐标系下的相对位置关系R2；

S202.在TBM掘进L

S203.根据施工坐标系下的坐标转换关系R2，将点云采集装置所采集到的点云数据转换至施工坐标系，形成L

S204重复步骤S202和S203，得到L

进一步地，点云采集装置安装于TBM护盾后方的主机区域内。

进一步地，S300中，洞壁围岩的塌方量的计算过程包括：

根据步骤S104中所获得的施工坐标系下的TBM施工理想开挖轮廓曲面模型，计算得到其所包含的体积V1；

根据步骤S204中所获得的施工坐标系下的TBM施工实际开挖轮廓曲面模型，计算得到其所包含的体积V2；

求解V1和V2之间的差值获得塌方量。

进一步地，S300中，洞壁围岩的塌方量的计算过程还包括：

建立以步骤S104中所获得的施工坐标系下的TBM施工理想开挖轮廓曲面模型为表面的三维实体A；

建立以步骤S204中所获得的施工坐标系下的TBM施工实际开挖轮廓曲面模型为表面的三维实体B；

通过布尔运算求解得到三维实体B-A，计算三维实体B-A的体积获得塌方量。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明所公开的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，在开挖过程中，获取刀盘中心点的坐标，并根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型，然后再通过点云采集装置获取护盾后方开挖后的洞壁围岩的实测点云数据，并根据所采集的实测点云数据建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型，通过对比理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型获取实际塌方量，能够准确地计算塌方量。本发明所公开的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，在获取理想开挖轮廓曲面模型时，将所需要的检测的区域分解为多个掘进段，每个掘进段获取掘进段起点和终点的刀盘中心点坐标后计算对应的理想开挖轮廓曲线，通过多个理想开挖轮廓曲线形成的理想开挖轮廓曲面模型准确性更高。本发明所公开的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，通过在TBM上设置标记点，并测定标记点与刀盘中心点的在施工坐标系下的相对位置关系R1，同时设置点云采集装置，并测定点云采集装置与刀盘中心点在施工坐标系下的相对位置关系R2，通过相对位置关系R1和相对位置关系R2进行坐标转换，能够使理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型在同一坐标系下进行表达，不仅能够提高所获得的塌方量的准确性，还能够简化塌方量的计算过程。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中，一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法的流程图；

图2为本发明实施例2中，施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型的建立流程图；

图3为本发明实施例2中，理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型三维示意图；

图4为本发明实施例2中，理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型横断面示意图。

附图标记：1-理想开挖轮廓曲面模型，2-实际开挖轮廓曲面模型。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法。

实施例1

一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，如图1，包括：

S100.获取TBM开挖过程中刀盘中心点的坐标，并根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型。

S200.获取TBM开挖过程中护盾后方洞壁围岩实测点云数据，并根据实测点云数据建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型；

S300.将理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型进行对比，计算洞壁围岩的塌方量。

在本实施例中，在开挖过程中获取刀盘中心点的坐标，再基于隧道设计开挖轮廓的参数，根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型，该理想开挖轮廓曲面模型能够反映在刀盘掘进过程中，未产生塌方时洞壁围岩的开挖轮廓曲面模型。同时获取开挖过程中护盾后方洞壁围岩的点云数据，建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型，该实际开挖轮廓曲面模型能够反映在刀盘掘进过后，护盾后方的洞壁围岩在实际情况下包含围岩塌方或未塌方的开挖轮廓曲面。通过对比理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型即可判断洞壁围岩的塌方区域并计算洞壁围岩的塌方量。该方法能够快速并准确的获取洞壁围岩的塌方量，并且能够随着TBM的掘进实时获知洞壁围岩的塌方情况。

更进一步的，所述S300中洞壁围岩的塌方量的计算，需要通过对S100中施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型与S200中施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型进行差集求解计算，得到塌方区域三维实体模型，再通过求解塌方区域三维实体模型体积获得塌方量。

通过对理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型进行差集求解，若护盾后方的洞壁围岩产生了塌方，则能够得到塌方区域三维实体模型，通过求解塌方区域三维实体模型的体积即可快速、准确的得到实际塌方量。

实施例2

为了更好理解本发明，本实施对一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法更为具体进行描述。

一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，包括：

S100.获取TBM开挖过程中刀盘中心点的坐标，并根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型。

具体的，如图2，S100中，施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型的建立过程包括如下步骤：

S101.在TBM始发前，设置一个随TBM的刀盘移动的标记点，并测定刀盘中心点与标记点在施工坐标系下的相对位置关系R1；

S102.在TBM始发后，通过TBM激光导向系统测量标记点的坐标，并通过施工坐标系下的坐标转换关系R1获取刀盘中心点坐标(x

S103.在TBM掘进L

S104.重复步骤S103依次得到TBM掘进L

在本实施例中，由于空间位置关系，激光导向系统中的全站仪无法直接测量刀盘中心点的坐标，通过设置一标记点，可以通过测量标记点的位置，从而将刀盘中心点的位置转化至施工坐标系下。标记点设置在激光靶中心点的位置上并且与TBM的本体固定连接，便于对标记点的测量。

具体的，S103中，理想开挖轮廓曲线C

S1031.建立以刀盘中心点坐标(x

S1032.建立以掘进L

S1033.求解S1031中所建立的球面方程和S1032中所建立的平面方程的交集获得理想开挖轮廓曲线C

同理，建立理想开挖轮廓曲线C

T1、建立以刀盘中心点坐标(x

T2、建立以掘进L

T3、求解步骤T1中所建立的球面方程和步骤T2中所建立的平面方程的交集获得理想开挖轮廓曲线C

在本实施中，L

S200.获取TBM开挖过程中护盾后方洞壁围岩实测点云数据，并根据实测点云数据建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型；

具体的，S200中，施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型的建立过程包括如下步骤：

S201.在TBM始发前，在TBM上安装随TBM的刀盘移动的点云采集装置，并测定刀盘中心点与点云采集装置在施工坐标系下的相对位置关系R2；

S202.在TBM掘进L

S203.根据施工坐标系下的坐标转换关系R2，将点云采集装置所采集到的点云数据转换至施工坐标系，形成L

S204重复步骤S202和S203，得到L

在本实施例中，将点云采集装置布置在护盾后方的主机区域内，通过点云采集装置所获得的点云数据能够反馈在TBM掘进后护盾后方洞壁围岩在塌方或未塌方状态下的实际状况，将所采集到的点云数据根据相对位置关系R2即可转换至施工坐标系下，从而便于对塌方量进行计算。

在本实施例中，刀盘中心点与标记点的相对位置关系R1、刀盘中心点的坐标转化至施工坐标系，以及刀盘中心与点云采集装置的相对位置关系R2、刀盘中心点的坐标转化至施工坐标系等过程，可以结合通过大地坐标系及多个辅助点的坐标进行转换计算，坐标系转化的具体的计算方法为现有技术，本实施例中就不再做详细的阐述。

S300.将理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型进行对比，计算洞壁围岩的塌方量。

具体的，如图,3和图4所示，对比所述理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型，计算洞壁围岩的塌方量。

具体来说，计算洞壁围岩的塌方量的方法有两种。

作为计算洞壁围岩的塌方量的方法之一，包括如下步骤：

①根据步骤S5中所获得的施工坐标系下的TBM施工理想开挖轮廓曲面模型，计算得到其所包含的体积V1；

②根据步骤T4中所获得的施工坐标系下的TBM施工实际开挖轮廓曲面模型，计算得到其所包含的体积V2；

③求解V1和V2之间的差值获得塌方量。

作为计算洞壁围岩的塌方量的方法之二，包括如下步骤：

①建立以步骤S5中所获得的施工坐标系下的TBM施工理想开挖轮廓曲面模型为表面的三维实体A；

②建立以步骤T4中所获得的施工坐标系下的TBM施工实际开挖轮廓曲面模型为表面的三维实体B；

③通过布尔运算求解得到三维实体B-A，计算三维实体B-A的体积获得塌方量。

本实施例所公开的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，在开挖过程中，获取刀盘中心点的坐标，并根据刀盘中心点的坐标建立施工坐标系下TBM施工理想开挖轮廓曲面模型，然后再通过点云采集装置获取护盾后方开挖后的洞壁围岩的实测点云数据，并根据所采集的实测点云数据建立施工坐标系下TBM施工实际开挖轮廓曲面模型，通过对比理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型获取实际塌方量，能够准确地计算塌方量。本发明所公开的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，在获取理想开挖轮廓曲面模型时，将所需要的检测的区域分解为多个掘进段，每个掘进段获取掘进段起点和终点的刀盘中心点坐标后计算对应的理想开挖轮廓曲线，通过多个理想开挖轮廓曲线形成的理想开挖轮廓曲面模型准确性更高。本发明所公开的一种TBM护盾后方洞壁围岩塌方检测方法，通过在TBM上设置标记点，并测定标记点与刀盘中心点的在施工坐标系下的相对位置关系R1，同时设置点云采集装置，并测定点云采集装置与刀盘中心点在施工坐标系下的相对位置关系R2，通过相对位置关系R1和相对位置关系R2进行坐标转换，能够使理想开挖轮廓曲面模型和实际开挖轮廓曲面模型在同一坐标系下进行表达，不仅能够提高所获得的塌方量的准确性，还能够简化塌方量的计算过程。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。

对于软件实现，本申请中描述的技术可用执行本申请功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。