基于三维激光扫描成像的隧道施工开挖面分析

During tunnel construction, there is abundant geology information on the surface of tunnel face and surrounding excavation surface, which is able to be adopted to surrounding rock classification, guide design and construction through analysis. Unfortunately, currently, the analysis concerning excavation surface is very limited. In this project, based on the three dimensional cloud data of tunnel excavation surface obtained by three dimensional laser scanning, through surface fitting, dynamic clustering algorithm, etc, the structural surface recognition of excavation area is achived; According to the projective image of excavation surface three dimensional graph, sturctural surface traces are recognized; Combining three dimensional structural surface and its' corresponding two dimensional structural surface traces, through mutual reflection, the structural surface and its' occurrence of tunnel excavation surface are further recognized and extracted. In terms of the main structural surface traces and its' occurrence information recognized from all neighboring excavation surface, through algorithm analysis, the corresponding relationship of adjacent structural surface traces are predicted and built. Thus, the three dimensional structural surface of tunnel excavation area is built. According to this, through surface fitting, the rock's structural surface in front of tunnel face and peripheral area is able to be recognized and predicted in a certain range.

在隧道工程施工过程中，掌子面及周边开挖面上具有丰富的地质信息，通过分析可用于围岩分级，指导设计和施工。但目前对开挖面上地质情况的分析极为有限。本课题基于三维激光扫描获得的隧道施工开挖面三维点云数据，通过曲面拟和、动态聚类等算法分析，实现对开挖面上的结构面的识别；根据开挖面三维图形生成开挖面投影数字图像，实现对结构面迹线的识别；结合三维结构面及二维结构面迹线的识别结果，相互映证，进一步识别和提取出隧道开挖面上的结构面及其产状等信息。根据各相邻开挖面上识别的主要结构面迹线及其产状信息，通过算法分析，自动预测和建立结构面迹线的对应关系，从而建立起隧道开挖区域的三维结构面，在此基础上，通过曲面拟和，识别和预测隧道掌子面前方及周边一定范围内的岩层结构面。

在隧道工程，尤其是地质条件复杂的隧道工程中，对施工开挖面的分析十分重要，开挖面上不同的岩体结构、结构面间距等情况将对隧道安全造成不同程度影响，目前对开挖面岩体的信息化分析研究程度还远远不够，自动化程度不高，本项目据此基于三维激光扫描数据对隧道施工开挖面进行分析，对基于三维激光点云及二维投影数字图像的结构面识别算法进行研究；对提取出的相似结构面进行研究，以识别出属于同一岩层的结构面及结构面迹线；对根据连续开挖出露的掌子面及洞周围岩面上的结构面迹线，重建隧道三维结构面和对未开挖区域的三维结构面预测进行了研究。期望以此提高隧道施工开挖面分析评价的智能化水平。.根据课题申报时撰写的研究内容和研究目标，本项目实现了以下方面的研究成果：.1）首先，根据三维扫描激光点云，通过三角网算法、聚类算法等，对自动识别隧道开挖出露围岩面上的三维结构面进行研究，提出了一种三维结构面自动提取的算法。这将提高结构面识的自动化水平。.2）将三维激光点云生成的二维平面投影数字图像，同时使用数据相机采集了大量掌子面图像，通过对数字图像进行研究，提出了基于数字图像处理的掌子面岩体结构面迹线自动提取算法。提高了对开挖面岩体结构面迹线识别的自动化水平。.3）对识别图像上的结构面迹线的数字图像处理算法进行研究。根据识别出的三维结构面和二维结构面迹线的比对分析，提出了进一步识别出真正的岩层结构面迹线及结构面的算法。.4）对提取出的岩层结构面进行分析，提出了一种自动识别相似结构面的方法，使同一岩层的结构面及结构面迹线能够建立对应关系。.根据连续开挖出露的结构面迹线，建立了结构面迹线间的对应关系，实现了对隧道开挖区域的三维结构面模型的建立，并对及未开挖区域的三维结构面预测。