CN113222416B - 一种隧道全工序施工质量数字化评价方法及*** - Google Patents
一种隧道全工序施工质量数字化评价方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种隧道全工序施工质量数字化评价方法及***，***包括数据采集及预处理模块、开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块、全工序施工质量评价模块，数据采集及预处理模块分别与开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块均与全工序施工质量评价模块相连接。本发明通过8项评估指标对全工序施工质量进行量化评价，解决了隧道各工序施工质量评价信息相对割裂、各个工序之间施工质量评价脱节、整体评价效果差的难题，实现了钻爆法全工序施工质量的精准评价与综合分级。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程施工的技术领域，尤其涉及一种隧道全工序施工质量数字化评价方法及***。
背景技术
钻爆法施工因具备地质适应能力强、适合多断面形式开挖且能够灵活处理不良地质灾害的特点，被广泛应用于城市地下空间、地铁、水利隧洞、铁路隧道、山岭隧道、煤矿井巷等工程建设中。
目前，钻爆法施工已形成以三臂凿岩台车、拱架安装台车、混凝土湿喷台车、衬砌台车等机械化设备为一体的全工序施工方案。随着隧道施工机械化程度的不断提高，全工序施工越来越受青睐。隧道全工序施工指依托机械化设备所形成的衔接紧密、关联度高的钻爆开挖、初期支护、二次衬砌等全流程作业工序。其中，掌子面开挖的主要目的是在保证最大进尺的前提下，使隧道开挖断面尽可能地符合设计轮廓线，减少开挖段隧道轮廓的超欠挖。因而，掌子面开挖施工质量评价主要包括超欠挖分析、***进尺计算，其中以超欠挖控制最为重要和严格。初期支护手段主要包括打锚杆、立钢拱架、喷射混凝土等。因而，初期支护段施工质量评价主要包括喷射混凝土的平整度评估、锚杆数量及拱架间距评价。作为永久支护手段，二次衬砌是隧道支护的最后一道保障，对于保证隧道的外观及安全性具有重要意义。因而，二次衬砌施工质量评价主要包括空洞检测、壁面平整度评价及混凝土强度评价等。
全工序施工的突出特点是各工序之间关系密切、集成化程度高、施工效率突出，因此对各工序之间施工质量把控也更加严格。然而，隧道全工序施工质量评价难仍是困扰工程建设人员的重大难题，且由于全工序施工过程的工序衔接紧密、关联度高，对施工质量的检测与评价提出了更高要求。为了提高全工序施工的效率，亟需提供一种隧道全工序施工质量评价方法。
目前，隧道施工质量评价常采用传统的抽样测量方法，比如：隧道超欠挖检测通过水准仪或断面测量仪，每20m测量一处，其准确度较差且不可连续测量；另一方面，可用于各工序施工质量评价的信息相对割裂，未能形成完整、统一的全工序施工质量检测和评价方法，容易导致各个工序之间质量评价脱节、评价效果差等问题，使得隧道施工与支护反馈滞后，对后续的隧道施工及运维带来巨大风险。为了解决隧道各个工序之间施工质量评价脱节、评价效果差等问题，本发明提出了一种隧道全工序施工质量数字化评价方法及***。
申请号为202011296048.3的发明专利申请，公开了一种隧道工程全生命周期安全评价方法，建立隧道工程全生命周期安全评价六个评价指标，对六个评价指标进行动态权重配置；对六个评价指标进行分值评定；计算隧道全生命周期安全评价值，并确定安全评价技术等级。该方法涵盖隧道工程规划设计、建设及运营全过程，通过本发明方法可对隧道工程安全状况进行评价，保障隧道工程全生命周期安全永续发展。该专利面向隧道工程规划设计、建设及运营全生命周期，且6项安全评价指标为多源评价指标A、超前探测指标B、妥当处置指标C、精细检测指标D、监测预警指标E和应急救援指标F，该专利的发明目的旨在对隧道工程全生命周期内安全状况进行评价。
本发明面向钻爆法隧道全工序机械化施工过程，与上述专利应用领域存在显著区别，且开挖工序、初期支护、二次衬砌工序中施工质量评价指标与上述专利存在显著区别，本发明的发明目的旨在实现隧道全工序施工的数字化编录及量化评价，与上述专利的发明目的存在显著不同。
发明内容
针对现有隧道全工序施工质量评价方法研究较少、各工序施工质量评价信息相对割裂，导致各个工序之间质量评价脱节、评价效果差，难以满足工程实践要求的技术问题，本发明提出一种隧道全工序施工质量数字化评价方法及***，通过对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，具有良好的通用性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道全工序施工质量数字化评价***，包括数据采集及预处理模块、开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块、全工序施工质量评价模块，数据采集及预处理模块分别与开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块均与全工序施工质量评价模块相连接
进一步地，所述数据采集及预处理模块对获取的三维点云数据进行预处理，并传输给开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块和二次衬砌质量评价模块；所述开挖工序质量评价模块对预处理后隧道掌子面开挖段的点云数据进行分析，并计算开挖工序段的施工质量评价指标；所述初期支护质量评价模块对预处理后初期支护段的点云数据、混凝土强度数据进行分析，并计算初期支护段的施工质量评价指标；所述二次衬砌质量评价模块对预处理后二次衬砌段的点云数据、混凝土强度数据进行分析，并计算二次衬砌段的施工质量评价指标；所述全工序施工质量评价模块根据开挖工序段、初期支护段及二次衬砌段的各个施工质量评价指标，对各个工序的质量评价指标进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级。
进一步地，所述数据采集及预处理模块包括激光扫描获取子模块、混凝土强度获取子模块和数据预处理子模块，激光扫描获取子模块与数据预处理子模块相连接，数据预处理子模块与分别开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，混凝土强度获取子模块分别与初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接。
进一步地，所述激光扫描获取子模块利用全站式扫描仪对隧道掌子面及隧道掌子面与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取大地绝对坐标系下三维点云数据；所述混凝土强度获取子模块利用智能电子回弹仪分别对初期支护段、二次衬砌段中隧道岩壁喷涂的混凝土进行测量，获取初期支护段和二次衬砌段的混凝土喷涂强度值；所述数据预处理子模块对激光扫描获取子模块获取的三维点云数据进行扫描参数设置、噪点数据剔除和点云数据分段，分别获取隧道掌子面开挖段、初期支护段、二次衬砌段的点云数据；所述点云数据的类型为X坐标、Y坐标、Z坐标和回波强度值。
进一步地，所述开挖工序质量评价模块包括点云数据解析子模块、超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块，点云数据解析子模块分别与超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块相连接；
所述点云数据解析子模块通过人机交互方式，在隧道掌子面与周边轮廓的边界点云区域内，按照顺时针或逆时针方向从边界点云区域中依次选择M个点，形成封闭的多边形区域，若开挖段点云数据处于封闭的多边形区域的内部，则视为开挖段隧道掌子面的点云数据；否则，视为开挖段隧道轮廓的点云数据；
所述超欠挖评价子模块通过对预处理后开挖段隧道轮廓的点云数据进行超欠挖分析，计算超欠挖量，通过比较超欠挖量与超欠挖控制要求，判断开挖段隧道轮廓是否满足超欠挖要求，用以评价开挖段隧道轮廓的施工质量；
所述***进尺评价子模块通过对预处理后开挖段隧道掌子面的点云数据进行分析，计算隧道实际***进尺，以实际***进尺/设计***进尺作为进尺率，用以评价开挖段隧道掌子面的施工质量。
进一步地，所述超欠挖量其中，(xaxis,yaxis,zaxis)为开挖段隧道轮廓的轴心点坐标，(x,y,z)为开挖段轴心点所在隧道断面的轮廓点云坐标，R为隧道设计半径；
所述***进尺其中，j＝1,2,···N，/>为隧道开挖段的掌子面点云坐标，N为隧道开挖段的掌子面点云数量，dblasting为隧道开挖段掌子面的***进尺。
进一步地，所述初期支护质量评价模块包括拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块和喷涂质量评价子模块，数据预处理子模块分别与拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块相连接，混凝土强度获取子模块与喷涂质量评价子模块相连接；
所述拱架施工质量评价子模块通过对预处理后初期支护段的点云数据进行分析，精确识别隧道初期支护段拱架的数量及其位置坐标，并计算隧道初期支护段拱架之间的距离；通过比较计算的相邻两拱架之间的距离与设计相邻拱架之间的距离，计算拱间距偏差值Δd＝|d-ddesign|，ddesign为设计相邻拱架之间的距离，以此判断拱架施工质量是否满足现场要求；
所述锚杆施工质量评价子模块通过对预处理初期支护段的点云数据进行分析，精准识别隧道初期支护段锚杆的数量及位置坐标；以实际锚杆数量与设计锚杆数量的比值作为评价指标，判断初期支护时锚杆数量是否满足设计要求；
所述喷涂质量评价子模块通过将混凝土强度获取子模块测量的初期支护段混凝土实测强度与设计强度相比较，判断隧道壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
进一步地，所述隧道初期支护段拱架的识别通过统计拱架表面对应点云数据的回波强度范围[intensity1,intensity2]，过滤预处理后初期支护段的点云数据，若点云数据的回波强度介于阈值范围[intensity1,intensity2]内，则视为拱架点云数据，从而实现拱架初步识别；利用DBSCAN聚类方法对初步识别的拱架点云数据进行聚类，通过计算初步识别的拱架点云数据的密度，将点云密度不同的拱架视为不同聚类类别，最终获取不同拱架类别下点云数据[arch1,arch2,···,archm]，m为识别拱架的数量；相邻两榀拱架间实际距离通过j＜i≤m且i-j＝1计算得到，/> 分别为相邻第i和j榀拱架表面的点云数据，d为相邻第i和j榀拱架之间的实际距离；
所述隧道初期支护段锚杆的识别通过统计锚杆表面对应点云数据的回波强度范围[intensity3,intensity4]，过滤预处理后初期支护段的点云数据，若点云数据的回波强度至介于阈值范围[intensity3,intensity4]内，则视为锚杆点云数据，从而实现锚杆的初步识别；利用DBSCAN聚类方法对初步识别的锚杆点云数据进行聚类，通过计算初步识别的锚杆点云数据的密度，将点云密度不同的锚杆视为不同聚类类别，最终获取不同锚杆类别下点云数据[Bolt1,Bolt2,···,Boltn]，n为识别拱架的数量。
进一步地，所述二次衬砌质量评价模块包括空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块及壁面施工质量评价子模块，数据预处理子模块分别与空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块相连接，混凝土强度获取子模块与壁面施工质量评价子模块相连接；
所述空洞检测子模块通过对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行分析，精确识别空洞的高度值，通过与二次衬砌段空洞高度值的控制要求进行比较，判断混凝土施工是否满足施工要求；
所述混凝土厚度评价子模块通过对预处理后二次衬砌段的点云数据进行分析，计算二次衬砌段混凝土的喷涂厚度，通过与二次衬砌段混凝土设计的喷涂厚度进行比较，判断混凝土厚度是否满足施工要求；
所述壁面施工质量评价子模块通过将混凝土强度获取子模块测量的二次衬砌段混凝土实测强度与设计强度相比较，判断隧道二次衬砌段壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
进一步地，所述空洞的识别通过最小二乘拟合方法对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行柱面拟合，获取隧道二次衬砌段点云数据所处的圆柱面；如果不在拟合圆柱面内的点云数据，则视为空洞区域；所述空洞的高度值(xhole,yhole,zhole)为空洞区域内点云坐标，/>为空洞区域对应的隧道轴心点坐标，R为隧道设计半径；
所述喷涂厚度(xaxis,yaxis,zaxis)为二次衬砌段隧道轮廓的轴心点坐标，(xlining,ylining,zlining)为二次衬砌段轴心点所在隧道断面的轮廓点云坐标，η为隧道初期支护段喷涂混凝土的设计厚度，R为隧道设计半径。
进一步地，所述全工序施工质量评价模块分别与超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块、拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块、喷涂质量评价子模块、空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块和壁面施工质量评价子模块相连接。
进一步地，所述全工序施工质量评价模块可对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级，实施步骤为：
S5.1，选取开挖工序施工质量评价模块中超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块的最低分，作为开挖工序施工质量评价模块的得分；
S5.2，选取初期支护质量评价模块中拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块、喷涂质量评价子模块的最低分，作为初期支护质量评价模块的得分；
S5.3，选取二次衬砌质量评价模块中空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块、壁面施工质量评价子模块的最低分，作为二次衬砌质量评价模块的得分；
S5.4，通过对开挖工序施工质量评价模块、初期支护质量评价模块及二次衬砌质量评价模块的得分进行累加求和，作为全工序施工质量评价模块的总得分，若总得分处于0～180、180～225、225～270、270～300范围内，隧道全工序施工质量等级依次评为优秀、良好、及格、不及格。
一种隧道全工序施工质量数字化评价方法，包括如下步骤：
***开挖结束后，利用激光扫描仪对隧道掌子面及其与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取三维点云数据；
提取隧道掌子面开挖段的点云数据，并计算开挖工序中施工质量评价指标；
提取初期支护段的点云数据，并计算初期支护段的施工质量评价指标；
提取二次衬砌段的点云数据，并计算二次衬砌段的施工质量评价指标；
根据开挖工序段、初期支护段及二次衬砌段的各个质量评价指标，对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级。
进一步地，所述开挖工序中施工质量评价指标包括超欠挖量和隧道实际***进尺与设计***进尺的比率；所述初期支护段的施工质量评价指标包括相邻拱架之间的距离、实际锚杆数量与设计锚杆数量的比值、初期支护段混凝土实测强度；所述二次衬砌段的施工质量评价指标包括空洞的高度值、二次衬砌段混凝土的喷涂厚度和二次衬砌段混凝土实测强度。
进一步地，所述综合评级包括对隧道壁面的全工序施工质量进行评价，实现方法为：利用智能电子回弹仪对初期支护段、二次衬砌段的隧道壁面混凝土进行测量，分别获取初期支护段、二次衬砌段的混凝土强度，获取的混凝土强度与混凝土设计强度比较，确定隧道壁面的全工序施工质量得分，从而判断壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明借助激光扫描技术对隧道各个工序之间施工质量进行数字化编录，并提出了超欠挖分析评价、***进尺评价、拱架施工质量评价、锚杆施工质量评价、喷涂质量评价、空洞监测评价、混凝土厚度评价、壁面施工质量评价的8项评估指标对全工序施工质量进行量化评价，解决了隧道各个工序之间施工质量评价脱节、整体评价效果差的难题，实现了钻爆法全工序施工质量的精准评价与综合分级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明评价***的功能框架图。
图2为本发明图1中数据采集及预处理模块的功能框架图。
图3为本发明图1中开挖工序质量评价模块的功能框架图。
图4为本发明图1中初期支护质量评价模块的功能框架图。
图5为本发明图1中二次衬砌质量评价模块的功能框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付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。
实施例1，如图1所示，一种隧道全工序施工质量数字化评价***，包括数据采集及预处理模块、开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块、全工序施工质量评价模块，数据采集及预处理模块分别与开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块均与全工序施工质量评价模块相连接，数据采集及预处理模块对获取的三维点云数据进行预处理，并传输给开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块和二次衬砌质量评价模块；开挖工序质量评价模块对预处理后隧道掌子面开挖段的点云数据进行分析，并计算开挖工序段的施工质量评价指标；初期支护质量评价模块对预处理后初期支护段的点云数据、混凝土强度数据进行分析，并计算初期支护段的施工质量评价指标；二次衬砌质量评价模块对预处理后二次衬砌段的点云数据、混凝土强度数据进行分析，并计算二次衬砌段的施工质量评价指标；根据开挖工序段、初期支护段及二次衬砌段的各个施工质量评价指标，全工序施工质量评价模块对各个工序的质量评价指标进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级。
如图2所示，数据采集及预处理模块包括激光扫描获取子模块、混凝土强度获取子模块和数据预处理子模块，激光扫描获取子模块与数据预处理子模块相连接，数据预处理子模块与分别开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，混凝土强度获取子模块分别与初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接。
激光扫描获取子模块利用全站式扫描仪对隧道掌子面及其与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取大地绝对坐标系下三维点云数据，数据的类型为X坐标、Y坐标、Z坐标和回波强度值，并在掌子面开挖工序与初期支护工序之间、初期支护工序与二次衬砌工序之间分别设置球形标靶，作为坐标已知点，便于后期利用标靶的大地坐标进行点云分段。混凝土强度获取子模块利用智能电子回弹仪分别对初期支护段、二次衬砌段中隧道岩壁喷涂的混凝土进行测量，获取初期支护段和二次衬砌段的混凝土喷涂强度值。数据预处理子模块对激光扫描获取子模块获取的三维点云数据进行扫描参数设置、噪点数据剔除和点云数据分段，具体实现步骤如下：
S1.3.1，通过修改全站式激光扫描仪的设置参数：扫描距离、点间距、扫描模式，使获取的三维点云数据精度符合现场的需要，实现扫描参数的可配置化；
S1.3.2，统计隧道内台车、施工人员等非目标物体对应的点云回波强度范围，通过比较原始点云数据中回波强度与非目标物体的点云回波强度范围，若原始点云数据中回波强度介于非目标物体的点云回波强度范围内，则剔除隧道台车、施工人员等噪点数据。原始点云数据是利用全站式扫描仪对隧道掌子面及其与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取大地绝对坐标系下的三维点云数据。
S1.3.3，根据掌子面开挖工序与初期支护工序之间球形标靶的大地绝对坐标、初期支护工序与二次衬砌工序之间球形标靶的大地绝对坐标，对步骤S1.3.2中预处理后隧道点云数据进行分段，分别获取隧道掌子面开挖段、初期支护段、二次衬砌段的点云数据。
如图3所示，开挖工序质量评价模块通过对预处理后隧道掌子面开挖段的点云数据进行分析，计算定量化的掌子面开挖质量评价指标进行数字化评价，可分为点云数据解析子模块、超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块，点云数据解析子模块分别与超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块相连接。
点云数据解析子模块通过人机交互方式，在隧道掌子面与周边轮廓的边界点云区域内，按照顺时针或逆时针方向从边界点云区域中依次选择M个点，形成封闭的多边形区域，便于提取隧道掌子面的点云数据。若开挖段点云数据处于封闭的多边形区域的内部，则视为开挖段隧道掌子面的点云数据；否则，视为开挖段隧道轮廓的点云数据。所选点数量M可设置为20-30，需沿隧道轴向方向均匀分布，保证隧道掌子面点云数据提取的完整性。
超欠挖评价子模块通过对预处理后开挖段隧道轮廓的点云数据进行超欠挖分析，计算超欠挖量，用以评价开挖段隧道轮廓的施工质量。超欠挖量通过计算得到，(xaxis,yaxis,zaxis)为开挖段隧道轮廓的轴心点坐标，(x,y,z)为开挖段轴心点所在隧道断面的轮廓点云坐标，R为隧道设计半径，δ为隧道轮廓点云对应的超欠挖量。***进尺评价子模块通过比较实际计算的超欠挖量与超欠挖控制要求，判断开挖段隧道轮廓是否满足超欠挖要求。如果开挖段隧道轮廓的超欠挖量分别处于超过30cm、20～30cm范围、10～20cm范围及10cm以内，则开挖段隧道轮廓的施工质量得分对应为0～40分、40～60分、60～80分、80～100分。
***进尺评价子模块通过对预处理后开挖段隧道掌子面的点云数据进行分析，计算隧道实际***进尺。***进尺通过计算得到，其中，j＝1,2,···N，(xaxis,yaxis,zaxis)为开挖段隧道轮廓的轴心点坐标，为隧道开挖段的掌子面点云坐标，N为隧道开挖段的掌子面点云数量，dblasting为隧道开挖段掌子面的***进尺。***进尺评价子模块以实际***进尺/设计***进尺作为进尺率，用以评价开挖段隧道掌子面的施工质量。如果开挖段掌子面的***进尺率分别处于75％以下、75％～85％、85％～95％及95％～100％，则开挖段隧道掌子面的施工质量得分对应为0～40分、40～60分、60～80分、80～100分。
如图4所示，所述初期支护质量评价模块通过对预处理后隧道初期支护段的点云数据进行分析，计算定量化的初期支护质量评价指标进行数字化评价，可分为拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块和喷涂质量评价子模块，数据预处理子模块分别与拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块相连接，混凝土强度获取子模块与喷涂质量评价子模块相连接。
拱架施工质量评价子模块通过对预处理后初期支护段的点云数据进行分析，精确识别隧道初期支护段拱架的数量及其位置坐标，并计算隧道初期支护段拱架之间的距离。拱架识别通过统计拱架表面对应点云数据的回波强度范围[intensity1,intensity2]，过滤预处理后初期支护段的点云数据，若点云数据的回波强度介于阈值范围[intensity1,intensity2]内，则视为拱架点云数据，从而实现拱架初步识别。利用DBSCAN聚类方法对初步识别的拱架点云数据进行聚类，通过计算初步识别的拱架点云数据的密度，将点云密度不同的拱架视为不同聚类类别，最终获取不同拱架类别下点云数据[arch1,arch2,···,archm]，m为识别拱架的数量。相邻两榀拱架间实际距离通过j＜i≤m且i-j＝1计算得到，/> 分别为相邻第i和j榀拱架表面的点云数据，d为相邻第i和j榀拱架之间的实际距离。通过比较实测相邻两拱架之间的距离与设计相邻拱架之间的距离，计算拱间距偏差值Δd＝|d-ddesign|，ddesign为设计相邻拱架之间的距离，以此判断拱架施工质量是否满足现场要求。以Ⅳ围岩为例，拱架间距为0.8m，如果拱间距偏差的绝对值分别处于超过10cm、5cm～10cm及5cm以内，则拱架施工质量得分为0～60分、60～80分、80～100分。
锚杆施工质量评价子模块通过对预处理初期支护段的点云数据进行分析，精准识别隧道初期支护段锚杆的数量及位置坐标。隧道初期支护段锚杆的识别通过统计锚杆表面对应点云数据的回波强度范围[intensity3,intensity4]，过滤预处理后初期支护段的点云数据，若点云数据的回波强度至介于阈值范围[intensity3,intensity4]内，则视为锚杆点云数据，从而实现锚杆的初步识别。利用DBSCAN聚类方法对初步识别的锚杆点云数据进行聚类，通过计算初步识别的锚杆点云数据的密度，将点云密度不同的锚杆视为不同聚类类别，最终获取不同锚杆类别下点云数据[Bolt1,Bolt2,···,Boltn]，n为识别拱架的数量。锚杆施工质量评价子模块以实际锚杆数量与设计锚杆数量的比值作为评价指标，判断初期支护时锚杆数量是否满足设计要求。如果锚杆实际数量/设计数量的比值分别处于80％以内、80％～95％、超过95％范围，则锚杆施工质量得分为0～60分、60～80分、80～100分。
喷涂质量评价子模块通过将混凝土强度获取子模块测量的初期支护段混凝土实测强度与设计强度相比较，判断隧道壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。规范中按照混凝土材料特性和喷涂后凝结时间确定设计强度。以Ⅳ围岩为例，采用C25混凝土喷涂隧道岩壁，如果24h后混凝土实测强度分别处于<10MPa、10～15MPa，则混凝土强度评价得分分别为0～60分、60～100分。
所述混凝土强度值通过智能电子回弹仪对隧道混凝土壁面进行测量得到，测量前需等待混凝土喷射满24h之后方可进行，使凝结后的隧道壁面具有一定的自稳性。
如图5所示，所述二次衬砌质量评价模块对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行分析，计算定量化的二次衬砌质量评价指标进行数字化评价，可分为空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块及壁面施工质量评价子模块。数据预处理子模块分别与空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块相连接，混凝土强度获取子模块与壁面施工质量评价子模块相连接。
空洞检测子模块通过对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行分析，精确识别空洞的高度值。考虑到空洞所在平面与二次衬砌段隧道壁面不在同一圆柱面内，空洞识别通过最小二乘拟合方法对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行柱面拟合，获取隧道二次衬砌段点云数据所处的圆柱面。如果不在拟合圆柱面内的点云数据，则视为空洞区域。空洞高度值通过计算得到，(xhole,yhole,zhole)为空洞区域内点云坐标，/>为空洞区域对应的隧道轴心点坐标，R为隧道设计半径，σ为空洞高度值。空洞检测子模块通过与二次衬砌段空洞高度值的控制要求进行比较，判断混凝土施工是否满足施工要求。如果空洞高度分别处于≥45cm范围、30cm～45cm、5cm～30cm、≤5cm，则空洞检测评价得分为0～40分、40～60分、60～80分、80～100分。
混凝土厚度评价子模块通过对预处理后二次衬砌段的点云数据进行分析，计算二次衬砌段混凝土的喷涂厚度。喷涂厚度通过计算得到，(xaxis,yaxis,zaxis)为二次衬砌段隧道轮廓的轴心点坐标，(xlining,ylining,zlining)为二次衬砌段轴心点所在隧道断面的轮廓点云坐标，η为隧道初期支护段喷涂混凝土的设计厚度，R为隧道设计半径，ε为二次衬砌段混凝土的喷涂厚度。通过与二次衬砌段混凝土设计的喷涂厚度进行比较，判断混凝土厚度是否满足施工要求。如果二次衬砌段混凝土的喷涂厚度分别处于45cm以内、超过45范围，则混凝土厚度评价得分为0～60分、60～100分。
壁面施工质量评价子模块通过将混凝土强度获取子模块测量的二次衬砌段混凝土实测强度与设计强度相比较，判断隧道二次衬砌段壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。规范中按照混凝土材料特性和喷涂后凝结时间确定设计强度。以Ⅳ围岩为例，采用C25混凝土喷涂隧道岩壁，如果24h后混凝土实测强度分别处于<10MPa、10～15MPa，则壁面施工质量得分为0～60分、60～100分。
混凝土强度值通过智能电子回弹仪对隧道混凝土壁面进行测量得到，测量前需等待混凝土喷射满24h之后方可进行，使凝结后的隧道壁面具有一定的自稳性。
全工序施工质量评价模块分别与超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块、拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块、喷涂质量评价子模块、空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块和壁面施工质量评价子模块相连接。所述全工序施工质量评价模块可对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级，具体实施步骤为：
S5.1，选取开挖工序施工质量评价模块中超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块的最低分，作为开挖工序施工质量评价模块的得分，便于项目管理人员对开挖工序中分值较低的评价指标进行准确定位，及时优化施工工序的作业流程；
S5.2，选取初期支护质量评价模块中拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块、喷涂质量评价子模块的最低分，作为初期支护质量评价模块的得分，便于项目管理人员对初期支护中分值较低的评价指标进行准确定位，及时优化施工工序的作业流程；
S5.3，选取二次衬砌质量评价模块中空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块、壁面施工质量评价子模块的最低分，作为二次衬砌质量评价模块的得分，便于项目管理人员对二次衬砌中分值较低的评价指标进行准确定位，及时优化施工工序的作业流程；
S5.4，通过对开挖工序施工质量评价模块、初期支护质量评价模块及二次衬砌质量评价模块的得分进行累加求和，作为全工序施工质量评价模块的总得分，若总得分处于0～180、180～225、225～270、270～300范围内，隧道全工序施工质量等级依次评为优秀、良好、及格、不及格。
本发明可以对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，具有良好的通用性。
实施例2，一种隧道全工序施工质量数字化评价方法，包括如下步骤：***开挖结束后，利用激光扫描仪对隧道掌子面及其与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取三维点云数据；提取隧道掌子面开挖段的点云数据，并计算开挖工序中施工质量评价指标；提取初期支护段的点云数据，并计算初期支护段的施工质量评价指标；提取二次衬砌段的点云数据，并计算二次衬砌段的施工质量评价指标；根据开挖工序段、初期支护段及二次衬砌段的各个质量评价指标，对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级，具有良好的通用性。
优选地，所述开挖工序中施工质量评价指标包括超欠挖量和隧道实际***进尺与设计***进尺的比率；所述初期支护段的施工质量评价指标包括相邻拱架之间的距离、实际锚杆数量与设计锚杆数量的比值、初期支护段混凝土实测强度；所述二次衬砌段的施工质量评价指标包括空洞的高度值、二次衬砌段混凝土的喷涂厚度和二次衬砌段混凝土实测强度。
优选地，所述综合评级包括对隧道壁面的全工序施工质量进行评价，实现方法为：利用智能电子回弹仪对初期支护段、二次衬砌段的隧道壁面混凝土进行测量，分别获取初期支护段、二次衬砌段的混凝土强度，获取的混凝土强度与混凝土设计强度比较，确定隧道壁面的全工序施工质量得分，从而判断壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，包括数据采集及预处理模块、开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块、全工序施工质量评价模块，数据采集及预处理模块分别与开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块均与全工序施工质量评价模块相连接；
所述数据采集及预处理模块对获取的三维点云数据进行预处理，并传输给开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块和二次衬砌质量评价模块；所述开挖工序质量评价模块对预处理后隧道掌子面开挖段的点云数据进行分析，并计算开挖工序段的施工质量评价指标；所述初期支护质量评价模块对预处理后初期支护段的点云数据、混凝土强度数据进行分析，并计算初期支护段的施工质量评价指标；所述二次衬砌质量评价模块对预处理后二次衬砌段的点云数据、混凝土强度数据进行分析，并计算二次衬砌段的施工质量评价指标；所述全工序施工质量评价模块根据开挖工序段、初期支护段及二次衬砌段的各个施工质量评价指标，对各个工序的质量评价指标进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级。
2.根据权利要求1所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述数据采集及预处理模块包括激光扫描获取子模块、混凝土强度获取子模块和数据预处理子模块，激光扫描获取子模块与数据预处理子模块相连接，数据预处理子模块与分别开挖工序质量评价模块、初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接，混凝土强度获取子模块分别与初期支护质量评价模块、二次衬砌质量评价模块相连接。
3.根据权利要求2所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述激光扫描获取子模块利用全站式扫描仪对隧道掌子面及隧道掌子面与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取大地绝对坐标系下三维点云数据；所述混凝土强度获取子模块利用智能电子回弹仪分别对初期支护段、二次衬砌段中隧道岩壁喷涂的混凝土进行测量，获取初期支护段和二次衬砌段的混凝土喷涂强度值；所述数据预处理子模块对激光扫描获取子模块获取的三维点云数据进行扫描参数设置、噪点数据剔除和点云数据分段，分别获取隧道掌子面开挖段、初期支护段、二次衬砌段的点云数据；所述点云数据的类型为X坐标、Y坐标、Z坐标和回波强度值。
4.根据权利要求2或3所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述开挖工序质量评价模块包括点云数据解析子模块、超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块，点云数据解析子模块分别与超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块相连接；
所述点云数据解析子模块通过人机交互方式，在隧道掌子面与周边轮廓的边界点云区域内，按照顺时针或逆时针方向从边界点云区域中依次选择M个点，形成封闭的多边形区域，若开挖段点云数据处于封闭的多边形区域的内部，则视为开挖段隧道掌子面的点云数据；否则，视为开挖段隧道轮廓的点云数据；
所述超欠挖评价子模块通过对预处理后开挖段隧道轮廓的点云数据进行超欠挖分析，计算超欠挖量，通过比较超欠挖量与超欠挖控制要求，判断开挖段隧道轮廓是否满足超欠挖要求，用以评价开挖段隧道轮廓的施工质量；
所述***进尺评价子模块通过对预处理后开挖段隧道掌子面的点云数据进行分析，计算隧道实际***进尺，以实际***进尺/设计***进尺作为进尺率，用以评价开挖段隧道掌子面的施工质量。
5.根据权利要求4所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述超欠挖量其中，(xaxis,yaxis,zaxis)为开挖段隧道轮廓的轴心点坐标，(x,y,z)为开挖段轴心点所在隧道断面的轮廓点云坐标，R为隧道设计半径；
所述***进尺其中，j＝1,2,···N，/>为隧道开挖段的掌子面点云坐标，N为隧道开挖段的掌子面点云数量，dblasting为隧道开挖段掌子面的***进尺。
6.根据权利要求4所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述初期支护质量评价模块包括拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块和喷涂质量评价子模块，数据预处理子模块分别与拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块相连接，混凝土强度获取子模块与喷涂质量评价子模块相连接；
所述拱架施工质量评价子模块通过对预处理后初期支护段的点云数据进行分析，精确识别隧道初期支护段拱架的数量及其位置坐标，并计算隧道初期支护段拱架之间的距离；通过比较计算的相邻两拱架之间的距离与设计相邻拱架之间的距离，计算拱间距偏差值Δd＝|d-ddesign|，ddesign为设计相邻拱架之间的距离，以此判断拱架施工质量是否满足现场要求；
所述锚杆施工质量评价子模块通过对预处理初期支护段的点云数据进行分析，精准识别隧道初期支护段锚杆的数量及位置坐标；以实际锚杆数量与设计锚杆数量的比值作为评价指标，判断初期支护时锚杆数量是否满足设计要求；
所述喷涂质量评价子模块通过将混凝土强度获取子模块测量的初期支护段混凝土实测强度与设计强度相比较，判断隧道壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
7.根据权利要求6所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述隧道初期支护段拱架的识别通过统计拱架表面对应点云数据的回波强度范围[intensity1,intensity2]，过滤预处理后初期支护段的点云数据，若点云数据的回波强度介于阈值范围[intensity1,intensity2]内，则视为拱架点云数据，从而实现拱架初步识别；利用DBSCAN聚类方法对初步识别的拱架点云数据进行聚类，通过计算初步识别的拱架点云数据的密度，将点云密度不同的拱架视为不同聚类类别，最终获取不同拱架类别下点云数据[arch1,arch2,···,archm]，m为识别拱架的数量；相邻两榀拱架间实际距离通过且i-j＝1计算得到，/>分别为相邻第i和j榀拱架表面的点云数据，d为相邻第i和j榀拱架之间的实际距离；
所述隧道初期支护段锚杆的识别通过统计锚杆表面对应点云数据的回波强度范围[intensity3,intensity4]，过滤预处理后初期支护段的点云数据，若点云数据的回波强度至介于阈值范围[intensity3,intensity4]内，则视为锚杆点云数据，从而实现锚杆的初步识别；利用DBSCAN聚类方法对初步识别的锚杆点云数据进行聚类，通过计算初步识别的锚杆点云数据的密度，将点云密度不同的锚杆视为不同聚类类别，最终获取不同锚杆类别下点云数据[Bolt1,Bolt2,···,Boltn]，n为识别拱架的数量。
8.根据权利要求6所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述二次衬砌质量评价模块包括空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块及壁面施工质量评价子模块，数据预处理子模块分别与空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块相连接，混凝土强度获取子模块与壁面施工质量评价子模块相连接；
所述空洞检测子模块通过对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行分析，精确识别空洞的高度值，通过与二次衬砌段空洞高度值的控制要求进行比较，判断混凝土施工是否满足施工要求；
所述混凝土厚度评价子模块通过对预处理后二次衬砌段的点云数据进行分析，计算二次衬砌段混凝土的喷涂厚度，通过与二次衬砌段混凝土设计的喷涂厚度进行比较，判断混凝土厚度是否满足施工要求；
所述壁面施工质量评价子模块通过将混凝土强度获取子模块测量的二次衬砌段混凝土实测强度与设计强度相比较，判断隧道二次衬砌段壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
9.根据权利要求8所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述空洞的识别通过最小二乘拟合方法对预处理后隧道二次衬砌段的点云数据进行柱面拟合，获取隧道二次衬砌段点云数据所处的圆柱面；如果不在拟合圆柱面内的点云数据，则视为空洞区域；所述空洞的高度值(xhole,yhole,zhole)为空洞区域内点云坐标，/>为空洞区域对应的隧道轴心点坐标，R为隧道设计半径；
所述喷涂厚度(xaxis,yaxis,zaxis)为二次衬砌段隧道轮廓的轴心点坐标，(xlining,ylining,zlining)为二次衬砌段轴心点所在隧道断面的轮廓点云坐标，η为隧道初期支护段喷涂混凝土的设计厚度，R为隧道设计半径。
10.根据权利要求8所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述全工序施工质量评价模块分别与超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块、拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块、喷涂质量评价子模块、空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块和壁面施工质量评价子模块相连接。
11.根据权利要求10所述的隧道全工序施工质量数字化评价***，其特征在于，所述全工序施工质量评价模块可对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级，实施步骤为：
S5.1，选取开挖工序施工质量评价模块中超欠挖评价子模块、***进尺评价子模块的最低分，作为开挖工序施工质量评价模块的得分；
S5.2，选取初期支护质量评价模块中拱架施工质量评价子模块、锚杆施工质量评价子模块、喷涂质量评价子模块的最低分，作为初期支护质量评价模块的得分；
S5.3，选取二次衬砌质量评价模块中空洞检测子模块、混凝土厚度评价子模块、壁面施工质量评价子模块的最低分，作为二次衬砌质量评价模块的得分；
S5.4，通过对开挖工序施工质量评价模块、初期支护质量评价模块及二次衬砌质量评价模块的得分进行累加求和，作为全工序施工质量评价模块的总得分，若总得分处于0～180、180～225、225～270、270～300范围内，隧道全工序施工质量等级依次评为优秀、良好、及格、不及格。
12.一种利用权利要求1-11所述的隧道全工序施工质量数字化评价***的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
***开挖结束后，利用激光扫描仪对隧道掌子面及其与二次衬砌之间隧道轮廓进行全过程扫描，获取三维点云数据；
提取隧道掌子面开挖段的点云数据，并计算开挖工序中施工质量评价指标；
提取初期支护段的点云数据，并计算初期支护段的施工质量评价指标；
提取二次衬砌段的点云数据，并计算二次衬砌段的施工质量评价指标；
根据开挖工序段、初期支护段及二次衬砌段的各个质量评价指标，对各个工序的质量评价指标对全工序施工质量的影响进行综合评级，最终获取隧道全工序施工质量等级。
13.根据权利要求12所述的评价方法，其特征在于，所述开挖工序中施工质量评价指标包括超欠挖量和隧道实际***进尺与设计***进尺的比率；所述初期支护段的施工质量评价指标包括相邻拱架之间的距离、实际锚杆数量与设计锚杆数量的比值、初期支护段混凝土实测强度；所述二次衬砌段的施工质量评价指标包括空洞的高度值、二次衬砌段混凝土的喷涂厚度和二次衬砌段混凝土实测强度。
14.根据权利要求13所述的评价方法，其特征在于，所述综合评级包括对隧道壁面的全工序施工质量进行评价，实现方法为：利用智能电子回弹仪对初期支护段、二次衬砌段的隧道壁面混凝土进行测量，分别获取初期支护段、二次衬砌段的混凝土强度，获取的混凝土强度与混凝土设计强度比较，确定隧道壁面的全工序施工质量得分，从而判断壁面喷射的混凝土强度是否满足施工要求。
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2021
- 2021-05-17 CN CN202110533227.2A patent/CN113222416B/zh active Active
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