一种洞室开挖工程分析方法及系统

摘要

本发明提供一种洞室开挖工程分析方法及系统，在洞室长度方向上将洞室划分为K个工程段，K≥2；其特征在于：所述洞室开挖工程分析方法包括如下步骤：步骤1：在洞室开挖工程施工后、且在衬砌工程施工前，确定整体洞室内壁的实际三维位置坐标，根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型；步骤2：在仿真空间中的相同坐标系下，将步骤1得到的与工程段对应的局部洞室三维测绘模型、与该工程段对应的局部洞室三维设计模型进行比较，从而得到每个工程段内第一特征区域的三维模型、每个工程段内第二特征区域的三维模型。

说明书

技术领域

本发明涉及一种洞室开挖工程分析方法及系统，属于地下洞室、隧道开挖工程技术领域。

背景技术

在大型水电、水利工程建设过程中，涉及地下洞室、隧道开挖、填筑工程量巨大，因为现场地质、施工工艺等原因造成洞室超挖、欠挖是不可避免的。一般来说，超挖是指实际开挖轮廓大于设计开挖轮廓，反之，欠挖是指实际开挖轮廓小于设计开挖轮廓。对于超挖来说，会对洞室安全施工造成较大隐患，且会提高支护及衬砌混凝土工程量；对于欠挖来说也会影响工程质量，减少衬砌混凝土厚度，影响工程整体安全。

传统工程建设过程中往往结合二维设计图纸，通过放样测量方式对洞室进行测量和超欠挖比对，人工干预及后期计算工作量较大，且精确程度较低，无法精确掌握每处工程超欠挖区域及工程量情况，且在核算开挖计量中，对土石方界定和洞挖的超挖定量易产生争议。另外，施工现场通常采用纸质表格进行管理，审核流程较为滞后，施工单位存在一处超挖、多处报量的问题，影响工程整体结算。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有的洞室开挖工程分析时超挖、欠挖的测量精度低、开挖计量容易产生争议的问题，提供一种洞室开挖工程分析方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种洞室开挖工程分析方法，在洞室长度方向上将洞室划分为K个工程段，K≥1；所述洞室开挖工程分析方法包括如下步骤：

步骤1：在洞室开挖工程施工后、衬砌工程施工前，确定整体洞室内壁的实际三维位置坐标，根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型；

步骤2：对于每个工程段，将该工程段对应的局部洞室三维测绘模型与该工程段对应的局部洞室三维设计模型进行比较，得到该工程段内第一特征区域的三维模型以及该工程段内第二特征区域的三维模型，根据每个工程段内第一特征区域的三维模型、第二特征区域的三维模型得到该工程段内第一特征区域对应的工程量、第二特征区域对应的工程量；

其中，所述第一特征区域为所述局部洞室三维测绘模型中未被对应的局部洞室三维设计模型覆盖的区域；所述第二特征区域为局部洞室三维设计模型中未被对应的局部洞室三维测绘模型覆盖的区域。

本发明中，确定每个工程段内洞室内壁的实际三维位置坐标从而得到每个工程段内洞室的局部洞室三维测绘模型，从而可以确定洞室开挖工程施工后、衬砌工程施工前每个工程段内洞室开挖的情况，将局部洞室三维测绘模型与局部洞室三维设计模型进行比较后，即可得到每个工程段内第一特征区域的三维模型(超挖区域的三维模型)、每个工程段内第二特征区域的三维模型(欠挖区域的三维模型)，从而可以直观展现每个工程段内工程超挖、欠挖区域情况，为后续工程提供参考。对于每一个工程段，可以根据与该工程段对应的第一特征区域的三维模型、第二特征区域的三维模型，对模型的截面局部检查，了解该工程段开挖的具体情况，而且对超挖、欠挖严重区域，还可以根据对应的三维模型指导现场整改。

本发明中，通过上述设置，可以计算开挖、欠挖分别对应的工程量。相比于现有技术结合二维设计图纸与实际开挖情况进行比较来确定各个工程段的开挖、欠挖工程量并人工核算的方式，本发明利用三维模型计算工程量的方法更为准确，精确度较高，尽量避免开挖计量容易产生争议的问题。

上述技术方案中，K≥2，所述步骤2之后还包括：

步骤3：将各个工程段内第一特征区域的三维模型组合，得到与洞室内所有第一特征区域对应的整体三维模型，并计算相应的工程量。

将各个工程段内第二特征区域的三维模型组合，得到与洞室内所有第二特征区域对应的整体三维模型，并计算相应的工程量。

本发明中，与洞室内所有第一特征区域对应的整体三维模型即为整个洞室的超挖区域的整体模型，与洞室内所有第二特征区域对应的整体三维模型即为整个洞室的欠挖区域的整体模型。本发明中，通过得到整体三维模型，可以计算得到工程全局区域实际工程量与设计工程量变化的偏差，从而可以对工程总价合同结算提供数据支持。

上述技术方案中，所述步骤1中，根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到整体洞室三维测绘模型，按照各个工程段所在范围将整体洞室三维测绘模型拆分，从而得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型。

上述技术方案中，沿洞室长度方向将洞室分为多个长度相同的洞室段，利用三维成像设备分别固定在每个洞室段的预设位置，对每个洞室段的洞室内壁进行扫描，将各个洞室段的洞室内壁的扫描结果相互拼接，从而确定整体洞室内壁的实际三维位置。

本发明中，通过上述设置，使得三维成像设备扫描每个子工程段内的洞室内壁，扫描后再将各个扫描结果进行拼接，使得在洞室长度较长时，可以通过每段分别扫描的方式实现，即无需一次完成整个洞室的扫描。

上述技术方案中，根据三维测绘模型建模对于相邻扫描点的点间距要求，对三维成像设备得到的扫描点进行抽稀，根据抽稀后的扫描点的数据得到工程段内洞室的局部洞室三维测绘模型。

申请人发现，扫描点的数据量大，但计算机处理能力有限，使得建模耗时过长。因此，本发明在不影响第一特征区域、第二特征区域的三维模型建模的情况下，采用空间距离抽稀方法，适当抽稀数据，从而减少建模时间，提高效率。

上述技术方案中，根据设计参数、洞室所在环境的地质围岩情况确定设计的衬砌厚度，根据洞室测绘数据、设计的衬砌厚度得到所述洞室三维设计模型，按照各个工程段所在范围将整体洞室三维设计模型拆分，从而得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维设计模型。

本发明中，先建立整体洞室三维设计模型，再根据工程段对模型进行拆分，相对于对每个工程段的设计模型进行建模，上述方案处理效率较高。

上述技术方案中，所述步骤2中，将局部洞室三维测绘模型与相应的局部洞室三维设计模型进行布尔逻辑运算来将二者进行比较，从而得到每个工程段内第一特征区域的三维模型、每个工程段内第二特征区域的三维模型。

本发明中，通过进行布尔逻辑运算将两个模型进行比较，使得处理方式简单、处理效率高，较为快速的得到第一特征区域、第二特征区域的三维模型。

本发明还提供一种洞室开挖工程分析系统，在洞室长度方向上将洞室划分为K个工程段，K≥2；所述洞室开挖工程分析系统包括：

三维成像设备：用于在洞室开挖工程施工后、且在衬砌工程施工前对洞室内壁进行扫描，从而得到整体洞室内壁的实际三维位置坐标；

处理器，用于：根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型；对于每个工程段，将该工程段对应的局部洞室三维测绘模型与该工程段对应的局部洞室三维设计模型进行比较，得到该工程段内第一特征区域的三维模型以及该工程段内第二特征区域的三维模型，根据每个工程段内第一特征区域的三维坐标模型、第二特征区域的三维坐标模型得到该工程段内第一特征区域对应的工程量、第二特征区域对应的工程量；

其中，所述第一特征区域为所述局部洞室三维测绘模型中未被对应的局部洞室三维设计模型覆盖的区域；所述第二特征区域为局部洞室三维设计模型中未被对应的局部洞室三维测绘模型覆盖的区域。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明可以高效采集洞室开挖工程后现场施工测量数据，真实还原工程现场的洞室三维形象，从而获取施工工程量，并能通过第一特征区域的三维模型、第二特征区域的三维模型直观展现工程超挖、欠挖区域情况，从而为工程现场超挖、欠挖区域形体控制和后续工程处理提供三维可视化参考，整体提升工程安全、质量管控。本发明利用模型提取工程量数据，可减少工程计量误差，尽量避免参建各方核算超挖定量易争议的问题，提升现场沟通效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的洞室开挖工程分析方法的流程示意图；

图2为本发明的第一特征区域、第二特征区域的建模模型效果示意图；

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种洞室开挖工程分析方法，在洞室长度方向上将洞室划分为K个工程段。K＝1时，即将洞室整体作为1个工程段。当K≥2时，可以根据工程单元工程或工程结算最小单元的桩号对工程段进行划分，从而可以较为灵活的分段。

所述洞室开挖工程分析方法包括如下步骤：

步骤1：在洞室开挖工程施工后、且在衬砌工程施工前，确定整体洞室内壁的实际三维位置坐标，根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型。

本发明中，洞室模型即为洞室内壁、洞室底面围成空间的模型。

所述步骤1中，根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到整体洞室三维测绘模型，按照各个工程段所在范围将整体洞室三维测绘模型拆分，从而得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型。

沿洞室长度方向将洞室分为多个长度相同的洞室段。三维成像设备固定在第1个洞室段的预设位置，扫描第1个洞室段的洞室内壁；再将三维成像设备固定在第2个洞室段的预设位置，扫描第2个洞室段的洞室内壁，依次类推。将各个洞室段的洞室内壁的扫描结果相互拼接，从而确定整体洞室内壁的实际三维位置。

根据三维测绘模型建模对于相邻扫描点的点间距要求，对三维成像设备得到的扫描点进行抽稀，根据抽稀后的扫描点的数据得到工程段内洞室的局部洞室三维测绘模型。

根据设计参数、洞室所在环境的地质围岩情况确定设计的衬砌厚度，根据洞室测绘数据、设计的衬砌厚度得到整体洞室三维设计模型，按照各个工程段所在范围将整体洞室三维设计模型拆分，从而得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维设计模型。

地质围岩类别不一样会导致洞室衬砌厚度不一样，影响洞室模型建模时候的形体样式及体积，所以需要先确定围岩类别才能确定设计参数及建模。选择哪些设计参数、如何根据设计参数建立设计模型，本领域技术人员可以理解。

三维成像设备可为分段采集洞室现场测量数据的三维激光扫描仪，标靶获取精度为2mm/每50m，利用点云数据生成洞室开挖点云模型。

本发明的三维成像设备可包括激光扫描仪，也可包括激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机，以及软件控制系统。利用激光扫描仪可以快速得到一个区域连续的点云数据，数据获取完毕之后，对获取的点云数据或点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。并对多断扫描数据进行拼接和处理，形成工程区域整体点云数据。通过计算机直接对实体进行自动建模，形成点云三维模型。可以通过对工程原始地形面、土石分界面、开挖后洞室面进行扫描和构模，形成三套工程区域计量点云模型。

本发明中，可通过三维激光扫描仪分段(洞室段)采集现场洞室或隧道的三维点云数据。根据洞室或隧道现场可通视范围和三维激光扫描仪扫描距离指标来划分洞室段，即三维成像设备的扫描范围在洞室长度方向上可覆盖该洞室段，且能扫描到两个洞室段之间的标志物(标靶)，从而方便后期进行拼接。每个洞室段可设置不少于4个标靶分布在该段区域，相邻两个洞室段之间固定有2个及2个以上公共标靶，以供点云拼接需要，利用设置于每个洞室段的固定的扫描站上的三维激光扫描仪先对该段4个标靶进行扫描，采集标靶坐标数据，然后扫描该段洞室或隧道数据，在2个公共标靶不动的情况下，移动三维激光扫描仪至下一段的扫描站，重复以上扫描步骤，直至洞室或隧道全段数据采集完毕。在每个洞室段进行扫描时，固定在该洞室段的三维成像设备保持不动，一次性扫描本洞室段内的4个标靶以及两个洞室段之间的2个公共标靶。通过标靶坐标、标靶与洞室扫描位置的相对位置关系，将扫描的洞室内各个图像对应的坐标统一到相同坐标系，从而方便点云数据的拼接。

对点云模型进行拼接、过滤、降噪处理后，导入设计软件，进行坐标匹配(实例中统一为2000国家大地坐标系)，生成测绘DEM模型，并按单元工程进行拆分；

通过公共标靶拼接形成洞室或隧道整段完整的点云数据，再对拼接后的整段点云数据进行预处理，通过点云数据去噪将有效点保留、无效点删除，进一步对点云数据进行过滤处理，按符合建模精度要求的点间距抽稀点云数据，最后进行点云拟合处理来构建洞室或隧道的Mesh模型。由于点云数据量大，但计算机处理能力有限，不影响建模的情况下，采用空间距离抽稀方法，适当抽稀数据。抽稀可利用现有算法。将Mesh模型进行数据导出为obj格式模型，并利用三维设计软件进行模型导入和重构，通过对模型进行预处理，将测绘模型中的破碎面、交叉面、重叠面进行优化(即将与实际结构不相符的误差部分进行优化)，即利用现有软件提供网格面工具可以对网格面进行排查，将错误网格对应的三角网格进行剔除，可以实现网格优化。可采用已有优化技术实现，本领域技术人员可以理解。

可基于与设计模型同一套坐标体系，进行模型坐标匹配，建立洞室DEM测绘模型(即与工程段对应的局部洞室三维测绘模型)。

步骤1a：建立洞室设计模型，并按工程段进行拆分。具体包括：根据设计参数及测绘数据，利用三维设计软件，建立精度为LOD300的洞室BIM模型轮廓，并根据地质围岩情况及设计参数，设置洞室衬砌厚度，得到洞室1:1实体设计模型。

建立洞室理想模型(洞室三维设计模型)为已有技术，可通过BentleyMicrostation设计软件构建三维模型。

步骤1a可与步骤1同时执行，也可早于或晚于步骤1执行。

步骤2：在仿真空间中的相同坐标系下，将步骤1得到的与工程段对应的局部洞室三维测绘模型、与该工程段对应的局部洞室三维设计模型进行比较，从而得到每个工程段内第一特征区域的三维模型、每个工程段内第二特征区域的三维模型；

其中，第一特征区域为所述局部洞室三维测绘模型覆盖区域、且为所述局部洞室三维设计模型未覆盖区域，第二特征区域为所述局部洞室三维测绘模型未覆盖区域、且为所述局部洞室三维设计模型覆盖区域。

所述步骤2中，将局部洞室三维测绘模型与相应的局部洞室三维设计模型进行布尔逻辑运算来将二者进行比较，从而得到每个工程段内第一特征区域的三维模型、每个工程段内第二特征区域的三维模型。

步骤2中，可以将局部洞室三维设计模型为参考模型，对局部洞室三维测绘模型单元进行求补集布尔计算，得出每个工程段的超挖及欠挖区域模型，利用三维设计软件自动得出超挖、欠挖区域工程量，即与每个工程段内第一特征区域对应的工程量、与每个工程段内第二特征区域对应的工程量。可通过每个工程段内第一特征区域的三维模型的体积得到对应的工程量。同样的，可通过每个工程段内第二特征区域的三维模型的体积得到对应的工程量。

在优选实施方式中，K≥2。

划分工程段计算主要为了给工程开挖质量提供支持，单元工程分段可以形成截面从局部检视，对超挖、欠挖严重区域，可以指导现场整改；

步骤3：将各个工程段内第一特征区域的三维模型组合，得到与洞室内所有第一特征区域对应的整体三维模型，并计算相应的工程量。

将各个工程段内第二特征区域的三维模型组合，得到与洞室内所有第二特征区域对应的整体三维模型，并计算相应的工程量。

通过得到整体的三维模型，可以进行整体工程量计算及分段工程量计算，整体计算从而得到工程全局区域实际工程量相对于设计的工程量变化的偏差，对工程总价合同结算提供数据支持。

步骤4：将设计模型、测绘模型、超挖模型及欠挖模型导入数字化管控平台，关联工程属性、签证数据、地质认定数据和结算数据，实现基于BIM的洞室工程超挖、欠挖数字化管控。

利用数字化工程管控平台，将模型与计量签证单进行挂接，结合电子表单填报及电子签章审批，将超欠挖填数据通过线上流程进行审核，并关联到对应BIM模型中。

如图1所示为本发明方法的步骤示意图。图2所示为利用本发明方法在一种实施方式中得到的超挖、欠挖三维模型。

根据图2得到的本实例的设计计量、施工计量、超、欠挖计量结果如表1所示。

表1实施例工程量计量表

本发明还提供一种洞室开挖工程分析系统，在洞室长度方向上将洞室划分为K个工程段，K≥2；所述洞室开挖工程分析系统包括：

三维成像设备：用于在洞室开挖工程施工后、且在衬砌工程施工前对洞室内壁进行扫描，从而得到整体洞室内壁的实际三维位置坐标；

处理器，用于：根据整体洞室内壁的实际三维位置坐标得到与K个工程段分别对应的K个局部洞室三维测绘模型；在仿真空间中的相同坐标系下，将步骤1得到的与工程段对应的局部洞室三维测绘模型、与该工程段对应的局部洞室三维设计模型进行比较，从而得到每个工程段内第一特征区域的三维模型、每个工程段内第二特征区域的三维模型；

其中，第一特征区域为所述局部洞室三维测绘模型覆盖区域、且为所述局部洞室三维设计模型未覆盖区域，第二特征区域为所述局部洞室三维测绘模型未覆盖区域、且为所述局部洞室三维设计模型覆盖区域。

所述处理器还用于：根据每个工程段内第一特征区域的三维坐标模型、第二特征区域的三维坐标模型得到该工程段内第一特征区域对应的工程量、第二特征区域对应的工程量。

本发明中，通过洞室施工单元工程划分，可将设计模型及测绘模型按桩号划分工程段，分别建立设计及测绘洞室单元工程模型，并赋予单元工程属性，利用三维设计软件，自动算出每个单元工程段的设计开挖工程量及测绘开挖工程量，导出每个单元工程的工程量对比清单。即通过设计软件叠加两个模型，统一坐标系，自动分段，并统计工程量。

基于BIM的三维正向设计，为工程设计领域新兴的设计手段，将项目从草图设计阶段到工程交付阶段全过程都通过BIM三维模型来进行实现，并交付三维成果来体现设计意图，利用三维模型直观、精细反映工程整体设计情况，并可以利用模型精确得出工程量、材料表等内容。

本发明将激光点云技术及BIM技术进行融合。利用数字化技术实现工程BIM数据与工程建管数据的融合，将计量签证数据、超欠挖地质签证数据等管理数据于BIM模型挂接，直观展示每一处区域的超、欠挖情况及结算情况，加快计量审批流程，避免错误报量、重复报量的情况，为工程成本管控提供数据支撑。

本发明可应用于水电工程或水利工程的地下洞室，对洞室或隧道的超欠挖情况进行分析，可应用BIM技术及激光点云技术分别构建工程洞室或隧道设计及施工三维模型，利用两种方法得到的模型，通过布尔计算得出模型超挖、欠挖区域，并对比核算工程量的方法，建立超欠挖模型展示系统。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。