矿山法隧道洞壁喷混凝土体积自动测量方法及系统与流程

本发明涉及隧道洞壁内混凝土喷射施工的，尤其涉及一种矿山法隧道洞壁喷混凝土体积自动测量方法及系统。

背景技术：

1、矿山法隧道开挖后，为约束和控制围岩变形，加强围岩稳定性，需要施作支护结构。无论是复合式衬砌结构还是单层衬砌结构都需要进行喷射混凝土施工。目前，每个隧道开挖步距所需的喷射混凝土体积多根据工人经验进行估算。受限于岩体条件、施工工艺等因素，隧道开挖后洞壁的平整性往往较差，存在大量的凹坑，造成喷射混凝土估算用量与实际用量存在较大差异。喷射混凝土用量估算过少，隧道洞壁喷射混凝土厚度不达标，隧道结构安全无法保证；喷射混凝土用量估算过多，不仅浪费喷射混凝土，而且增加喷混机的清洗难度。

2、为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种矿山法隧道洞壁喷混凝土体积自动测量方法及系统，可有效解决凹凸不平的隧道洞壁表面喷射混凝土体积用量无法准确获取的难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种矿山法隧道洞壁喷混凝土体积自动测量方法及系统，可有效解决隧道洞壁喷射混凝土体积用量无法准确获取的难题。

2、为实现上述目的，本发明公开了一种矿山法隧道洞壁喷混凝土体积自动测量系统，包括隧道三维信息获取模块、位置信息获取模块和数据处理模块，其特征在于：

3、所述隧道三维信息获取模块获取隧道、喷射混凝土表面和运动轨迹的三维坐标信息，所述位置信息获取模块获取红外测距仪的第一位置信息，也获取隧道洞壁表面的多个点的第二位置信息，所述数据处理模块确定喷射混凝土表面上的多个点的第三位置信息，以根据第二位置信息和第三位置信息得到喷射混凝土的多个截面中的每个截面内每条光束形成的每两个一一对应点之间的距离；进而根据每两个一一对应点之间的距离拟定多个四边形，计算每个截面内所有四边形的面积，以通过累加得到喷射混凝土的每个截面的面积。

4、其中：所述隧道的三维坐标信息通过全站仪或三维扫描仪等测量设备经过测量得到，通过将测量设备放置在隧道的中线点或控制点上，测量计算后得到隧道横断面图，得到初期支护的内表面三维坐标信息，即喷射混凝土表面的三维坐标信息。

5、其中：红外测距仪安装在喷射混凝土机的机械臂上，机械臂沿着运动轨迹和开挖轨迹移动，移动距离可设置为固定值或根据隧道洞壁的平整度调整，运动轨迹位于喷射混凝土表面的内侧，运动轨迹在同一个隧道断面内；开挖轨迹与隧道轴线平行。

6、其中：红外测距仪发射分散的光束簇，光束簇由多条位于同一截面的光束组成，相邻光束之间具有间隔角，最外侧的光束与水平方向之间有夹角，光束簇穿过喷射混凝土表面，并射向隧道洞壁表面；每条光束分别与喷射混凝土表面和隧道洞壁表面形成一一对应的多个点，多个点皆位于同一截面内，红外测距仪沿着运动轨迹移动一周，形成环向的多个截面，沿着开挖轨迹移动，形成纵向的多个截面。

7、其中：第一位置信息通过运动轨迹的三维坐标信息确定；第二位置信息通过红外测距仪沿着光束簇路径至隧道洞壁表面上的多个点的距离进行测量得到；第三位置信息根据喷射混凝土表面上同一截面内的多个点的三维坐标信息以及红外测距仪的第一位置信息计算得到。

8、其中：四边形的两条边为光束a和另一光束b与隧道洞壁表面的交点向喷射混凝土表面作垂线所得的线段，线段互相平行，线段的长度通过每两个一一对应点之间的距离和光束的角度得到，线段之间的距离通过第三位置信息计算得到，根据喷射混凝土的每个截面的面积和相邻截面之间的距离计算相邻截面之间喷射混凝土的体积，并求和计算隧道开挖步距的喷射混凝土的体积用量。

9、其中：通过全站仪、三维扫描仪等设备测量得到隧道的三维坐标信息为(xi,yi,zi)，其中，x、y、z方向分别为隧道断面的水平方向、竖直方向和轴向，结合隧道断面设计图得到喷射混凝土表面上各点的三维坐标信息(xsi,ysi,zsi)，根据运动轨迹上各点到喷射混凝土表面的垂直距离得到运动轨迹上各点的三维信息坐标(xri,yri,zri)，机械臂带动红外测距仪沿着运动轨迹移动确定红外测距仪的三维信息坐标信息(xhi,yhi,zhi)。

10、其中：对于红外测距仪拍摄的同一截面，定义运动轨迹上各点到喷射混凝土表面的距离为b，b为预先设置的固定值；光束a和另一光束b为由最外侧开始的第i条和第i+1条光束，i∈[0,n]，n为光束个数，其与喷射混凝土表面的交点的b和d，与隧道洞壁表面的交点为a和c；红外测距仪到喷射混凝土表面的b和d点的距离分别为ai和ai+1；红外测距仪到隧道洞壁表面的a和c点的距离分别为ci和ci+1，该距离为直接测量得到；红外测距仪最外侧光束与水平方向的夹角为α，相邻光束之间的间隔角为γ，则光束a和光束b与水平方向夹角分别为α+γ×i和α+γ×(i+1)。

11、其中：光束a和另一光束b与喷射混凝土表面、隧道洞壁表面围成四边形acdb，近似等于四边形acd'b'，定义线段ab长度为si，线段cd长度为si+1，线段ab'长度为si'，cd'长度为si+1'，线段ab'与cd'之间的距离为hi'；

12、则各参数可通过下式1-7确定：

13、ai＝b×sin(α+γ×i)，                                             (1

14、ai+1＝b×sin[α+γ×(i+1)]；                                       (2

15、si＝ci-ai＝ci-b×sin(α+γ×i)，                                     (3

16、si+1＝ci+1-ai+1＝ci+1-b×sin[α+γ×(i+1)]；                           (4

17、si'＝si×sin(α+γ×i)＝ci×sin(α+γ×i)-b×sin(α+γ×i)2，       (5

18、si+1'＝si+1×sin[α+γ×(i+1)]＝ci+1×sin[α+γ×(i+1)]-b×sin[α+γ×(i+1)]2；(6

19、hi'＝ci+1×cos[α+γ×(i+1)]-ci×sin(α+γ×i)；(7

20、则四边形acd'b'的面积为sk'＝(si'+si+1')×hi'/2，该截面的面积sk＝σ[(si'+si+1')×hi'/2]，红外测距仪沿着运动轨迹移动由点e(xk,yk,zk)移动到点f(xk+1,yk+1,zk+1)并拍摄得到多个截面，环向移动距离为dk，k∈[0,m]，运动轨迹在同一个隧道断面，zk＝zk+1，则则在该断面的喷射混凝土的体积用量为v＝σ(sk×dk)。

21、还公开了一种矿山法隧道洞壁喷射混凝土体积用量测量方法，其特征在于包括以下步骤：

22、s1)获取隧道、喷射混凝土表面和运动轨迹的三维坐标信息；

23、s2)获取红外测距仪的第一位置信息，红外测距仪沿着运动轨迹移动；

24、s3)获取隧道洞壁表面的多个点的第二位置信息，多个点为光束簇与隧道洞壁表面的交线上的点，位于同一截面内；

25、s4)计算喷射混凝土表面上的多个点的第三位置信息，多个点为光束簇与喷射混凝土表面的交线上的点，位于同一截面内；

26、s5)根据第二位置信息和第三位置信息得到喷射混凝土的多个截面中的每个截面内每条光束形成的每两个一一对应点之间的距离；

27、s6)根据每两个一一对应点之间的距离拟定多个四边形，计算每个截面内所有四边形的面积，通过累加得到喷射混凝土的每个截面的面积；

28、s7)根据喷射混凝土的每个截面的面积和相邻截面之间的距离计算相邻截面之间喷射混凝土的体积，并求和计算隧道开挖步距的喷射混凝土的体积用量。

29、通过上述内容可知，本发明的矿山法隧道洞壁喷混凝土体积自动测量方法及系统具有如下效果：

30、1、本发明通过获取隧道洞壁和喷射混凝土表面各截面上多个点的位置信息计算喷射混凝土各截面的面积，结合红外测距仪在运动轨迹上的移动距离，得到喷射混凝土的体积用量，可有效解决凹凸不平的隧道洞壁表面喷射混凝土体积用量无法准确获取的难题。

31、2、本发明还可适用于任何凹凸不平的物体表面堆积物料体积的测量，适用更为广泛可靠，实用性更好。

32、本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。