三维激光扫描监控喷射混凝土回弹方法

技术领域

本发明属于混凝土喷射技术领域，具体是一种三维激光扫描监控喷射混凝土回弹方法。

背景技术

喷射混凝土是用压力喷枪喷涂灌筑细石混凝土的施工法，常用于灌筑隧道内衬、路基变坡、天棚等薄壁结构。由于部分混凝土在喷射过程后不能及时凝结，因重力等影响掉落而造成喷射混凝土的回弹。过高的回弹量会造成原材料的极大浪费，增加施工成本；延长喷射混凝土作业时间，影响工程进度；使施工现场空气中粉尘含量过高，威胁作业人员身体健康。为减少不利影响，需根据回弹率对混凝土原材料、配合比及喷射方法进行调整优化。传统回弹量的测定，是通过掉落混凝土的称重计算回弹率，存在样本数据少、统计精度差、作业效率低的问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供一种三维激光扫描监控喷射混凝土回弹方法。

本发明采取以下技术方案：一种三维激光扫描监控喷射混凝土回弹方法，包括：

S1：在隧道内布设轮廓检测基准点，测量出轮廓检测基准点的坐标作为绝对坐标系中的坐标真值；

S2：在廓检测基准点上架设球靶，使用全站扫描仪测量得出隧道轮廓以及球靶表面的坐标作为临时坐标系中的坐标测量值；

S3：根据步骤S2得出每个球靶表面的坐标，拟合靶标中心坐标，得出轮廓检测基准点在临时坐标系中的坐标真值；

S4：轮廓检测基准点分别在绝对坐标系中的坐标真值以及在临时坐标系中的坐标真值进行匹配，将隧道轮廓的坐标转换到绝对坐标系中；

S5：对步骤S2测得的隧道轮廓坐标以及步骤S4得到的隧道轮廓坐标通过最小二乘法进行精度评估和平差，获得隧道轮廓的最终坐标点云；

S6：将步骤S5得到的隧道轮廓的最终坐标点云作为实测点云模型与理论设计模型在同一坐标系下定位；

S7：根据实测点云模型与理论设计模型的区别计算喷射混凝土回弹量。

在一些实施例中，步骤S1中：轮廓检测基准点采用与施工放样相同的坐标基准，用于三维点云在工程坐标系下的定位参考；在轮廓检测区域每10m布设一对轮廓检测基准点，在洞内施工测量控制网的框架下进行加密测量。

在一些实施例中，步骤S2包括：利用全站式扫描仪提供的对中定向功能，将全站扫描仪架设在已知测点完成精确对中整平，系统中输入测站和后视控制点的已知坐标，瞄准后视控制点后完成全站式扫描仪的测站定向，然后使用全站式扫描仪对隧道轮廓和球靶进行一次性扫描。

在一些实施例中，步骤S2中：每个测站使用的球靶数量不少于2个。

在一些实施例中，步骤S3包括：

S31：计算点云数据球靶的重心，作为球心的初始值；

S32：通过迭代不断更新球心和半径，直到误差平方和最小；

S33：最终得到球心和半径即为最佳拟合参数。

在一些实施例中，步骤S4包括：

S41：设步骤S2获取的隧道轮廓和球靶标表面绝对坐标为普通扫描仪任意扫描结果，即临时坐标系的坐标测量值，则步骤S3拟合计算得出的基准点坐标为轮廓检测基准点的坐标真值；全站扫描仪附近基准点同时拥有绝对坐标和临时坐标，即为公共点；

S43：根据公共点计算两个坐标系的平移参数，将隧道轮廓临时坐标系中的坐标经过平移旋转，转换到绝对坐标系中。

在一些实施例中，步骤S7包括：

S71：以施工线路中心轴线为基准，提取和生成最小2cm间隔的高密度二维横向断面图，批量计算每个二维断面中两次测量轮廓之间的面积，相邻断面面积均值和间隔距离相乘并累积后即为一定段落成型喷射混凝土的体积；

S72：同一段落喷射混凝土总量刨除一定的设备损耗量后，与成型体积相比可得成型混凝土所占比例，剩余体积即为喷射混凝土回弹率。

在一些实施例中，步骤S72中，设搅拌站称重、统计发出的喷锚混凝土料体积为E，段落成型喷射混凝土体积为V，考虑一定的运输、作业设备损耗系数为1.5%，则被回弹浪费的喷锚料为F=0.985E-V，回弹量=F/0.985E。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

与传统断面测量方式比较，使用三维激光扫描监测喷射混凝土回弹量的方法可在短时间内获得作业面轮廓三维模型，作业效率提升明显。

在三维模型基础上按高密度间隔提取断面，断面间隔最高可达1cm，成型混凝土体积统计精度可达0.6‰，更全面的反映作业面轮廓情况。相较传统回弹量检测方法在掉落混凝土收集、运输及称重过程中产生损耗和误差，三维激光扫描检测回弹量精度更高，为喷射混凝土方案调整提供更准确的依据。

三维激光扫描检测法适用性强，操作性可靠，易于掌握。通过此工法，可提高回弹量检测效率，外业作业占用时间大大缩短，降低人员与设备的安全风险，降低劳动强度。

依据本发明提供的检测数据优化喷射混凝土方案，减少喷射混凝土回弹量，对提高工程质量、节约施工成本以及提高环境空气质量防范作业人员粉尘职业病方面具有积极的意义，具有较大的普及性和广泛的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种三维激光扫描监控喷射混凝土回弹方法,包括：

S1：在隧道内布设轮廓检测基准点，用全站扫描仪的全站仪功能（或额外的全站仪）用常规坐标测量方法测量出轮廓检测基准点的坐标作为绝对坐标系中的坐标真值。

轮廓检测基准点采用与施工放样相同的坐标基准，用于三维点云在工程坐标系下的定位参考；在轮廓检测区域每10m布设一对轮廓检测基准点，在洞内施工测量控制网的框架下进行加密测量。

基准点桩芯宜采用不锈钢材质，中心刻0.5mm深十字标志，桩芯顶面应低于行车路面5cm以上，防止桩芯被机械设备碾压破坏。基准点宜设置在稳固、可靠、不易破坏且便于测量的位置，并应防沉降和抗移动。控制点标识要清晰、齐全、便于准确识别。

为确保基准点成果可靠，在基准点测量过程中需遵循必要的检核手段。

1.全站扫描仪通过洞内施工测量控制网设站完成后，需检核第三点的三维坐标并做好记录，差值在允许范围内时，则说明在控制点及成果的使用、仪器目标的安置、定向设置等设站环节中未发生错误，可以进行后续测量。

2.将棱镜支架置于基准点桩芯上对中整平后，由前视和司仪共同确认点号、棱镜高后测量并记录该点数据。

3.单测站所有测点测量完成后，检查仪器安置状态，无误后再次检核其余控制点成果并记录。若检核点测量较差在允许范围内，则认为仪器设备在整个放样过程中稳定可靠，测量成果可靠。

测量完成后，复核人员从设站引用数据到测量结束检核控制点成果，逐步还原基准点测量过程，根据原始记录排除每个环节出错的可能，确保该项测量成果的可靠性。

S2：在廓检测基准点上架设球靶，使用全站扫描仪测量得出隧道轮廓以及球靶表面的坐标作为临时坐标系中的坐标测量值。

利用全站式扫描仪提供的对中定向功能，将全站扫描仪架设在已知测点完成精确对中整平，系统中输入测站和后视控制点的已知坐标，瞄准后视控制点后完成全站式扫描仪的测站定向，然后使用全站式扫描仪对隧道轮廓和球靶进行一次性扫描。

将全站式扫描仪和球靶架设在轮廓检测基准点，全站式扫描仪获取隧道轮廓以及球靶的三维点云数据；目前隧道施工现场常用的全站式扫描仪包括Z+F、法如、徕卡、天宝等品牌，主流扫描仪均可满足扫描速度约100万点/秒，测距精度2mm/25m，分辨率3.5mm/25m，测程大于70m等指标，可在5min内扫描完成40m隧道段落。

全站式扫描仪仪外业作业中需注意以下事项：

1.为避免结构物遮挡，每个扫描测站取仪器前后20m范围点云为有效数据。

2.球靶位置由扫描仪在隧道轮廓扫描时同时获取，每测站使用的球靶数量不少于2个。使用徕卡球形棱镜配合支架置于基准点上，读取棱镜高，球面朝向扫描仪。

3.为保证球靶获取精度，球靶距扫描仪 5～10m为宜。

4.扫描仪的测站基本名一般设置成“Z”（左线）、“Y”（右线）等代表字符，后面增加流水号，如“Z001”。

5.测量开始前先对扫描仪进行预热，预热完成后测试各项连接是否正常。

6.开始三维激光扫描后，作业人员应避开有效扫描区域。

7.三维激光扫描仪作业完成后，数据自动储存，仪器迁站。测站间距离不超过40m，迁站后无需预热。

S3：根据步骤S2得出每个球靶表面的坐标，拟合靶标中心坐标，得出轮廓检测基准点在临时坐标系中的坐标真值。

S31：计算点云数据球靶的重心，作为球心的初始值；

S32：通过迭代不断更新球心和半径，直到误差平方和最小；

S33：最终得到球心和半径即为最佳拟合参数。

S4：轮廓检测基准点分别在绝对坐标系中的坐标真值以及在临时坐标系中的坐标真值进行匹配，将隧道轮廓的坐标转换到绝对坐标系中。

S41：设步骤S2获取的隧道轮廓和球靶标表面绝对坐标为普通扫描仪任意扫描结果，即临时坐标系的坐标测量值，则步骤S3拟合计算得出的基准点坐标为轮廓检测基准点的坐标真值；全站扫描仪附近基准点同时拥有绝对坐标和临时坐标，即为公共点。

S42：根据公共点计算两个坐标系的平移参数，将隧道轮廓临时坐标系中的坐标经过平移旋转，转换到绝对坐标系中。

S5：对步骤S2测得的隧道轮廓坐标以及步骤S4得到的隧道轮廓坐标通过最小二乘法进行精度评估和平差，获得隧道轮廓的最终坐标点云。

步骤S2直接测得的隧道轮廓的坐标点云A，步骤S4通过经典算法获得同一个隧道轮廓坐标点云B，由一次外业测量获取，有两种方式获取，基准一致，点位一致，但由于全站扫描仪设站定向和靶标测量过程中的产生一系列误差，会导致数据有微小差别。这个差别由于方向、等影响，每个点的误差大小是不一致的。

这批点云的绝对坐标云A和坐标点云B，点数量是一致的，大概由上亿个点组成。在模型中抽取各方向有代表性的若干个点进行误差A和B两套系统的误差统计分析，通过最小二乘法进行精度估算和平差，获得同一批点云的绝对坐标点云C，其根据A和B 综合平差而来，提高了这批点云的精度。

S6：将步骤S5得到的隧道轮廓的最终坐标点云作为实测点云模型与理论设计模型在同一坐标系下定位。

步骤S5得出的坐标点云C为绝对系统下的坐标，设计理论模型为单一结构坐标系统下的模型（如以隧道坐标系为基准，隧道某一里程为远点，隧道直线前进方向为X轴），将隧道中若干理论中线点作为公共点（设计中其同时包含工程坐标系同坐标和小的结构坐标系统坐标），采用四参数法进行平移旋转匹配，使的实测点云模型和理论模型同时在工程坐标系统下或者小的结构坐标系统下定位。

S7：根据实测点云模型与理论设计模型的区别计算喷射混凝土回弹量。

S71：以施工线路中心轴线为基准，提取和生成最小2cm间隔的高密度二维横向断面图，批量计算每个二维断面中两次测量轮廓之间的面积，相邻断面面积均值和间隔距离相乘并累积后即为一定段落成型喷射混凝土的体积。

在实测和理论共同存在的一个三维模型中，每2cm提取一个二维断面，分别计算二维断面中实测和理论差异的表面积D，通过断面法可获取一定段落内内隧道轮廓的超欠挖数值。

断面法体积计算公式：

V=（D1+D2）/2*0.02+(D2+D3)/2*0.02+(D3+D4)/2*0.02……

S72：同一段落喷射混凝土总量刨除一定的设备损耗量后，与成型体积相比可得成型混凝土所占比例，剩余体积即为喷射混凝土回弹率。

设搅拌站称重、统计发出的喷锚混凝土料体积为E，段落成型喷射混凝土体积为V，考虑一定的运输、作业设备损耗系数为1.5%，则被回弹浪费的喷锚料为F=0.985E-V，回弹量=F/0.985E。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。