[发明专利]一种基于点云数据提取盾构隧道管片张开量的方法

说明书

本发明公开了一种基于点云数据提取盾构隧道管片张开量的方法，属于隧道工程测量技术领域。该方法通过已知平面截取隧道断面，根据空间圆柱体与平面相交的空间关系提取不同环数的横断面点云，根据散点图的横坐标测量相邻管片拼接处纵缝的弧长大小，将其与管片设计嵌缝宽度的差值来判断管片张开量的大小。本发明的优点是，基于三维激光点云数据利用空间切割理论提取盾构隧道的横断面，该方法较为简单、高效率、高精度、充分利用海量点云原始数据等优点，通过后处理可以快速准确的得到隧道任意里程横断面下的衬砌管片张开量。

技术领域

本发明属于隧道工程测量技术领域，具体涉及一种基于点云数据提取盾构隧道管片张开量的方法。

背景技术

根据中国城市轨道交通协会数据显示，截至2018年底，中国大陆地区(不含港澳台)共有35个城市开通城市轨道交通运营线路185条，运营线路总长度5761.4公里，在建线路总规模6374公里，同比增长2％。在6374公里的在建线路中，地铁5315.6公里，占比83.4％；而盾构隧道作为地铁工程的重要组成部分，极易在刚度较小的管片接缝位置出现漏水漏砂事故，如上海金山引水隧道，曾发生由于隧道曲率过大，导致管片张开量过大从而在隧道底部发生漏水漏砂。因而在盾构地铁管片安装、竣工、以及运营维护过程中，必须进行盾构隧道衬砌错台与接缝防水的测量，而接缝漏水漏沙主要与管片张开量有关，使其能够符合规范规定、竣工顺利验收，保证地铁运营期间的安全。

传统的地铁隧道结构健康检测大多采用全站仪、钢尺、三角板等测量仪器与人工作业配合相结合的方法，盾构隧道在施工、竣工验收以及运营期的测量工作量大以及传统测量方法观测劳动强度高，观测精度受到观测条件和作业人员的素质高低的影响，并且监测的断面为离散点、实测断面数量有限、且精度受光线影响较大等等。因此需要一种高精度、高效率、智能化的测量方式，三维激光扫描技术三维激光扫描仪无接触测量，能高密度、高分辨率地获取扫描隧道的海量点云数据，对光线条件没有要求，并且可以一次性快速、完整、全方位地采集隧道内部的数据，通过后处理可以得到隧道任意环数的管片张开量。

目前众多学者对三维激光扫描在盾构隧道中的应用进行了大量的研究，如王博群、朱宁宁、郭春生等学者，前者基于空间法向量算法提取断面，但对于隧道横断面的提取过于复杂，计算时间较长，对计算机配置要求很高，计算向量分量时必须对点云进行稀释，没有充分高精度的海量点云数据。朱宁宁学者通过点云在水平面上投影后搜索的上下边缘点分别拟合二次曲线求均值得隧道中轴线，然后以中轴线正交方向截取断面，但是空间点云数据需经过多次投影以及线性拟合。郭春生学者提出根据三维激光扫描获取的隧道内壁正射影像提取相邻管片之间的纵缝，来计算隧道的错缝错台量，但是该算法受点云噪点的影响较大。而且众多学者针对隧道施工及竣工过程中衬砌管片张开量的研究较少。针对上述的不足之处，本文提出一种高精度、高效率的盾构隧道施工、竣工及其运营期间检测衬砌管片张开量的方法。

发明内容

本发明旨在提供一种简单、快速而又准确的提取盾构隧道断面与管片张开量的方法，用于指导盾构隧道施工和竣工验收以及运营期的维护。

为了达到上述目的，本发明提出一种基于点云数据提取盾构隧道管片张开量的方法，该方法包括以下步骤：

第一步：点云数据获取

获取完整、高质量的隧道点云数据是提取管片张开量的工作基础。由于隧道的狭长结构，通常每站的有效的点云数据只有几十米。所以为了保证获取充足的点云数据来提取隧道断面，在几公里甚至几十公里的隧道中需要分站式获取数据。然后通过标靶拼接获取整个隧道的点云数据。然而测站间距和扫描分辨率是影响点云质量的两个重要因素。因此，为获取较为精确的点云数据，对于站式三维激光扫描仪，需要选取合理的测站间距和扫描分辨率。

第二部:点云数据的噪点处理