[发明专利]一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法

权利要求书

1.一种基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：所述基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法包括如下步骤：

步骤1、使用三维激光扫描仪对地下洞室开挖围岩进行多次扫描，收集开挖岩壁的点云数据；

步骤2、对扫描获取的点云进行除噪、拼接、合并处理，建立地下洞室轮廓完整的点云数据；

步骤3、对处理后的点云数据进行模型重构处理，获得洞室开挖岩壁的真实的三维模型；

步骤4、采用积分方式获得围岩超欠挖量，即将洞室模型沿洞轴线离散成各个微小洞段，总超欠挖量等于所有微小洞段超欠挖量的累积和。

2.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤2中，采用点云处理软件对扫描获取的点云进行处理。

3.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤3中，采用Delaunay三角网建模法对处理后的点云数据进行模型重构处理。

4.根据权利要求1所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤4中，对于每一个微小洞段，其超欠挖量ΔV可以用下式计算：

ΔV＝ΔZ∑ΔS (1)

式中，ΔZ表示微小洞段的长度，ΔS表示微小洞段特征断面的超欠挖面积的微分；

其中：ΔS可用下式求解：

式中Δl₁、Δl₂分别表示洞室设计和实际开挖轮廓线的任意微小弧长；D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；

Δl₁、Δl₂可以用下式来求解

Δl₁＝R(θ)*Δθ，Δl₂＝(R(θ)+D(θ))*Δθ (3)

式中，R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值；

则微小洞段特征断面的超欠挖面积S可以用下式来表示：

超欠挖量V可以进一步表示为：

因此，采用积分法即可求解超欠挖量：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。

5.根据权利要求4所述的基于三维激光扫描的地下洞室围岩超欠挖量的快速测量方法，其特征在于：步骤4中，考虑到实际地下洞室的设计断面大多都不是标准圆形，尤其是实际开挖断面的轮廓线是凹凸不平的，因此D(θ)、R(θ)都是关于θ的非连续函数，且在实际计算过程中需要将超挖量、欠挖量分开来分别计算；为了降低计算难度，可以采用有限差分来代替微分，则超挖量V_超、欠挖量V_欠可以分别用下式来计算：

式中，Z₀表示开挖洞室的长度，D(θ)表示设计轮廓线到实际开挖轮廓线之间的距离，当实际开挖轮廓线在设计轮廓线以外时量值为正，代表超挖，在设计轮廓线以内时量值为负，代表欠挖；R(θ)表示角度为θ时该处设计轮廓线的半径值。