圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法

摘要

本发明提供一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法，包括步骤：S1：通过三维激光扫描设备采集目标隧道的点云数据；S2：进行管片拟合将目标隧道划分为多个弧段；S3：提取目标隧道底部两相邻弧段接缝区域的边缘点云集；S4：确定两相邻弧段接缝最深处的一端点；S5：根据端点将边缘点云集分为接缝上边缘点云集和接缝下边缘点云集；S6：利用最小二乘法分别对接缝上边缘点云集和接缝下边缘点云集进行线拟合，获得最优直线参数；S7：根据最优直线参数计算两相邻弧段接缝的张开角度。本发明的一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法，极大提高了接缝张开量的获取效率，并可呈现管片的形状细节。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程测量技术领域，尤其涉及一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法。

背景技术

在运营期隧道结构安全评价中，环片横向收敛往往是一项重要的指标，然而环片的收敛变形的发生是通过结构的如接缝等的薄弱位置的变形累积起来的，可以说前者是后者的宏观体现，因此对接缝变形量的获取有着十分重要的意义。

请参阅图1，环片底部的第一接缝1和第二接缝2常常呈现内部张开的形态，可以通过实地测量得到其内侧的张开量，但测量效率较低，且现有测量技术对于管片接缝张开角度的高精度观测也是无法满足的，目前尚缺乏一种可有效反应管片底部接缝的变形情况的方法。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法，利用管片边缘点云计算，实现了内业批量计算处理，极大提高了接缝张开量的获取效率，并可呈现管片的形状细节。

为了实现上述目的，本发明提供一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法，包括步骤：

S1：通过三维激光扫描设备采集获得一目标隧道的点云数据；

S2：利用所述点云数据进行管片拟合，将所述目标隧道划分为多个弧段；

S3：提取所述目标隧道底部两相邻所述弧段接缝区域的一边缘点云集；

S4：通过计算确定两相邻所述弧段接缝最深处的一端点；

S5：根据所述端点将所述边缘点云集分为一接缝上边缘点云集和一接缝下边缘点云集；

S6：利用最小二乘法分别对所述接缝上边缘点云集和所述接缝下边缘点云集进行线拟合，获得所述接缝上边缘点云集和所述接缝下边缘点云集的最优直线参数；

S7：根据所述最优直线参数计算两相邻所述弧段接缝的张开角度。

优选地，所述S1步骤中，所述点云数据包括所述目标隧道多个横断面的各扫描点的平面坐标和由所述扫描点组成的所述目标隧道的点云图。

优选地，所述S2步骤中，通过对所述点云数据进行管片拟合，将所述点云数据划分为多个点云数据集，每一所述点云数据集包括多个所述扫描点的平面坐标，所述点云数据集与所述弧段一一对应。

优选地，所述S3步骤进一步包括步骤：

S31：根据所述点云数据计算获得相邻的两所述弧段中一弧段所对应的一圆弧参数，所述圆弧参数包括对应所述弧段的圆心坐标和圆弧半径；

S32：设置一张开角度参数；

S33：根据所述目标隧道的一预设缝隙角度和所述张开角度参数获得一张开角度阈值；

S34：根据所述张开角度阈值自所述点云数据中提取获得一初步提取点云集；

S35：根据一公式(1)计算和所述圆弧参数计算获得一残差值D_i：

其中，x_i、y_i分别为所述初步提取点云集中第i点的x坐标和y坐标，i为大于零的自然数；x₀、y₀分别为所述圆弧参数对应的所述圆心坐标的x坐标和y坐标；R为所述圆弧参数对应的圆弧半径；

S36：设定一距离阈值，自所述初步提取点云集中提取所述残差值大于所述距离阈值的点，获得所述边缘点云集。

优选地，所述S4步骤中，将所述残差值D_i最大的一点作为所述端点。

优选地，所述S5步骤进一步包括步骤：

S51：根据一公式(2)计算所述边缘点云集中各点的垂直角α_i：

其中，X_i、Y_i表示所述边缘点云集中点的x坐标和y坐标；

S52：通过一公式(3)计算获得所述端点的垂直角α_T；

其中，X_T、Y_T表示所述端点的x坐标和y坐标；

S53：提取所述边缘点云集中垂直角α_i数值大于所述端点的垂直角α_T的点形成所述接缝上边缘点云集；提取所述边缘点云集中垂直角α_i数值小于所述端点的垂直角α_T的点形成所述接缝下边缘点云集。

优选地，所述S6步骤进一步包括步骤：

S61：根据一直线表达式y＝ax+b分别对所述接缝上边缘点云集和所述接缝下边缘点云集进行线拟合，a和b为所述接缝上边缘点云集或所述接缝下边缘点云集的直线参数；

S62：分别将所述接缝上边缘点云集和所述接缝下边缘点云集的点代入一公式(4)并按最小值求解，分别获得所述接缝上边缘点云集的最优直线参数a₁、b₁和所述接缝下边缘点云集的最优直线参数a₂、b₂：

其中，表示求解方程。

优选地，所述S7步骤中，根据一公式(5)和所述最优直线参数计算两相邻所述弧段接缝的张开角度θ：

其中，a₁、b₁为所述接缝上边缘点云集的最优直线参数；a₂、b₂为所述接缝下边缘点云集的最优直线参数。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明利用三维激光扫描设备扫描获得点云数据，不仅采集效率高而且点云分辨率高，还可以呈现管片的形状细节；通过管片拟合和对边缘点云集的计算，可获得接缝张开量，为安全评估圆形盾构通缝隧道结构提供了评价依据，同时可实现内业批量计算处理，极大提高了接缝张开量的获取效率。

附图说明

图1为圆形盾构通缝隧道的横断面点云图；

图2为本发明实施例的圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法的流程图；

图3为本发明实施例的两相邻所述弧段接缝的张开角度的计算原理图；

图4为本发明实施例的圆形盾构通缝隧道横断面分块结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图图2～图4，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图2，本发明实施例的一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法，包括步骤：

S1：通过三维激光扫描设备采集获得一目标隧道的点云数据。

本实施例中，点云数据包括目标隧道多个横断面的各扫描点的平面坐标(Xn,Yn)和由扫描点组成的目标隧道的点云图。

S2：利用点云数据进行管片拟合，将目标隧道划分为多个弧段。

通过对点云数据进行管片拟合，将点云数据划分为多个点云数据集，每一点云数据集包括多个扫描点的平面坐标，点云数据集与弧段一一对应。

S3：提取目标隧道底部两相邻弧段接缝区域的一边缘点云集。

其中，S3步骤进一步包括步骤：

S31：根据点云数据计算获得相邻的两弧段中一弧段所对应的一圆弧参数，圆弧参数包括对应弧段的圆心坐标(x₀,y₀)和圆弧半径R；

S32：设置一张开角度参数A，本实施例中A设置为3°；

S33：根据目标隧道的一预设缝隙角度K和张开角度参数A获得一张开角度阈值[K-A，K+A]；

S34：根据张开角度阈值自点云数据中提取获得一初步提取点云集；

S35：根据一公式(1)计算和圆弧参数计算获得一残差值D_i：

其中，x_i、y_i分别为初步提取点云集中第i点的x坐标和y坐标，i为大于零的自然数；x₀、y₀分别为圆弧参数对应的圆心坐标的x坐标和y坐标；R为圆弧参数对应的圆弧半径；

S36：设定一距离阈值δD，自初步提取点云集中提取残差值D_i大于距离阈值δD的点，获得边缘点云集。

S4：通过计算确定两相邻弧段接缝最深处的一端点T。

本实施例中，将残差值D_i最大的一点作为端点T。

S5：根据端点将边缘点云集分为一接缝上边缘点云集和一接缝下边缘点云集。

本实施例中，S5步骤进一步包括步骤：

S51：根据一公式(2)计算边缘点云集中各点的垂直角α_i：

其中，X_i、Y_i表示边缘点云集中点的x坐标和y坐标；

S52：通过一公式(3)计算获得端点的垂直角α_T；

其中，X_T、Y_T表示端点的x坐标和y坐标；

S53：提取边缘点云集中垂直角α_i数值大于端点的垂直角α_T的点形成接缝上边缘点云集；提取边缘点云集中垂直角α_i数值小于端点的垂直角α_T的点形成接缝下边缘点云集。

S6：利用最小二乘法分别对接缝上边缘点云集和接缝下边缘点云集进行线拟合，获得接缝上边缘点云集和接缝下边缘点云集的最优直线参数。

其中，S6步骤进一步包括步骤：

S61：根据一直线表达式y＝ax+b分别对接缝上边缘点云集和接缝下边缘点云集进行线拟合，a和b为接缝上边缘点云集或接缝下边缘点云集的直线参数；

S62：分别将接缝上边缘点云集和接缝下边缘点云集的点代入一公式(4)并按最小值求解，分别获得接缝上边缘点云集的最优直线参数a₁、b₁和接缝下边缘点云集的最优直线参数a₂、b₂：

其中，表示求解方程。

S7：根据最优直线参数计算两相邻弧段接缝的张开角度。

S7步骤中，根据一公式(5)和最优直线参数计算两相邻弧段接缝的张开角度θ：

其中，a₁、b₁为接缝上边缘点云集的最优直线参数；a₂、b₂为接缝下边缘点云集的最优直线参数。

请参阅图3和图4，以上海通缝隧道结构为例，管片的横断面结构如图4所示，包括一块封顶块1圆心角16°，一块封底块2圆心角84°，一第一标准块3圆心角65°、一第二标准块圆心角65°、一第一邻接块5圆心角65°和一第二邻接块5圆心角65°；管片厚度为350mm，环宽为1.2m；外径为6.2m，内径为5.5m。通过三维激光技术的高精度扫描，可以反映底部接缝位置处的点云分布，以此来计算底部接缝张开量。

本实施例中，利用三维激光扫描技术获得隧道横断面的点云，通过最小二乘法圆弧分段拟合可以表现出每一环管片产生变形后各分块的形态，每段圆弧都有各自的拟合圆心。

通过三维激光扫描技术，底部接缝位置附近的点云数据深入缝隙内部，可以充分反映相邻环块接触面的分离后状态。

以底部接缝设计位置角度线7为中心分割线，以拟合环片圆心为旋转中心，选取一张开角度阈值[K-A，K+A]内的点云数据(A可设为3°)，设为点集P，计算点集P中各个点到第二标准块4拟合曲线的距离：

其中，x_i、y_i分别为初步提取点云集中第i点的x坐标和y坐标，x₀、y₀分别为圆弧参数对应的圆心坐标的x坐标和y坐标；R为圆弧参数对应的圆弧半径；寻找计算结果中D_i的最大值，其对应的点即可近似当作接缝的端点；

取[K-A，K]和[K，K+A]两个范围内超过两倍中误差的点进行最小二乘线性拟合得到L1和L2，即可视作底部接缝在变形分离后的管片边缘的线性参数；

L1和L2两条拟合直线所成夹角θ4即为底部接缝张开量变形，同理可求得块封底块2与第一标准块3的底部接缝张开量。

本发明实施例的一种圆形盾构通缝隧道管片底部接缝张开程度评价方法，利用三维激光扫描点云数据，不仅采集效率高而且点云分辨率高，还可以呈现管片的形状细节；提出了圆形盾构通缝隧道结构安全评估一个评价参数，即接缝张开量；提出了利用管片边缘点云计算边缘线夹角来评价接缝张开量的计算方法，实现了内业批量计算处理，极大提高了接缝张开量的获取效率。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。