1.本发明涉及一种隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法及存储介质，属于隧道工程施工技术领域。
背景技术：
2.在现有隧道挖掘的施工方法中，无论是tbm(利用岩石隧道掘进在岩石层中暗挖隧道的一种施工方法)，还是钻爆法机械开挖，初期支护对于保证周围岩石的稳定性、保障人员和隧道掘进装备的安全性具有重要意义。喷浆作为初期支护的一个重要手段，现有喷浆量计算方法依赖于人为经验判断，且不同围岩条件下隧道轮廓的喷浆量差异较大。即使在同一围岩条件下，受隧道掘进装备开始挖掘的扰动、岩壁局部裂隙发育情况的影响，不同区域处隧道轮廓的超挖量或是欠挖量也不尽相同。因此，实际的隧道轮廓喷浆量也不相同。如果实际的隧道喷浆量过多，则增加了施工成本、工期，从而造成资源的极大浪费；如果实际的隧道喷浆量不满足岩壁初期支护要求，容易诱发岩壁塌陷、工程设备损坏及人员伤亡。因此，准确地获取隧道轮廓喷浆量对于降低施工成本、提高隧道岩壁初期支护的稳定性具有至关重要的意义。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法及存储介质，用于解决现有隧道掘进装备喷浆量计算方法依赖于人为经验估计且不同区域处隧道轮廓的的喷浆量难以准确计算的问题。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种隧道掘进装备喷浆量计算方法，包括如下步骤：
5.1)对隧道临空面进行扫描，获取隧道轮廓点云数据；
6.2)根据预先获得的隧道桩号及对应的隧道轴心点坐标，获得隧道轴线点坐标矩阵；
7.3)对每个隧道轴线点，将其对应的隧道断面所在平面上的隧道轮廓点云数据划分为若干个曲面单元；
8.4)提取各个隧道断面上待计算喷浆量的曲面单元，根据各个隧道断面的隧道轴线点坐标及其对应的待计算喷浆量的曲面单元的点云数据，计算每个隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元的待喷浆量；沿着隧道轴线方向，对各个隧道轴线点所对应的隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元的待喷浆量进行累加求和，获得单位隧道长度的隧道喷浆量。
9.本发明提供了一种隧道掘进装备喷浆量的自动精确计算方法，现有隧道掘进装备喷浆量计算方法依赖于人为经验估计且不同区域处隧道轮廓的喷浆量难以准确计算。本发明方法的步骤为：获取初期支护段隧道轮廓的三维点云数据，并进行降噪处理；根据隧道桩号与对应轴心点坐标，获取相邻两个桩号之间的隧道轴线方程和轴线坐标矩阵；对预处理后初期支护段的隧道轮廓点云数据，沿着隧道轴线方向将隧道轮廓的点云数据划分为n个
曲面单元；根据稀疏化后初期支护段的隧道轮廓点云数据、轴线坐标矩阵c，沿着隧道轴线方向逐个对曲面单元质心点计算喷浆量。本发明可实现隧道轮廓喷浆量的精准计算，且计算效率高效，适用于tbm法施工装备、钻爆法隧道机械化施工装备。
10.进一步的，步骤3)中，还对隧道轮廓点云数据进行稀疏化处理，获取曲面单元的质心点数据，以曲面单元的质心点数据代表该曲面单元的点云数据。
11.本发明对隧道轮廓点云数据进行稀疏化处理，以曲面单元的质心点代表曲面单元的点云数据，从而减少后续喷浆量的计算成本。
12.进一步的，采用体素下采样方法对隧道轮廓点云数据进行稀疏化处理。
13.进一步的，步骤4)中，提取各个隧道断面上待计算喷浆量的曲面单元的方法为，该隧道断面所在平面上，距离对应的隧道轴线点设定范围内的质心点数据所对应的曲面单元，为该隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元。
14.进一步的，所述设定范围为以该隧道断面上的隧道轴线点为圆心、隧道断面提取半径为半径的圆形范围；所述隧道断面提取半径大于隧道设计半径两倍。
15.提取隧道断面所在平面上以隧道轴线点为圆心，两倍于隧道设计半径的长度为半径的圆的范围内的质心点数据曲面单元，保证喷浆量计算准确。
16.进一步的，每个断面单元的待喷浆量的计算方法为：
[0017][0018]
其中，为第k个隧道轴线点所在隧道断面的第i个曲面单元的喷浆量，为第k个隧道轴线点坐标，为第k个隧道轴线点所在隧道断面的第i个曲面单元的质心点坐标，l2为曲面单元的面积，r为隧道设计半径。
[0019]
进一步的，步骤1)中，对隧道轮廓点云数据进行降噪处理，剔除隧道滤波轮廓之外的噪声数据。
[0020]
进一步的，所述隧道滤波轮廓的下限为0.5～0.9倍的隧道设计半径，上限为1.1～1.5倍的隧道设计半径。
[0021]
进一步的，步骤2)中，采用线性插值法获得隧道轴线点坐标矩阵。
[0022]
本发明的一种计算机存储介质，所述计算机存储介质储存有实现如上所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法的计算机程序。
附图说明
[0023]
图1为本发明隧道掘进装备喷浆量计算方法的流程图；
[0024]
图2为隧道掘进装备喷浆量自动计算结果的可视化效果。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。所述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，本邻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。
[0026]
方法实施例：
[0027]
如图1所示，一种隧道掘进装备喷浆量通用化自动计算方法，其步骤如下：
[0028]
s1、通过激光扫描仪对初期支护(对隧道侧壁及周边环境采用的支档、加固与保护措施)后的隧道轮廓进行扫描，获取原始的激光点云数据，对激光点云数据进行点云数据降噪处理，剔除隧道轮廓之外的点云数据；
[0029]
s1.1、利用激光扫描仪对初期支护后的隧道轮廓进行扫描，获取原始的三维点云数据，包含x/y/z/intensity数据；
[0030]
s1.2、根据预先设计的隧道半径r及滤波尺度因子α、β，计算出点云滤波半径：r1＝α
·
r、r2＝β
·
r，其中，r1为小尺度滤波半径，r2为大尺度滤波半径，α为小尺度滤波因子，通常取0.5～0.9，β为大尺度滤波因子，通常取1.1～1.5。如果隧道点云数据处于小尺度滤波半径r1、大尺度滤波半径r2之间，则保留原始点云数据；否则，剔除隧道轮廓之外的非目标点云数据(噪声)，获取降噪后隧道轮廓点云数据。
[0031]
s2、根据预先获得的隧道桩号与对应轴心点坐标(x
axis1
，y
axis1
，z
axis1
)、(x
axis2
，y
axis2
，z
axis2
)，对相邻两个桩号所对应的相邻的两个隧道轴心点之间进行线性插值拟合，获取相邻两个桩号之间的隧道轴线方程和轴线坐标矩阵；
[0032]
s2.1、根据相邻隧道桩对应的隧道轴心点坐标(x
startpoint
，y
startpoint
，z
startpoint
)、(x
endpoint
，y
endpoint
，z
endpoint
)，计算相邻隧道轴心点坐标在x轴/y轴/z轴方向的坐标增量：
[0033]
δx＝x
endpoint
?
x
startpoint
[0034]
δy＝y
endpoint
?
y
startpoint
[0035]
δz＝z
endpoint
?
z
startpoint
[0036]
s2.2、根据隧道轴心点坐标及其坐标增量，获取相邻两个隧道桩之间的隧道轴线方程：
[0037][0038]
式中，(x，y，z)为相邻两个轴心点(x
startpoint
，y
startpoint
，z
startpoint
)、(x
endpoint
，y
endpoint
，z
endpoint
)之间线性插值点的坐标。
[0039]
s2.3、设线性插值点的间隔d
spacing
，根据步骤s2.2中隧道轴线方程计算轴线点坐标获取相邻两个隧道桩之间的隧道轴线坐标矩阵
[0040][0041][0042][0043]
式中，为相邻两个隧道轴心点之间第k个线性插值点的轴线点坐标，m为相邻两个隧道轴心点之间通过线性插值拟合后轴线点的数量。
[0044]
s3、对初期支护段的隧道轮廓点云数据进行预处理之后，沿着隧道径线方向在插值后的各个隧道轴线点所对应的隧道断面所在平面上将隧道轮廓点云数据划分为n个曲面单元。本发明采用体素下采样方法对预处理后初期支护段的隧道轮廓点云数据进行稀疏化处理，体素下采样方法是通过输入的点云数据创建一个体素栅格，然后在每个体素内，用体
素内中所有点的质心来近似代表体素内其他点，这样该体系内所有点就用一个质心点来最终表示。处理后获取稀疏化后隧道轮廓内曲面单元的质心点数据集，以曲面单元的质心点代表曲面单元的点云数据，从而减少后续喷浆量的计算工作。其中，体素下采样方法中参数leafsize＝l*l代表每个曲面单元的尺寸，通常leafsize尺寸设置为35cm*35cm。
[0045]
s4、根据稀疏化后初期支护段的隧道轮廓点云数据、隧道轴线坐标矩阵c，沿着隧道轴线方向逐个对曲面单元质心点计算喷浆量，具体步骤如下：
[0046]
s4.1、根据实际隧道挖掘的隧道断面半径r3、隧道轴线坐标矩阵c中的轴线点坐标，提取轴线点所对应隧道断面的曲面单元质心点数据，如果稀疏化后初期支护段的隧道轮廓点云数据处于以轴线点坐标为圆心、r3为半径的圆面上，则视为轴线点所对应隧道断面的曲面单元质心点数据，其中r3＝2r；其意义在于提取到的质心点的点云数据是以隧道设计半径r的两倍为基础，保证隧道断面上喷浆所关注的所有曲面单元都能够被纳入计算。
[0047]
s4.2、根据隧道轴线点坐标及其对应隧道断面的曲面单元质心点数据，计算每个曲面单元的喷浆量：
[0048][0049]
式中，为第k个轴线点所在隧道断面的第i个曲面单元的喷浆量，为第k个轴线点坐标，为第k个轴线点所在隧道断面的第i个曲面单元的质心点坐标，l2为每个曲面单元质心点所代表的曲面单元面积，r为隧道设计半径。
[0050]
s4.3、如图2所示，沿着隧道轴线方向，对曲面单元的待喷浆量进行累加求和，获取相邻两个隧道桩号之间初期支护段隧道轮廓的喷浆量volume：
[0051][0052]
式中，m为相邻两个隧道轴心点之间通过线性插值后轴线点的数量，n
k
为第k个轴线点所在隧道断面的曲面单元划分数量，且满足
[0053]
计算机存储介质实施例
[0054]
计算机存储介质，储存有隧道掘进装备喷浆量计算方法的程序，隧道掘进装备喷浆量计算方法的程序被至少一个处理器执行时，实现隧道掘进装备喷浆量的计算。隧道掘进装备喷浆量计算方法已在方法实施例中介绍的足够清楚，本实施例不再赘述。
[0055]
本实施例所称的介质是，存储有计算机程序指令的可编程数据处理设备。例如，可以是单片机或工控机，和/或是其他独立的存储器、内存储器。上述介质还可以是一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
?
rom、光学存储器等)。技术特征：
1.一种隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对隧道临空面进行扫描，获取隧道轮廓点云数据；2)根据预先获得的隧道桩号及对应的隧道轴心点坐标，获得隧道轴线点坐标矩阵；3)对每个隧道轴线点，将其对应的隧道断面所在平面上的隧道轮廓点云数据划分为若干个曲面单元；4)提取各个隧道断面上待计算喷浆量的曲面单元，根据各个隧道断面的隧道轴线点坐标及其对应的待计算喷浆量的曲面单元的点云数据，计算每个隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元的待喷浆量；沿着隧道轴线方向，对各个隧道轴线点所对应的隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元的待喷浆量进行累加求和，获得单位隧道长度的隧道喷浆量。2.根据权利要求1所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，步骤3)中，还对隧道轮廓点云数据进行稀疏化处理，获取曲面单元的质心点数据，以曲面单元的质心点数据代表该曲面单元的点云数据。3.根据权利要求2所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，采用体素下采样方法对隧道轮廓点云数据进行稀疏化处理。4.根据权利要求1所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，步骤4)中，提取各个隧道断面上待计算喷浆量的曲面单元的方法为，该隧道断面所在平面上，距离对应的隧道轴线点设定范围内的质心点数据所对应的曲面单元，为该隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元。5.根据权利要求4所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，所述设定范围为以该隧道断面上的隧道轴线点为圆心、隧道断面提取半径为半径的圆形范围；所述隧道断面提取半径大于隧道设计半径。6.根据权利要求5所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，每个断面单元的待喷浆量的计算方法为：其中，为第k个隧道轴线点所在隧道断面的第i个曲面单元的喷浆量，为第k个隧道轴线点坐标，为第k个隧道轴线点所在隧道断面的第i个曲面单元的质心点坐标，l2为曲面单元的面积，r为隧道设计半径。7.根据权利要求3或6所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，步骤1)中，对隧道轮廓点云数据进行降噪处理，剔除隧道滤波轮廓之外的噪声数据。8.根据权利要求7所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，所述隧道滤波轮廓的下限为0.5～0.9倍的隧道设计半径，上限为1.1～1.5倍的隧道设计半径。9.根据权利要求8所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法，其特征在于，步骤2)中，采用线性插值法获得隧道轴线点坐标矩阵。10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质储存有实现如权利要求1～9任一项所述的隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法的计算机程序。
技术总结
本发明提供了一种隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法及存储介质，方法包括如下步骤：1)对隧道临空面进行扫描，获取隧道轮廓点云数据；2)根据预先获得的隧道桩号及对应的隧道轴心点坐标，获得隧道轴线点坐标矩阵；3)对每个隧道轴线点，将其对应的隧道断面所在平面上的隧道轮廓点云数据划分为若干个曲面单元；4)提取各个隧道断面上待计算喷浆量的曲面单元，根据各个隧道断面的隧道轴线点坐标及其对应的待计算喷浆量的曲面单元的点云数据，计算每个隧道断面的待计算喷浆量的曲面单元的待喷浆量；最终实现隧道轮廓喷浆量的精准计算。最终实现隧道轮廓喷浆量的精准计算。最终实现隧道轮廓喷浆量的精准计算。
技术研发人员：郑赢豪 荆留杰 贾正文 赵严振 游宇嵩 徐受天 牛孔肖 李鹏宇 陈帅 孙森震 时洋 鞠翔宇 王永胜 徐剑安 刘涛
受保护的技术使用者：中铁工程装备集团有限公司
技术研发日：2021.07.14
技术公布日：2021/11/23
声明：
“隧道掘进装备喷浆量通用化计算方法及存储介质与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中铁工程装备集团有限公司
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2024年07月25日 ~ 27日 
