[发明专利]一种基于激光点云的隧道超欠挖数值计算方法

说明书

本发明提供一种基于激光点云的隧道超欠挖数值计算方法，包括以下步骤：获取隧道断面轮廓的设计图，并建立平面坐标系；计算各圆弧段的圆心坐标、半径和起始的坐标方位角；获取隧道断面轮廓的激光点云数据，并将激光点云数据转换至平面坐标系中；计算出各激光点云数据的坐标方位角，并获得该激光云数据所在圆弧段，通过独特表达式计算出该激光点云数据的超欠挖数值。本发明计算过程精简，能够快速获得结果；能够准确地获取该激光云数据所处的位置和准确的超欠挖数值，为隧道施工质量提供有效保障。

背景技术

在隧道施工和运营阶段，隧道变形监测都发挥重要作用。一方面，隧道变形监测是隧道信息化施工的重要组成部分，是反馈围岩和结构动态变化趋势、优化支护参数、保证施工安全的重要手段。另一方面，隧道变形监测也是隧道健康监测的重要组成部分，对于实时评估隧道结构的安全状况，及时实施安全预警，最大限度延长隧道的使用年限具有重要作用。隧道超欠挖控制是隧道施工监控量测的重要内容，如果超挖严重增大了开挖面积会使隧道掌子面稳定性下降，容易导致隧道失稳，而出现欠挖会使隧道衬砌厚度达不到设计要求，留下质量安全隐患。因此，隧道开挖情况控制也是保障隧道施工安全，确保隧道施工质量的重要举措。

传统的隧道断面超欠挖测量，主要使用全站仪、断面仪等测量仪器进行逐点、逐断面的测量。这种测量方法存在以下缺点：1)操作繁复、耗时费力，人为因素对量测精度的影响较大；2)环境复杂，不良因素众多，测量的可靠度和灵敏度不高；3)测量点位有限，很难准确反映整个断面的变形状态。

李海波等发表了《基于三维激光扫描的隧洞开挖衬砌质量检测技术及其工程应用》的文章，此文计算的是超欠挖方量，具体是先将实测数据与设计数据都建立成三维模型，然后对两个模型进行逻辑运算得到超欠挖部分的三维模型，从而得到超欠挖方量，该方法不能得到每一点的具体数值。

方成龙等发表了《利用CAD二次开发程序计算超欠挖的研究》，此文计算的是超欠挖的面积，主要是通过几何方法求得三角形的顶点坐标，再求超欠挖面积，无法获得具体点的超欠挖情况。

由此可见，急需一种能够简单的、高效的、精确的计算超欠挖数值的方法具有重要意义。

技术领域

本发明涉及隧道工程安全监测技术领域，特别地，涉及一种基于激光点云的隧道超欠挖数值计算方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够简单的、高效的、精确的计算超欠挖数值的方法，详情如下：

一种基于激光点云的隧道超欠挖数值计算方法，包括以下步骤：

获取隧道断面轮廓的设计图，并建立平面坐标系；计算各圆弧段的圆心坐标、半径和起始的坐标方位角；

获取隧道断面轮廓的激光点云数据，并将激光点云数据转换至平面坐标系中；计算出每个激光点云数据的坐标方位角，并获得第k激光云数据所在的第i个圆弧段，通过表达式1)计算出第k激光点云数据的超欠挖数值：

其中：d_k为第k激光点云数据的超欠挖数值，x_i为第k激光点云数据所在第i个圆弧段的圆心的横坐标，y_i为第k激光点云数据所在第i个圆弧段的圆心的纵坐标，x_k为第k激光点云数据的横坐标，y_k为第k激光点云数据的纵坐标，R_i为第k激光点云数据所在第i个圆弧段的半径。

以上技术方案中优选的，所述平面坐标系具体是：取隧道拱顶所在圆为主圆，X轴为过主圆圆心且与起拱线平行的水平直线，Y轴为与隧道中心线重合的直线。

以上技术方案中优选的，所述坐标方位角的取值范围为[-π,π]，坐标方位角通过表达式2)计算得到：