一种基于激光轮廓技术建立隧道轮廓超欠挖质量指数

1.本发明涉及隧道轮廓领域，具体涉及一种基于激光轮廓技术建立隧道轮廓质量指数(tci)。


背景技术：

2.超挖的产生在钻爆隧道和地质作业条件下是不可避免的，是影响隧道轮廓质量的要素之一，是增加施工时间和成本的主要原因。一般来说，爆破是一种经济的隧道开挖方法，但其中一个问题是超挖/欠挖，即爆破后破碎的岩体部分大于或小于隧道的设计轮廓，这使得隧道轮廓不均匀，它称为轮廓粗糙度。超挖和轮廓粗糙度是构成隧道轮廓质量的主要因素。换句话说，隧道的轮廓质量不仅可以用超挖来表征，还可以用轮廓粗糙度来表征。过度的超挖和轮廓粗糙度需要额外的喷射混凝土体积或岩石锚杆，增加了支撑成本。因此，迄今为止，已经进行了大量研究以提高轮廓质量并使用各种激光机评估轮廓质量。本专利提出基于激光轮廓技术建立隧道轮廓质量指数(tci)，以有效管理隧道轮廓质量，并通过在n区域和m区域使用激光轮廓仪进行现场调查，分析tci及其影响因素。


技术实现要素：

3.本发明目的提一种基于激光轮廓技术建立隧道轮廓质量指数(tci)，其优点是基于激光轮廓技术建立的tci可用于更有效地管理隧道轮廓质量。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于激光轮廓技术建立隧道轮廓质量指数(tci)，包括如下步骤：
5.s1：定义构成轮廓质量指数的元素：
6.若在理想条件开挖隧道，则实际轮廓与计划轮廓相匹配，然而在实际情况下，由于岩体条件、钻孔条件和爆炸力，隧道开挖通常比计划轮廓大，而轮廓本身也非常粗糙，这样的实际轮廓可以用三个元素来描述：超挖深度(od)、轮廓粗糙度(rcl)和纵向超挖变化(vo)；所以用公式(1)来表示：
7.tci＝f(od，rcl，vo)
ꢀꢀꢀ
(1)
8.第一个元素超挖深度定义一个断面内从计划等高线到实际等高线的平均距离，用公式(2)表示：
[0009][0010]
其中，d为计划轮廓到实际轮廓之间的距离。
[0011]
第二个元素，轮廓粗糙度是指隧道轮廓的不平整程度，为了评价隧道的总体轮廓质量，需要一种检查横截面方向轮廓粗糙度的方法，随着轮廓粗糙度的增加，特定横截面的实际轮廓长度通常会变长，因为圆周方向的实际轮廓长度通常与粗糙度成正比，但由于其随隧道尺寸和形状的变化而变化，因此使用它是不现实的，最后，隧道横截面的实际轮廓长度与计划轮廓长度之比(rcl)可以作为量化轮廓粗糙度的合理指标，用公式(3)表示：
[0012]
rcl＝la/l
p
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0013]
其中，la为实际轮廓长度，l
p
为计划轮廓长度，la的计算可用公式(4)表示：
[0014][0015]
因此，轮廓粗糙度由rcl定义，一轮的rcl是每轮两个区段的平均rcl。此外，应考虑隧道纵向的超挖变化，因为超挖深度和轮廓粗糙度这两个要素只能用于量化横截面方向的轮廓条件，为了考虑更实际的等高线情况，该元素定义为两个相邻部分之间的超挖深度差绝对值的平均值，用公式(5)表示：
[0016][0017]
s2：比较分析各元素对轮廓质量的影响：
[0018]
分别分析在横截面上超挖深度与轮廓粗糙度对tci的影响还有在纵向上vo对tci的影响。
[0019]
s3：调整元素的范围、设置元素的权重、调整tic值的常数：
[0020]
三种元素的分布范围和大小有很大的不同；因此，为了根据正常范围客观地比较尺寸，需要对每个元素进行归一化的校正因子，即使包括修正系数在内的要素具有相同的值，但根据各个隧道施工现场工程师的判断，每个要素的相对重要性可能有所不同，tic的每个元素应具有不同的权重，然而，为了比较不同隧道之间的tci，需要使用标准权重，在此假设超挖深度和轮廓粗糙度具有相同的权重且各占45％，纵向超挖变化的权重占10％；同时tic应设置一个合适的范围，可设置这个数值范围在0至100之间，以便于理解指标的高低，所以应在tci的公式中设置一个分子，使tci的值落入0至100这个的范围。
[0021]
s4：分析隧道形状和尺寸对tci的影响：
[0022]
因为tci仅用于评估轮廓质量，与隧道横截面无关，所以不考虑隧道的形状和尺寸，因此，tci可定义为公式(6-1)和公式(6-2)，tci
t
是用于评价整条隧道或超过5个爆破的隧道，tcir是用于仅一次爆破或每次爆破。
[0023][0024][0025]
其中，cr是调整tcr数值范围的常数，w1、w2、w3是用来考虑每个元素重要性的权重，是用来评估一轮或整个隧道的平均超挖深度，是评估轮或整个隧道的实际轮廓长度与计划轮廓长度之比(rcl)的平均值，c1、c2、c3分别是vo的修正系数。
[0026]
s5：现场调查以确定tic各要素：
[0027]
为了找到tci的常数和校正系数，收集实际隧道的各类型数据。
[0028]
s6：测量隧道轮廓剖面：
[0029]
爆破后的轮廓线由安装在钻孔台车上的仿形系统进行测量，并使用相关软件进行分析，通过该系统可沿隧道轮廓线和纵向检查计划轮廓线与实际轮廓线之间的偏差。
[0030]
s7：设定修正系数、要素权重、数值范围常数的数值，并带入tci的初步公式得到tci最终的公式：
[0031]
超挖深度、轮廓粗糙度、纵向超挖变化的修正系数都由各自的实测数据分布得出；
然后根据隧道的现场情况设置不同的权重；调整设置范围常数；基于之前的分析得出tci的最终公式。
[0032]
s8：进行评估质量的现场调查。
[0033]
通过上述方法，基于激光仿形技术建立的tci可用于隧道轮廓质量的有效管理，以及导致轮廓质量的原因分析。
附图说明
[0034]
图1本发明工作流程图
[0035]
图2是影响轮廓质量的三个条件；
[0036]
图3是rcl的定义图；
[0037]
图4是tci中3个元素与tci的关系；
具体实施方式
[0038]
下面对本发明作进一步详细说明。本发明中s1表示步骤1，s101表示s1中的01步骤，s102表示s1中的02步骤，依次类推。
[0039]
一种基于激光轮廓技术建立隧道轮廓质量指数(tci)，包括如下步骤：
[0040]
s1：定义构成轮廓质量指数的元素，若在理想条件开挖隧道，则实际轮廓与计划轮廓相匹配，然而在实际情况下，由于岩体条件、钻孔条件和爆炸力，隧道开挖通常比计划轮廓大，而轮廓本身也非常粗糙，这样的实际轮廓可以用三个元素来描述：超挖深度(od)、轮廓粗糙度(rcl)和纵向超挖变化(vo)；实际轮廓是三个元素的复合体，如图1；tci用公式(1)来表示：
[0041]
tci＝f(od，rcl，vo)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0042]
第一个元素超挖深度定义为图2中所示一个断面内从计划等高线到实际等高线的平均距离，用公式(2)表示：
[0043][0044]
其中，d为计划轮廓到实际轮廓之间的距离。
[0045]
第二个元素，轮廓粗糙度是指隧道轮廓的不平整程度，为了评价隧道的总体轮廓质量，需要一种检查横截面方向轮廓粗糙度的方法，随着轮廓粗糙度的增加，特定横截面的实际轮廓长度通常会变长，因为圆周方向的实际轮廓长度通常与粗糙度成正比，但由于其随隧道尺寸和形状的变化而变化，因此使用它是不现实的，最后，隧道横截面的实际轮廓长度与计划轮廓长度之比(rcl)可以作为量化轮廓粗糙度的合理指标，rcl的定义可见图2，用公式(3)表示：
[0046]
rcl＝la/l
p
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
其中，la为实际轮廓长度，l
p
为计划轮廓长度，la的计算可用公式(4)表示：
[0048][0049]
因此，轮廓粗糙度由rcl定义，一轮的rcl是每轮两个区段的平均rcl。此外，应考虑隧道纵向的超挖变化，因为超挖深度和轮廓粗糙度这两个要素只能用于量化横截面方向的
轮廓条件，为了考虑更实际的等高线情况，该元素定义为两个相邻部分之间的超挖深度差绝对值的平均值，用公式(5)表示：
[0050][0051]
s2：比较分析各元素对轮廓质量的影响，分别分析在横截面上超挖深度与轮廓粗糙度对tci的影响还有在纵向上vo对tci的影响，可见图3，得出tci
∝
(od+rcl)-1
以及tci
∝
(vo)-1
的关系式。
[0052]
s3：调整元素的范围、设置元素的权重、调整tic值的常数，三种元素的分布范围和大小有很大的不同；因此，为了根据正常范围客观地比较尺寸，需要对每个元素进行归一化的校正因子，即使包括修正系数在内的要素具有相同的值，但根据各个隧道施工现场工程师的判断，每个要素的相对重要性可能有所不同，tic的每个元素应具有不同的权重，然而，为了比较不同隧道之间的tci，需要使用标准权重，在此假设超挖深度和轮廓粗糙度具有相同的权重且各占45％，纵向超挖变化的权重占10％；同时tic应设置一个合适的范围，可设置这个数值范围在0至100之间，以便于理解指标的高低，所以应在tci的公式中设置一个分子，使tci的值落入0至100这个的范围。
[0053]
s4：分析隧道形状和尺寸对tci的影响：
[0054]
因为tci仅用于评估轮廓质量，与隧道横截面无关，所以不考虑隧道的形状和尺寸，因此，tci可定义为公式(6-1)和公式(6-2)，tci
t
是用于评价整条隧道或超过5个爆破的隧道，tcir是用于仅一次爆破或每次爆破。
[0055][0056][0057]
其中，cr是调整tcr数值范围的常数，w1、w2、w3是用来考虑每个元素重要性的权重，是用来评估一轮或整个隧道的平均超挖深度，是评估轮或整个隧道的实际轮廓长度与计划轮廓长度之比(rcl)的平均值，c1、c2、c3分别是vo的修正系数。
[0058]
s5：现场调查以确定tic各要素：
[0059]
为了找到tci的常数和校正系数，在n区域的两个隧道现场(ls02隧道和marienborg隧道)收集了各种类型的数据。由于ls02隧道由四条隧道组成，因此调查隧道总数为五条。
[0060]
s6：测量隧道轮廓剖面；爆破后的轮廓线由安装在钻孔台车上的随钻坡口仿形系统进行测量，并使用相关软件进行分析，通过该系统可沿隧道轮廓线和纵向检查计划轮廓线与实际轮廓线之间的偏差。
[0061]
s7：设定修正系数、要素权重、数值范围常数的数值，并带入tci的初步公式得到tci最终的公式；超挖深度、轮廓粗糙度、纵向超挖变化的修正系数都由各自的实测数据分布得出；然后根据隧道的现场情况设置不同的权重；调整设置范围常数；基于之前的分析得出tci的最终公式。可根据调查结果来分析各元素相应的校正因子，超挖深度的修正系数来自所有调查轮次的od分布。结果表明，od的范围在36到125cm，可能的最大od将根据隧道的工作和地质条件而变化，因此，为了考虑极差的轮廓质量，可能的最大od设置为120cm，相当
于od与平均值(67cm)的标准偏差(18cm)的三倍。因此，修正系数(c1)变为方程(7)：
[0062]
c1＝1/120≈0.008
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0063]
rcl的校正因子也由rcl的分布给出。rcl的实际轮廓长度可以使用激光轮廓仪沿轮廓线测量的点的坐标来计算。实际长度可以根据等高线上测量点之间的间隔而变化。本研究采用30～40cm作为测量间距，相当于等高孔正常钻孔间距(60～80cm)的一半。最后，五个隧道的rcl范围在1.02和1.29之间，即实际轮廓长度比计划轮廓长度增加2％至29％。rcl的平均值和标准差分别为1.116和0.04。因此，为了考虑极差的轮廓质量，可能的最大rcl设置为1.234，对应于平均值标准偏差的三倍。轮廓粗糙度元素的修正系数(c2)给出了方程(8)：
[0064]
c2＝1/1.123≈0.8
ꢀꢀꢀ
(8)
[0065]
纵向超挖变化(vo)是考虑纵向每轮超挖变化的要素。结果表明，vo分布在0.0cm和59.7cm之间，vo的平均值和标准偏差分别为12.6cm和10.8cm。因此，假设可能的最大vo为45.2cm，对应于标准偏差的三倍，vo的修正系数可见方程(9)：
[0066]
c3＝1/45.2≈0.02
ꢀꢀꢀ
(9)
[0067]
即使c
3vo
的数值相同，它们的重要性在轮廓质量方面可能因隧道而异，因此，应考虑三个参数的权重。然而，为了比较不同隧道之间的tci，需要使用标准权重，因此假设超挖深度和轮廓粗糙度同等重要，纵向超挖变化占10％，所以它们的权重占比为4.5∶4.5∶1，且贯穿后续步骤；范围调整的常数cr将tci值限制在0和100之间，根据调研，将cr设为300，将cr设为300，vo＝45cm这种恶劣情况下tci
t
为31，当为31，当vo＝1cm这种优质条件下tci
t
为81，基于以上分析，可得出公式(10)、(11)：
[0070][0071][0072]
s8：进行评估m区域隧道轮廓质量的现场调查；为了检验tci的可行性，在m区域的4条隧道进行了实地调查，分别命名为隧道a、b、c、d并将结果与n区域的5条隧道进行了比较；使用amt剖面仪4000测量爆破后的等高线，然后通过激光自动测量隧道的二维或三维横截面。根据调查发现隧道a的轮廓质量是四个隧道中最佳的，tci
t
为66，这是由17厘米的最小超挖深度和1.060的rcl导致的，这意味着与计划的等高表面积相比，实际等高表面积增加了约6.0％。另一方面，隧道b的轮廓质量最差，由于最大的超挖深度为24厘米，纵向超挖变化为7.2厘米，因此显示tci
t
为61.7。隧道c显示隧道纵向的超挖变化最小，这意味着隧道的超挖深度是四个调查隧道中最均匀的。隧道d的tci
t
，63.4，相对有利，因为21cm的小超挖深度，尽管rcl在四个隧道中最大，为1.069，这意味着隧道d的实际轮廓表面积相比增加了约6.9％到规划的轮廓表面积。tci
t
中最好的隧道和最差的隧道相差4.3，并不大，这意味着四个隧道的轮廓质量处于相似的水平。虽然结果表明tci
t
一般随着隧道尺寸的增大而变得更好，但人们认为，为了进行更可靠的分析，需要关于两者之间关系的许多不同的数据。
[0073]
将m区域隧道与n区域隧道相比较，结果显示tci差异很大，即m区域4条隧道的tci
t
在61.7-66.0之间，而n区域4条隧道的tci
t
在42.3-51.5之间。造成两国tci
t
差异较大的主要
原因是隧道最终承载土压力的岩体支护设计理念和超挖处理规范不同。此外，认为n区域具有明显节理的硬岩也是轮廓质量低的另一个原因，因为爆破压力沿现有节理破坏岩体比在硬岩中形成新裂缝相对容易。
[0074]
m区域隧道和n区域隧道的超挖深度分别在17-24cm之间，48-75cm之间，这意味着n区域隧道的超挖深度几乎是m区域隧道的三倍。表示轮廓粗糙度的rcl，m区域的rcl介于1.060至1.069之间，n区域的rcl介于1.101至1.160之间。这意味着爆破后的实际轮廓表面积比计划表面积增加6％至6.9％和10％至16％，这意味着实际喷射混凝土体积也会增加。此外，n区域隧道在纵向上的超挖变化为6.5至14厘米，m区域的是4-7cm，n区域在纵向上的超挖变化相当于m区域隧道的两倍。同时，m区域隧道tcir最频繁的范围在65到70之间，远好于n区域隧道在45到50之间。影响tci的主要因素是超挖深度，因为大的超挖深度也增加了高轮廓粗糙度的可能性，因为两者都是由相同的岩体和操作条件引起的。