1.本發(fā)明涉及一種隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法及存儲介質(zhì)，屬于隧道工程施工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2.在現(xiàn)有隧道挖掘的施工方法中，無論是tbm(利用巖石隧道掘進在巖石層中暗挖隧道的一種施工方法)，還是鉆爆法機械開挖，初期支護對于保證周圍巖石的穩(wěn)定性、保障人員和隧道掘進裝備的安全性具有重要意義。噴漿作為初期支護的一個重要手段，現(xiàn)有噴漿量計算方法依賴于人為經(jīng)驗判斷，且不同圍巖條件下隧道輪廓的噴漿量差異較大。即使在同一圍巖條件下，受隧道掘進裝備開始挖掘的擾動、巖壁局部裂隙發(fā)育情況的影響，不同區(qū)域處隧道輪廓的超挖量或是欠挖量也不盡相同。因此，實際的隧道輪廓噴漿量也不相同。如果實際的隧道噴漿量過多，則增加了施工成本、工期，從而造成資源的極大浪費；如果實際的隧道噴漿量不滿足巖壁初期支護要求，容易誘發(fā)巖壁塌陷、工程設(shè)備損壞及人員傷亡。因此，準確地獲取隧道輪廓噴漿量對于降低施工成本、提高隧道巖壁初期支護的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

3.本發(fā)明的目的在于提供一種隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法及存儲介質(zhì)，用于解決現(xiàn)有隧道掘進裝備噴漿量計算方法依賴于人為經(jīng)驗估計且不同區(qū)域處隧道輪廓的的噴漿量難以準確計算的問題。

4.為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種隧道掘進裝備噴漿量計算方法，包括如下步驟：

5.1)對隧道臨空面進行掃描，獲取隧道輪廓點云數(shù)據(jù)；

6.2)根據(jù)預(yù)先獲得的隧道樁號及對應(yīng)的隧道軸心點坐標，獲得隧道軸線點坐標矩陣；

7.3)對每個隧道軸線點，將其對應(yīng)的隧道斷面所在平面上的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)劃分為若干個曲面單元；

8.4)提取各個隧道斷面上待計算噴漿量的曲面單元，根據(jù)各個隧道斷面的隧道軸線點坐標及其對應(yīng)的待計算噴漿量的曲面單元的點云數(shù)據(jù)，計算每個隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元的待噴漿量；沿著隧道軸線方向，對各個隧道軸線點所對應(yīng)的隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元的待噴漿量進行累加求和，獲得單位隧道長度的隧道噴漿量。

9.本發(fā)明提供了一種隧道掘進裝備噴漿量的自動精確計算方法，現(xiàn)有隧道掘進裝備噴漿量計算方法依賴于人為經(jīng)驗估計且不同區(qū)域處隧道輪廓的噴漿量難以準確計算。本發(fā)明方法的步驟為：獲取初期支護段隧道輪廓的三維點云數(shù)據(jù)，并進行降噪處理；根據(jù)隧道樁號與對應(yīng)軸心點坐標，獲取相鄰兩個樁號之間的隧道軸線方程和軸線坐標矩陣；對預(yù)處理后初期支護段的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)，沿著隧道軸線方向?qū)⑺淼垒喞狞c云數(shù)據(jù)劃分為n個

曲面單元；根據(jù)稀疏化后初期支護段的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)、軸線坐標矩陣c，沿著隧道軸線方向逐個對曲面單元質(zhì)心點計算噴漿量。本發(fā)明可實現(xiàn)隧道輪廓噴漿量的精準計算，且計算效率高效，適用于tbm法施工裝備、鉆爆法隧道機械化施工裝備。

10.進一步的，步驟3)中，還對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行稀疏化處理，獲取曲面單元的質(zhì)心點數(shù)據(jù)，以曲面單元的質(zhì)心點數(shù)據(jù)代表該曲面單元的點云數(shù)據(jù)。

11.本發(fā)明對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行稀疏化處理，以曲面單元的質(zhì)心點代表曲面單元的點云數(shù)據(jù)，從而減少后續(xù)噴漿量的計算成本。

12.進一步的，采用體素下采樣方法對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行稀疏化處理。

13.進一步的，步驟4)中，提取各個隧道斷面上待計算噴漿量的曲面單元的方法為，該隧道斷面所在平面上，距離對應(yīng)的隧道軸線點設(shè)定范圍內(nèi)的質(zhì)心點數(shù)據(jù)所對應(yīng)的曲面單元，為該隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元。

14.進一步的，所述設(shè)定范圍為以該隧道斷面上的隧道軸線點為圓心、隧道斷面提取半徑為半徑的圓形范圍；所述隧道斷面提取半徑大于隧道設(shè)計半徑兩倍。

15.提取隧道斷面所在平面上以隧道軸線點為圓心，兩倍于隧道設(shè)計半徑的長度為半徑的圓的范圍內(nèi)的質(zhì)心點數(shù)據(jù)曲面單元，保證噴漿量計算準確。

16.進一步的，每個斷面單元的待噴漿量的計算方法為：

[0017][0018]

其中，為第k個隧道軸線點所在隧道斷面的第i個曲面單元的噴漿量，為第k個隧道軸線點坐標，為第k個隧道軸線點所在隧道斷面的第i個曲面單元的質(zhì)心點坐標，l2為曲面單元的面積，r為隧道設(shè)計半徑。

[0019]

進一步的，步驟1)中，對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行降噪處理，剔除隧道濾波輪廓之外的噪聲數(shù)據(jù)。

[0020]

進一步的，所述隧道濾波輪廓的下限為0.5～0.9倍的隧道設(shè)計半徑，上限為1.1～1.5倍的隧道設(shè)計半徑。

[0021]

進一步的，步驟2)中，采用線性插值法獲得隧道軸線點坐標矩陣。

[0022]

本發(fā)明的一種計算機存儲介質(zhì)，所述計算機存儲介質(zhì)儲存有實現(xiàn)如上所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法的計算機程序。

附圖說明

[0023]

圖1為本發(fā)明隧道掘進裝備噴漿量計算方法的流程圖；

[0024]

圖2為隧道掘進裝備噴漿量自動計算結(jié)果的可視化效果。

具體實施方式

[0025]

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。所述實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本鄰域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

[0026]

方法實施例：

[0027]

如圖1所示，一種隧道掘進裝備噴漿量通用化自動計算方法，其步驟如下：

[0028]

s1、通過激光掃描儀對初期支護(對隧道側(cè)壁及周邊環(huán)境采用的支檔、加固與保護措施)后的隧道輪廓進行掃描，獲取原始的激光點云數(shù)據(jù)，對激光點云數(shù)據(jù)進行點云數(shù)據(jù)降噪處理，剔除隧道輪廓之外的點云數(shù)據(jù)；

[0029]

s1.1、利用激光掃描儀對初期支護后的隧道輪廓進行掃描，獲取原始的三維點云數(shù)據(jù)，包含x/y/z/intensity數(shù)據(jù)；

[0030]

s1.2、根據(jù)預(yù)先設(shè)計的隧道半徑r及濾波尺度因子α、β，計算出點云濾波半徑：r1＝α

·

r、r2＝β

·

r，其中，r1為小尺度濾波半徑，r2為大尺度濾波半徑，α為小尺度濾波因子，通常取0.5～0.9，β為大尺度濾波因子，通常取1.1～1.5。如果隧道點云數(shù)據(jù)處于小尺度濾波半徑r1、大尺度濾波半徑r2之間，則保留原始點云數(shù)據(jù)；否則，剔除隧道輪廓之外的非目標點云數(shù)據(jù)(噪聲)，獲取降噪后隧道輪廓點云數(shù)據(jù)。

[0031]

s2、根據(jù)預(yù)先獲得的隧道樁號與對應(yīng)軸心點坐標(x

axis1

，y

axis1

，z

axis1

)、(x

axis2

，y

axis2

，z

axis2

)，對相鄰兩個樁號所對應(yīng)的相鄰的兩個隧道軸心點之間進行線性插值擬合，獲取相鄰兩個樁號之間的隧道軸線方程和軸線坐標矩陣；

[0032]

s2.1、根據(jù)相鄰隧道樁對應(yīng)的隧道軸心點坐標(x

startpoint

，y

startpoint

，z

startpoint

)、(x

endpoint

，y

endpoint

，z

endpoint

)，計算相鄰隧道軸心點坐標在x軸/y軸/z軸方向的坐標增量：

[0033]

δx＝x

endpoint

?

x

startpoint

[0034]

δy＝y(tǒng)

endpoint

?

y

startpoint

[0035]

δz＝z

endpoint

?

z

startpoint

[0036]

s2.2、根據(jù)隧道軸心點坐標及其坐標增量，獲取相鄰兩個隧道樁之間的隧道軸線方程：

[0037][0038]

式中，(x，y，z)為相鄰兩個軸心點(x

startpoint

，y

startpoint

，z

startpoint

)、(x

endpoint

，y

endpoint

，z

endpoint

)之間線性插值點的坐標。

[0039]

s2.3、設(shè)線性插值點的間隔d

spacing

，根據(jù)步驟s2.2中隧道軸線方程計算軸線點坐標獲取相鄰兩個隧道樁之間的隧道軸線坐標矩陣

[0040][0041][0042][0043]

式中，為相鄰兩個隧道軸心點之間第k個線性插值點的軸線點坐標，m為相鄰兩個隧道軸心點之間通過線性插值擬合后軸線點的數(shù)量。

[0044]

s3、對初期支護段的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理之后，沿著隧道徑線方向在插值后的各個隧道軸線點所對應(yīng)的隧道斷面所在平面上將隧道輪廓點云數(shù)據(jù)劃分為n個曲面單元。本發(fā)明采用體素下采樣方法對預(yù)處理后初期支護段的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行稀疏化處理，體素下采樣方法是通過輸入的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個體素柵格，然后在每個體素內(nèi)，用體

素內(nèi)中所有點的質(zhì)心來近似代表體素內(nèi)其他點，這樣該體系內(nèi)所有點就用一個質(zhì)心點來最終表示。處理后獲取稀疏化后隧道輪廓內(nèi)曲面單元的質(zhì)心點數(shù)據(jù)集，以曲面單元的質(zhì)心點代表曲面單元的點云數(shù)據(jù)，從而減少后續(xù)噴漿量的計算工作。其中，體素下采樣方法中參數(shù)leafsize＝l*l代表每個曲面單元的尺寸，通常leafsize尺寸設(shè)置為35cm*35cm。

[0045]

s4、根據(jù)稀疏化后初期支護段的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)、隧道軸線坐標矩陣c，沿著隧道軸線方向逐個對曲面單元質(zhì)心點計算噴漿量，具體步驟如下：

[0046]

s4.1、根據(jù)實際隧道挖掘的隧道斷面半徑r3、隧道軸線坐標矩陣c中的軸線點坐標，提取軸線點所對應(yīng)隧道斷面的曲面單元質(zhì)心點數(shù)據(jù)，如果稀疏化后初期支護段的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)處于以軸線點坐標為圓心、r3為半徑的圓面上，則視為軸線點所對應(yīng)隧道斷面的曲面單元質(zhì)心點數(shù)據(jù)，其中r3＝2r；其意義在于提取到的質(zhì)心點的點云數(shù)據(jù)是以隧道設(shè)計半徑r的兩倍為基礎(chǔ)，保證隧道斷面上噴漿所關(guān)注的所有曲面單元都能夠被納入計算。

[0047]

s4.2、根據(jù)隧道軸線點坐標及其對應(yīng)隧道斷面的曲面單元質(zhì)心點數(shù)據(jù)，計算每個曲面單元的噴漿量：

[0048][0049]

式中，為第k個軸線點所在隧道斷面的第i個曲面單元的噴漿量，為第k個軸線點坐標，為第k個軸線點所在隧道斷面的第i個曲面單元的質(zhì)心點坐標，l2為每個曲面單元質(zhì)心點所代表的曲面單元面積，r為隧道設(shè)計半徑。

[0050]

s4.3、如圖2所示，沿著隧道軸線方向，對曲面單元的待噴漿量進行累加求和，獲取相鄰兩個隧道樁號之間初期支護段隧道輪廓的噴漿量volume：

[0051][0052]

式中，m為相鄰兩個隧道軸心點之間通過線性插值后軸線點的數(shù)量，n

k

為第k個軸線點所在隧道斷面的曲面單元劃分數(shù)量，且滿足

[0053]

計算機存儲介質(zhì)實施例

[0054]

計算機存儲介質(zhì)，儲存有隧道掘進裝備噴漿量計算方法的程序，隧道掘進裝備噴漿量計算方法的程序被至少一個處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)隧道掘進裝備噴漿量的計算。隧道掘進裝備噴漿量計算方法已在方法實施例中介紹的足夠清楚，本實施例不再贅述。

[0055]

本實施例所稱的介質(zhì)是，存儲有計算機程序指令的可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備。例如，可以是單片機或工控機，和/或是其他獨立的存儲器、內(nèi)存儲器。上述介質(zhì)還可以是一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可讀存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd

?

rom、光學存儲器等)。技術(shù)特征：

1.一種隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，包括如下步驟：1)對隧道臨空面進行掃描，獲取隧道輪廓點云數(shù)據(jù)；2)根據(jù)預(yù)先獲得的隧道樁號及對應(yīng)的隧道軸心點坐標，獲得隧道軸線點坐標矩陣；3)對每個隧道軸線點，將其對應(yīng)的隧道斷面所在平面上的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)劃分為若干個曲面單元；4)提取各個隧道斷面上待計算噴漿量的曲面單元，根據(jù)各個隧道斷面的隧道軸線點坐標及其對應(yīng)的待計算噴漿量的曲面單元的點云數(shù)據(jù)，計算每個隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元的待噴漿量；沿著隧道軸線方向，對各個隧道軸線點所對應(yīng)的隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元的待噴漿量進行累加求和，獲得單位隧道長度的隧道噴漿量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，步驟3)中，還對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行稀疏化處理，獲取曲面單元的質(zhì)心點數(shù)據(jù)，以曲面單元的質(zhì)心點數(shù)據(jù)代表該曲面單元的點云數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，采用體素下采樣方法對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行稀疏化處理。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，步驟4)中，提取各個隧道斷面上待計算噴漿量的曲面單元的方法為，該隧道斷面所在平面上，距離對應(yīng)的隧道軸線點設(shè)定范圍內(nèi)的質(zhì)心點數(shù)據(jù)所對應(yīng)的曲面單元，為該隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，所述設(shè)定范圍為以該隧道斷面上的隧道軸線點為圓心、隧道斷面提取半徑為半徑的圓形范圍；所述隧道斷面提取半徑大于隧道設(shè)計半徑。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，每個斷面單元的待噴漿量的計算方法為：其中，為第k個隧道軸線點所在隧道斷面的第i個曲面單元的噴漿量，為第k個隧道軸線點坐標，為第k個隧道軸線點所在隧道斷面的第i個曲面單元的質(zhì)心點坐標，l2為曲面單元的面積，r為隧道設(shè)計半徑。7.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，步驟1)中，對隧道輪廓點云數(shù)據(jù)進行降噪處理，剔除隧道濾波輪廓之外的噪聲數(shù)據(jù)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，所述隧道濾波輪廓的下限為0.5～0.9倍的隧道設(shè)計半徑，上限為1.1～1.5倍的隧道設(shè)計半徑。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法，其特征在于，步驟2)中，采用線性插值法獲得隧道軸線點坐標矩陣。10.一種計算機存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機存儲介質(zhì)儲存有實現(xiàn)如權(quán)利要求1～9任一項所述的隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法的計算機程序。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種隧道掘進裝備噴漿量通用化計算方法及存儲介質(zhì)，方法包括如下步驟：1)對隧道臨空面進行掃描，獲取隧道輪廓點云數(shù)據(jù)；2)根據(jù)預(yù)先獲得的隧道樁號及對應(yīng)的隧道軸心點坐標，獲得隧道軸線點坐標矩陣；3)對每個隧道軸線點，將其對應(yīng)的隧道斷面所在平面上的隧道輪廓點云數(shù)據(jù)劃分為若干個曲面單元；4)提取各個隧道斷面上待計算噴漿量的曲面單元，根據(jù)各個隧道斷面的隧道軸線點坐標及其對應(yīng)的待計算噴漿量的曲面單元的點云數(shù)據(jù)，計算每個隧道斷面的待計算噴漿量的曲面單元的待噴漿量；最終實現(xiàn)隧道輪廓噴漿量的精準計算。最終實現(xiàn)隧道輪廓噴漿量的精準計算。最終實現(xiàn)隧道輪廓噴漿量的精準計算。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭贏豪 荊留杰 賈正文 趙嚴振 游宇嵩 徐受天 ?？仔?李鵬宇 陳帥 孫森震 時洋 鞠翔宇 王永勝 徐劍安 劉濤

受保護的技術(shù)使用者：中鐵工程裝備集團有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.07.14

技術(shù)公布日：2021/11/23