一種圓形隧道收斂變形的測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及隧道變形監測技術領域，尤其是涉及一種圓形隧道收斂變形的測量方 法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著我國城市化進程的快速發展，為了解決大城市的交通擁堵問題，各大 城市正在大力發展城市軌道交通工程。除了地鐵隧道，我國的公路隧道修筑規模也不斷擴 大，目前公路隧道正以年均350公里的速度遞增。在隧道的建設階段和運營階段，變形監測 都是不可或缺的。由于隧道處在條件復雜的巖土介質當中，地層與結構的相互作用機理并 不明確，因而目前仍然沒有比較完善的隧道結構設計理論。
[0003] 目前常用的隧道變形測量技術有收斂計、大地測量、巴塞特收斂系統。這些技術雖 然有較高的精度，但測量效率較低，同時只能獲取少量的測點數據，無法全面反映隧道的變 形。如果為了反映整條隧道的變形狀態，則需要以非常密集的間隔布設監測斷面，雖然在技 術上是可行的，但其成本將非常昂貴。
[0004] 中國專利CN102878975A公開了 一種隧道收斂變形監測方法，在選定的隧道橫斷 面上沿襯砌環向布設若干錨固點，并以這些錨固點作為監測參考點；在每兩個相鄰錨固點 之間依次用一個剛性的、具有標準長度的測量安裝臂和一個滑動套筒連接，在測量安裝臂 上安裝一個傾角傳感器，同時在測量安裝臂與滑動套筒之間安裝一支振弦式變位計；再將 上述形成的系統組件的兩個自由端分別通過錨點鉸支座對應錨固于襯砌上相鄰的兩個錨 固點上；并以此法形成若干系統組件連續環向鏈接下去，直至達到觀測設計要求的單元數； 實現監測方法簡單，成本低廉，設備占用隧道截面積小，能實現更高精度的監測。該專利存 在只能獲取少量的測點數據，無法全面反映整個隧道的變形的缺陷。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種圓形隧道收斂 變形的測量方法，能夠快速高效地獲取圓形隧道的收斂變形，無需布設監測點，減少對于隧 道結構的干擾，測量效率非常高，并且能夠獲取隧道三維收斂變形，為施工和運營期的隧道 提供了全面的監測數據。
[0006] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0007] 一種圓形隧道收斂變形的測量方法，包括：
[0008] 步驟Sl :沿隧道長度方向布設多個激光掃描測站，建立由三維激光掃描儀確定的 參考坐標系，每一激光掃描測站之間設立至少3個公共的工作基點，三維激光掃描儀獲取 每一激光掃描測站的工作基點坐標以及隧道點云；
[0009] 步驟S2 :以步驟Sl中工作基點作為拼接基準點，將步驟Sl中所有激光掃描測站 的隧道點云歸并到一個統一的參考坐標系中，獲得隧道三維點云，并按照管節將隧道三維 點云分割為多環管節的點云；
[0010] 步驟S3 :根據改進的圓柱面擬合算法將步驟S2中一環管節的點云擬合為圓柱面 并提取管節軸線點坐標，圓柱面根據管節軸線點坐標進行坐標變換和降噪處理后，沿管節 軸線方向投影到平面上獲得二維的隧道點云輪廓線，根據橢圓擬合算法將二維的隧道點云 輪廓線擬合為用于表示隧道的橫斷面收斂變形的橢圓，將橢圓上任意一點距離圓心的數值 與隧道標準圓半徑進行數值比對，求取兩者差值，即得到了該處對應的管節收斂變形值；
[0011] 步驟S4 :根據平面應變條件，將步驟S3中橢圓沿軸線拓展成三維的橢圓柱面，該 橢圓柱面表示一環管節的收斂變形，由多環管節對應的橢圓柱面獲得整個隧道的三維收斂 變形。
[0012] 所述步驟Sl中每一激光掃描測站之間的間距由隧道半徑決定，隧道半徑越小則 激光掃描測站間距越小。
[0013] 所述步驟S2中隧道三維點云分割在點云后處理軟件中進行，點云后處理軟件刪 除與管節距離大于設定值的點。
[0014] 所述點云后處理軟件為 Cylone、Polyworks、Realworks Survey、Geomagic 中的任 意一種。
[0015] 所述步驟S3中根據最小二乘法進行圓柱面的擬合，通過最小二乘法獲取五個待 定參數y(l、 Z(l、λ、Ρ、R，根據五個待定參數將點云擬合為圓柱面，其中，y(|為管節軸線上固 定點的y軸坐標，Z tl為管節軸線上固定點的z軸坐標，λ為管節軸線方向單位向量投影到 xy平面后與X軸的夾角，K為管節軸線方向單位向量與xy平面之間的夾角，R為待擬合的 圓柱面半徑。
[0016] 所述步驟S3中圓柱面的擬合具體為：刪除殘差大于設定值的點云，再對點云進行 均勻抽稀，再以100個點云進行圓柱面擬合，將此擬合結果作為一個初始值再對一環管節 的點云進行圓柱面擬合。
[0017] 所述步驟S3中圓柱面根據管節軸線點坐標進行坐標變換包括：圓柱面向繞Z軸旋 轉，再繞y軸旋轉，最終通過平移使管節軸線與X軸重合，并使直角坐標系原點位于管節軸 線上。
[0018] 所述步驟S3中圓柱面根據軸線點坐標進行降噪處理具體為：坐標變換后將直角 坐標系轉換為柱坐標系，再基于誤差分布的統計方法刪除噪聲點。
[0019] 所述基于誤差分布的統計方法刪除噪聲點具體為：管節以Γ為區間分為360組， 針對每一組點云數據，求取這組點云數據在柱坐標系下的徑向坐標的標準差，再將每個點 的徑向坐標減去隧道內徑得到的差值與標準差進行比較，將差值大于3倍標準差的點作為 噪聲點，將其刪除。
[0020] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0021] 1)本發明采用三維激光掃描技術進行非接觸測量，無需在現場布置監測點，即可 快速測量隧道的三維坐標，減少對于隧道結構的干擾，測量效率非常高。
[0022] 2)本發明通過標靶拼接技術，將從不同測站掃描得到的隧道坐標歸并到統一坐標 系中，從而能夠獲取完整的隧道點位坐標，大量的測點數據可全面反映隧道的變形。
[0023] 3)本發明提出了一套激光掃描數據處理的算法，對隧道進行三維建模，從而能夠 準確地測量圓形隧道的收斂變形，為施工和運營期的隧道提供了全面的監測數據。
[0024] 4)本發明中設計了圓柱面的擬合步驟，在刪除殘差較大的點云之后進行圓柱面擬 合，有效的提升精度；對要進行擬合的管節點云，運用點云后處理軟件進行均勻抽稀，對抽 稀后的點云進行圓柱面擬合，保證精度的同時節省了計算時間；首先以100個點云進行圓 柱面擬合，將此擬合結果作為一個初始值再對大量的點云進行圓柱面擬合，這樣有效的節 省了算法的時間。
[0025] 5)本發明對分割完畢之后的每個管節點云利用點云后處理軟件中點云框選工具 選取距離管節較遠的點，將其視為噪聲點刪除，同時對坐標變換后的圓柱面進行降噪處理， 因為此時降噪處理需要刪除距離管片很近的噪聲點，這些點無法通過人工框選方式刪除， 所以采用基于誤差分布的統計方法來刪除噪聲點，以此達到降噪的目的，提供數據的精準 度。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明所示的圓形隧道收斂變形的測量方法的工作流程圖；
[0027] 圖2為圓柱面擬合的示意圖；
[0028] 圖3為坐標繞z軸旋轉示意圖；
[0029] 圖4為坐標繞y軸旋轉示意圖；
[0030] 圖5為一環管節橫斷面橢圓擬合結果示意圖；
[0031] 圖6為一段隧道三維橢圓柱面變形云圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案 為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于 下述的實施例。
[0033] 本發明公開了一種圓形隧道收斂變形的測量方法，涉及現場測量和數據處理兩方 面。現場測量方面，本發明以任一圓形隧道作為掃描目標，采用三維激光掃描技術進行測 量，能夠獲取成千上萬個間距為幾個毫米的測點的三維坐標，測量速度非常快，點云能夠被 自動記錄到三維激光掃描儀的存儲系統中，在數據處理階段可將這些坐標數據導出。數據 處理階段將所有測站的點云歸并到一個統一的參考坐標系中，建立隧道的三維模型，通過 改進的圓柱面擬合算法、坐標變換、降噪、橢圓擬合、橢圓柱面建模獲取圓形隧道的收斂變 形。
[0034] 如圖1所示，當確定了一條圓形隧道作為測量對象之后，其收斂變形的監測包括：
[0035] 步驟Sl :沿隧道長度方向布設多個激光掃描測站，建立由三維激光掃描儀確定的 參考坐標系，每一激光掃描測站之間設立至少3個公共的工作基點（標靶），三維激光掃描 儀獲取每一激光掃描測站的工作基點坐標以及隧道點云。
[0036] 每一激光掃描測站之間的間距由隧道半徑決定，隧道半徑越小則激光掃描測站間