地铁隧道横向变形的激光扫描检测方法及应用

随着城市轨道交通运营里程数的快速增长,作为一种典型病害的地铁盾构隧道结构横向变形亟需快速精准的检测方法。传统检测方法大多采用人工操作全站仪的方式进行检测,具有成本高、效率低等不足。移动激光扫描是一种通过快速采集高精度、高密度的点云数据来检测盾构隧道结构变形的新型技术,与传统检测方法相比具有显著优势。基于该技术,本文提出一种针对地铁盾构隧道横向变形的快速检测方法。该方法通过圆柱拟合与空间投影提取横断面,建立修正强度模型并进行噪声剔除,实现隧道横向变形的计算和统计。研究表明:该方法能有效地提取隧道横断面数据,准确地剔除管道、支架等干扰物噪声;与传统检测结果相比,该方法的误差在2 mm以内,验证了该方法在地铁隧道衬砌结构的横向变形检测中具备较高的准确性及可靠性,能够满足实际工程需要。     

基于移动三维激光扫描的地铁隧道结构监测方法

地铁隧道为超长线状结构,传统健康监测技术通过埋设传感器来诊断评估结构安全状态,存在传感器需求量大、监测点布设复杂、采集传输硬件的安装维护困难等缺点。本文针对传统健康监测技术的缺点,建立了基于移动三维激光扫描的地铁隧道三维全景监测系统。该系统采用移动三维激光扫描技术,通过沿轨道匀速移动三维扫描仪,提取地铁隧道管片和轨道的三维点云数据。通过对点云数据的切片、去噪、曲线拟合处理后,计算隧道的断面变形值、净空收敛值、管片错台值和轨道的轨距变化值,并与隧道的设计值比较,分析判断各指标参数的健康度,进而评估隧道的健康状况。分析结果表明:移动三维激光扫描技术能高精度、高效率地监测地铁的断面变形、净空收敛、管片错台和轨道变形,在超长线状隧道运营管理中具有广阔的应用前景。     

基于透视强度影像特征的点云配准算法

针对大规模测绘项目,靶标的布设和定位通常耗费大量人力。本文提出基于透视强度影像特征的点云配准算法,对于站—站配准,首先利用点云数据生成待配准点云的透视强度影像;其次,从强度影像中提取角点,通过特征匹配的方法确定同名点,并将同名点的像点坐标转换为物方三维坐标;最后,依据同名点的三维坐标,基于奇异值分解方法估计站—站之间的配准参数,并在配准参数解算过程中使用随机抽样一致算法剔除同名点粗差。通过实验结果验证该方法的稳健性和有效性。     

基于三维概率积分法的采空区残余变形对新建桑掌隧道影响研究

国道307、207线阳泉市绕城改线工程中桑掌隧道穿越多个采空区，利用有限开采全盆地残余移动变形数学模型，通过C语言编制计算程序，对矿区长2 100 m、宽1 500 m范围进行残余沉降计算，进而提取研究区域内隧道轴线所在点的沉降结果，得到隧道轴线的残余变形值。计算得出的地表残余变形值均满足规范容许值，可以推断桑掌隧道采空区场地基本稳定。     

盾构隧道纵向结构变形模式及理论模型#br#

盾构隧道在长期运营中极易发生不均匀沉降及纵向结构变形，因而有必要建立隧道纵向结构计算模型，分析隧道纵向变形及内力特征。首先探讨隧道纵向变形模式，将隧道变形归纳为两种模式：①弯曲变形模式；②错台变形模式。其次针对现有纵向结构计算模型进行总结并分析其优缺点，根据模型的简化过程将现有模型归纳为两类：①纵向管片环-接头模型；②纵向等效连续化模型。针对隧道实际剪切错台变形的特点，重点介绍一种基于铁木辛柯梁理论的隧道纵向连续化模型，并通过实例分析其优越性。     

城市隧道施工地层变形时空统一预测理论及应用研究

随着中国城市建设的快速发展,城市地铁、市政道路隧道、各种市政地下隧道在城市中也得到了很大的发展.由于城市中建筑物和地下管线密布,隧道施工将不可避免的引起周边地层的移动和变形,并可能对已有建筑管线设施产生不利影响.在前人研究的基础上,从隧道施工引起的地层移动与变形的机制出发,以随机介质理论为基础,并结合土体固结压密理论以及Mindlin弹性理论等,考虑隧道开挖地层移动与变形的时间-空间发展过程,系统的对城市隧道矿山法及盾构法施工引起的地层移动与变形的相关问题进行了研究,推导了相应的计算公式,并从理论角度探讨了隧道施工地层变形的影响因素及其影响程度.最后结合概率理论探讨了地层变形计算的可靠性,主要完成了以下研究内容:博士学位论文(1) 以随机介质理论为基础,从单元开挖引起的地层变形出发,建立了能考虑隧道反复施工停工、隧道掘进速度变化、隧道地质条件变化、单隧道多分部开挖、多隧道平行或交叠施工及半无限开挖等多种不同施工条件下地层变形的时间-空间统一计算公式,真正实现了对地层变形时空过程的实时预测.(2) 研究了隧道施工地层变形计算参数的确定方法,分析了隧道洞内收敛变形的时间过程,提出了因隧道洞内监测滞后所造成的数据缺失问题的处理方法,确定了隧道洞内地层损失的具体计算方法,进一步研究了地层变形计算参数的动态反分析方法.(3) 针对不同的隧道开挖横断面形状,推导了圆形隧道、椭圆形隧道、马蹄形隧道以及其他任意形状隧道施工引起的地层变形的具体计算公式,并从满足工程应用的角度出发,提出了隧道施工地层变形计算的简化方法.(4) 探讨了岩土降水引起的地层有效应力的时空变化过程,从单元有效应力变化引起的单元体积变化出发,推导了单元土体疏水压缩引起的地层变形计算公式,并进一步讨论了在隧道开挖的同时导致土层部分疏水情况下地层变形时空过程的具体计算方法,解决了疏水引起的地层变形时空过程的计算问题.(5) 从经典的Mindlin弹性理论公式出发,考虑盾构施工推进过程中盾构机位置不断变化的实际情况,建立了盾构施工推进过程的力学计算模型,由此推导了盾构推进工作面附加压力以及盾构机外壁与土层摩擦力作用下隧道周边地层变形的计算公式,解决了盾构法施工隧道工作面附近地层变形在时间和空间上的准确计算问题.(6) 考虑隧道施工过程中地层参数、施工参数等对隧道周边地层变形的随机性影响.将可靠度理论、随机介质理论以及其他相关理论相结合,研究了隧道施工地层变形计算的可靠性;同时针对目前相关计算参数的统计资料还比较欠缺的实际情况,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)理论通过计算机对随机变量进行取样,实现了按可靠度理论对地层变形进行具体计算.(7) 根据理论研究成果,采用VC 6.0和MATLAB联合编程的方法,编制开发了地层变形时空统一计算软件.该软件能实现矿山法隧道、盾构法隧道多分部施工以及施工降水等引起的地层变形的确定性计算、可靠性计算和多维图形显示,并具有计算参数反分析和存储功能,多个工程实例的计算验证了程序的可靠性.(8) 讨论了隧道纵向施工分部前后间距,对向(背)向施工、横断面施工分块、施工掘进速度、地下水位降深和降水井距隧道距离进行研究,盾构隧道工作面附加压力、壳壁与土层摩擦力等施工因素影响下地层变形的时空变化规律,为隧道施工中采取工程措施控制地层变形,保护隧道周边建筑管线设施的安全提供了依据.     

复杂条件下基于三维激光扫描技术的某过江隧道形变监测研究

针对隧道内部空间狭窄、设施较多、视野受限等复杂条件,常规的基于三维激光技术的隧道变形监测技术应用受到了限制。本文基于标靶球提取监测点位置,根据标靶球球心位置计算基准监测点与变形监测点之间的距离,并通过距离变化来监测隧道管片衬砌的形变信息。基于此方法,本文处理了为期两个月的三维激光点云观测数据,结果表明隧道断面未出现厘米级的较大形变。该结论与隧道内的静力水准仪监测结果相一致,证明在复杂条件下,利用三维激光扫描仪开展变形监测是可行的。     

考虑盾构隧道埋深影响和岩土特性影响的地表变形计算

盾构施工引起地层变形的众多计算方法中,随机介质理论法和Peck法是我国应用较为广泛的两种实用方法,但这两种方法的计算参数均不太容易确定。根据46例工程实测资料,绘制出地表最大沉降与隧道相对埋深的关系图。结果表明:当盾构隧道相对埋深小于5时,盾构施工引起的地表最大沉降值变化较大;当盾构隧道相对埋深大于5时,其对地表最大沉降的影响较小。对于大部分浅埋城市地铁隧道而言,应该考虑盾构隧道相对埋深对地层变形的影响。基于盾构施工引起地层移动不均匀模型的地表最大沉降计算式,依据随机介质理论法和Peck法,推导出考虑土质软硬、隧道半径和埋深影响的地层变形实用计算方法,并通过对5个工程实例的分析,验证此计算方法的合理性。     

基于盾构隧道激光扫描点云的收敛直径定点计算方法

盾构隧道的收敛直径是衡量隧道横向变形的重要指标,近些年来激光扫描仪逐渐应用于盾构隧道的检测中,但点云拟合方法得到收敛直径的端点会随隧道变形而变化,而全站仪测量的点位在隧道中是固定的,因此亟需一种基于点云的收敛直径定点计算方法。本文基于扫描仪获取的点云切片数据,参考传统全站仪定点测量的方式,提出了一种利用点云拟合的误差寻找隧道接缝位置,进而通过接缝位置实现定点测量的方法。最终通过实例验证了该方法的可行性和准确性,相比于常用的点云拟合计算收敛直径方法,本方法在同等精度条件下,还可以定位测量点,实现与全站仪测量的比对。     

基于最小二乘原理的移动测量传感器集成检校技术研究

移动激光雷达测量系统由多个传感器集合而成,各传感器采集数据相对独立,集成安装后获取点云精度质量通常难以控制。针对这一问题,提出了一种基于最小二乘平差原理的特征点检校方法,结合空间配准算法构建推导平差模型,求解误差参数。通过多源传感器数据融合配准,对加入误差改正数后的成果点云质量比较分析。实验结果表明,这种检校方法能够达到提升点云模型精度的目的。     

胶州湾隧道青岛接线端开挖区地表移动与变形

运用基于概率积分法的沉陷预计软件对隧道开挖区的地表移动与变形进行了详细研究,结果表明运用基于概率积分法的沉陷预计软件计算隧道开挖区地表移动与变形的方法是有效可行的,同时得出地表移动与变形沿隧道横向的一些分布特点及规律,以期为以后城市隧道工程的设计与施工提供指导。     

弹塑性随机介质法及其在隧道施工引起的岩层位移及应力分析中的应用

应用随机介质理论，视隧道开挖所引起的地层移动为一随机过程，得到隧道开挖引起的地层移动和变形值的计算公式。应用弹塑性介质的本构理论，视岩体为弹塑性体，得到隧道开挖引起的地层应力变化计算公式、计算程序。现场实测结果与计算结果的对比表明，所提出的计算方法和程序可以达到良好的预计效果。     

三维激光扫描进行隧道变形探测的可行性研究

针对隧道区域变形特点,研究利用三维激光扫描技术进行隧道变形探测的可行性。根据基准面与隧道内壁点云法向量及地面的关系,获取点云数据的切片,然后应用改进的ICP算法对不同测站切片数据进行配准,使用KNNS搜索算法得出隧道可探变形区域的最小面积。实验结果表明:在明确区域变形临界值的情况下,利用三维激光扫描技术可以对隧道的变形区域进行探测,对于隧道变形监测有一定的指导意义。     

外滩通道基坑开挖对既有隧道结构影响分析

采用数值模拟方法计算隧道附加纵向变形值,应用三次样条插值对其进行拟合,并通过曲线拟合方程计算基坑影响范围内隧道纵向变形曲率的分布,以判别隧道纵向差异变形的敏感位置,从而评价在不同抽条开挖方式与不同开挖工况下隧道的变形状态,为基坑支护的设计提供依据。研究表明:基坑中心位置隧道的纵向变形最大,隧道纵向变形曲率变化最大的区域为隧道纵向基坑围护结构的位置,说明对于基坑开挖引起近接隧道的保护问题,在严格控制坑底隆起量的同时,更应关注基坑围护刚度对隧道结构变形的影响。通过施工工法、隧道纵向变形及隧道纵向曲率变化三方面的综合评价,得出顺向抽条开挖方式对隧道保护更加有利。     

益田停车场出入线区间盾构隧道主体结构受力特征研究

针对益田停车场出入线盾构隧道主体结构穿越软硬不均匀地层的受力特点,基于荷载—结构计算模型,采用修正惯用法对隧道基本荷载组合(施工)、准永久荷载组合(运营)两个阶段管片衬砌受力情况进行了有限元数值仿真计算,揭示了不同工况条件下的应力、内力及变形的分布特点。研究结论如下:基础荷载和准永久荷载作用下,最大轴力、剪力、弯矩出现位置均未发生明显变化;最大轴力位于隧道两侧,最大剪力大约在偏离纵向轴线45°处,最大弯矩靠近最大剪力位置,盾构区间设计时建议考虑弯剪效应带来的影响。管片最大沉降变形位于拱顶处,且由上到下逐渐减小。从基础荷载组合到准永久荷载组合,最大轴力、剪力、弯矩量值逐渐减小,下降比分别为31. 55%,29. 10%,28. 71%,说明准永久荷载组合下,隧道更加安全。     

基于MDP算法的隧道断面变形监测

传统的隧道变形监测方法虽然精度较高,但获取的数据过于离散和稀疏。随着激光技术的不断发展,采用三维激光扫描技术进行隧道的变形监测已成为行业发展趋势。笔者基于三维激光扫描技术对隧道进行变形监测,提取隧道断面点云数据后运用MDP算法计算隧道断面变形量,并与全站仪测量结果、现有点云数据处理软件计算结果进行对比,验证了采用MDP算法计算隧道断面变形的可行性。     

基于罗德里格矩阵的点云与影像配准方法研究

本文针对点云与影像配准贴图的问题,研究比较了基于直接线性变换法和罗德里格矩阵变换法的共线方程解法。理论研究表明,罗德里格矩阵变换法既能够有效减少同名点选取的个数(只需4对同名点),又能够简化计算,快速地获取7个参数。同时为了达到最佳配准效果,提出基于OpenGL三维可视化投影矩阵变换的人机交互式微调改正方法。实验表明,基于4对点的罗德里格矩阵计算方法,操作简单、计算快捷,辅以人机交互调整后,配准可靠性更高。     

沉管隧道运维期回淤影响下的长期沉降模型

当下跨海集群工程建设过程中绝大部分均采用了沉管隧道的通过方式，如港珠澳大桥和深中通道工程等，随着陆续完成，运维期的长期沉降规律逐步成为研究重点。在对管节接头沉降计算中，多采用Winkler地基上的Euler梁模型，而忽略了柔性管节的剪切变形和地基土体的连续性，没有考虑管-土相互作用引起的沉管位移，与实际结果偏差较大。考虑沉管隧道运维期受到长期回淤清淤荷载的影响，基于柔性沉管隧道的受力变形特征，将沉管隧道管节等效为置于Vlasov双参数地基上的Timoshenko梁，考虑了地基土体的连续性，强化了土体的刚度，同时考虑了管节截面的弯曲变形和剪切变形，即将管节变形视为位错变形模式，并以此推导了其竖向变形计算公式，与Winkler地基上的Euler梁模型和Timoshenko梁模型进行比较，以验证所提出的计算方法的合理性。以甬江沉管隧道工程为例，分析在运维期回淤荷载影响下的沉管隧道管节接头竖向位移规律，将基于上述模型的理论计算结果与实测结果对比分析表明：提出的基于Vlasov双参数地基的Timoshenko梁模型更为合理，计算结果与实测数据更吻合。回淤荷载引起的管节接头沉降伴随时间呈指数型变化...     

基于点云的钢筋数量和间距自动检查算法

为改进钢筋骨架质量自动检查方法,提出了基于点云的钢筋骨架中钢筋数量和钢筋间距的自动检查算法。该算法在获取钢筋骨架实际点云和设计点云的基础上,首先对这两片点云分别进行降采样,以得到空间密集程度相同的钢筋骨架实际点云和设计点云; 其次,对降采样后的钢筋骨架实际点云和设计点云使用基于主成分分析(PCA)的方法进行粗配准。由于粗配准后的钢筋骨架实际点云和设计点云的配准精度较低,无法直接用于钢筋数量和钢筋间距的检查,对粗配准后的钢筋骨架实际点云和设计点云进行精配准。最后,基于精配准得到的钢筋骨架实际点云和设计点云,依次对钢筋骨架中的钢筋数量和钢筋间距进行检查。结果表明:精配准后的钢筋骨架实际点云和设计点云的配准精度较高,可以用于钢筋数量和钢筋间距的检查; 该算法对钢筋数量检查的准确率为100%,对钢筋间距检查的准确率为80%; 应用该算法可以有效提高复杂钢筋骨架中钢筋数量和钢筋间距检查的效率,降低人工成本。     

三维激光扫描技术在地铁变形监测中的应用研究

由于原有的地铁变形监测技术仅局限于单点数据的获取,无法反映地铁隧道整体形变特点,为此要引入更加先进的三维激光扫描技术和方法,利用其环境影响小、表达对象细节信息能力强的优势,进行地铁隧道变形数据的采集、点云预处理,以地铁隧道中轴线为基准,采用基于椭圆柱面模型的点云滤波方法,利用椭圆柱面拟合方法对地铁隧道中轴线分割区域进行滤噪,并进行地铁隧道的形变分析,进行地铁隧道区域空间变化信息的精准表达。