一种盾构法隧道智能CT检测诊断系统的制作方法

本实用新型属于隧道检测技术领域，具体涉及一种基于激光扫描技术、电磁波扫描技术和BIM技术的盾构法隧道智能CT检测诊断系统，主要面向于盾构法隧道的检测诊断。

背景技术：

近年来，随着社会、经济的发展和城市化进程的加快，城市人口的迅速增长，平面交通已难以满足城市公共交通的发展需求，大规模地开发地下通道、建造地铁成了缓解城市交通压力的重要手段。盾构施工方式因其自动化程度高、施工精度高、掘进速度快、经济条件佳等优势成为隧道工程施工的首选方式。然而，盾构施工方式在给隧道建设带来便利的同时，也面临一些不容忽视的问题，如隧道施工过程中管片错台、椭圆度、管片压浆质量等未达到要求，以及隧道运营期产生的管片裂缝、渗漏、掉块等病害。这些质量问题严重威胁到隧道结构体的安全。在传统的隧道检测过程中，管片拼装质量的控制由工程检测人员定期在隧道内部逐一进行检查，在检查过程中发现错台较大的管片时，使用尺量法判定错台是否超标；对于椭圆度的检测，采用皮卷尺配合吊铅垂的方法共同确定隧道的长轴及短轴，然后计算隧道的椭圆度。而对于管片压浆密实度的检测，由于其隐蔽在管片壁后，只能采取取样检测的手段来检查管片壁后注浆状况。

隧道因其总里程较长，病害出现点分散，采用人工检测已经不能满足隧道日常养护维修的需求。传统的检测方法受检测主体、检测频率、检测效率的影响性较大，并且没有同时检测包括管片质量等表观质量和壁后注浆质量等隐蔽质量的全断面检测方法，而对于渗漏、裂缝、掉块等隧道表观质量问题，其产生的原因往往是与隧道隐蔽质量问题相关联的，传统的检测方法并不能为“标本兼治”的隧道质量问题处理提供支持。如何尽可能早地检验出盾构法隧道质量不达标的状况，及时采取全面的补救措施避免造成更大事故成为了隧道盾构施工的一个难点。因此，需要寻求新的检测技术实现管片拼装质量的实时精准全面的检测。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于根据现有盾构法隧道结构体状态检测诊断方法的不足，提供一种盾构法隧道检测诊断系统，该系统能够实现盾构法隧道结构体的实时精准检测和智能诊断。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种盾构法隧道智能CT检测诊断系统，包括数据采集单元、分析诊断单元和数据存储单元；

数据采集单元包括表观部位扫描模块和隐蔽部位扫描模块；

表观部位扫描模块包括激光发射器、激光接收器、管片拼装点云模型处理器；管片拼装点云模型处理器包括激光触发端口和信号接收端口，激光触发端口连接激光发射器，信号接收端口连接激光接收器；

隐蔽部位扫描模块包括管片压浆分布模型处理器、电磁波发射器和电磁波接收器；电磁波发射器具有电磁波发射天线，电磁波接收器具有电磁波接收天线；电磁波发射天线和电磁波接收天线紧贴管片壁布置；管片压浆分布模型处理器包括电磁波触发端口、信号接收端口；电磁波触发端口连接电磁波发射器，信号接收端口连接电磁波接收器；

分析诊断单元包括分析诊断处理器、模型整合处理器；分析诊断处理器的数据输入端连接模型整合处理器的数据输出端；分析诊断处理器包括预置源数据模块；

数据存储单元包括管片BIM模型存储器、管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器；BIM模型存储器、管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器的数据输出端连接模型整合处理器；管片拼装点云模型存储器的数据输入端连接管片拼装点云模型处理器，管片压浆分布模型存储器的数据输入端连接管片压浆分布模型处理器。

进一步地，分析诊断单元还包括显示器，分析诊断处理器、模型整合处理器均设有图像输出端口，以连接显示器。

进一步地，管片BIM模型存储器、管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器均设有图像输出端口，分别连接显示器。

进一步地，分析诊断处理器还包括连接管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器的数据端口。

进一步地，管片拼装点云模型处理器还包括点云数据预处理模块和点云数据计算器。

进一步地，模型整合处理器还包括连接分析诊断处理器的数据输入端口，以及连接管片拼装点云存储器和管片压浆分布模型存储器的数据输出端口。

进一步地，在电磁波接收器和管片压浆分布模型处理器之间设置转换装置，电磁波接收器和管片压浆分布模型处理器之间有直接互连的数据端口，以及通过转换装置连接的数据端口。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)实时快速：激光扫描可以实现在每秒上百万个点的扫描，快速获取盾构管片的三维数据并实时得到检测结果，相较于人工现场检测用时更少，效率更高；

(2)精度高：相比传统的人工现场检测法，本技术采用测量更精准的激光扫描技术和电磁波扫描技术，实现盾构法施工质量检测精度的提升；

(3)全面检测：人工检测法对管片的检查频率要求不高，最大不超过6个点，本系统可通过激光扫描技术实现管片的全方位扫描和各个点的对照比较，实现管片拼装表观质量的全面检测；通过电磁波扫描技术，利用宽频带高频电磁波信号探测介质结构位置和分布，能准备获取管片壁后等隐蔽部位的质量状况，作为表观质量检测的有效补充。

(4)智能判断：点云数据的处理过程以及电磁波信号扫描图的判读在各处理器中自动完成，实现检测的可视化和质量的智能化判断；

附图说明

图1是本实用新型一种盾构法隧道智能CT检测系统的结构图；

图2是本实用新型一种盾构法隧道智能CT检测系统的功能模块架构图

图3是本实用新型一种盾构法隧道智能CT检测诊断方法的流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1，本实用新型提供了一种盾构法隧道智能CT检测诊断系统，包括数据采集单元、分析诊断单元和数据存储单元；数据采集单元包括表观部位扫描模块和隐蔽部位扫描模块。

表观部位扫描模块包括激光发射器、激光接收器、管片拼装点云模型处理器；管片拼装点云模型处理器包括激光触发端口和信号接收端口，激光触发端口连接激光发射器，信号接收端口连接激光接收器。

隐蔽部位扫描模块包括管片压浆分布模型处理器、电磁波发射器和电磁波接收器；电磁波发射器具有电磁波发射天线，电磁波接收器具有电磁波接收天线；电磁波发射天线和电磁波接收天线紧贴管片壁布置；管片压浆分布模型处理器包括电磁波触发端口、信号接收端口；电磁波触发端口连接电磁波发射器，信号接收端口连接电磁波接收器。

分析诊断单元包括分析诊断处理器、模型整合处理器；分析诊断处理器的数据输入端连接模型整合处理器的数据输出端；分析诊断处理器包括预置源数据模块，预置源数据模块包含管片拼装、管片压浆各特征数据。

数据存储单元包括管片BIM模型存储器、管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器；BIM模型存储器、管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器的数据输出端连接模型整合处理器；管片拼装点云模型存储器的数据输入端连接管片拼装点云模型处理器，管片压浆分布模型存储器的数据输入端连接管片压浆分布模型处理器。

下面参照图2对盾构法隧道智能CT检测诊断系统的功能模块架构进行详细说明。

盾构法隧道智能CT检测诊断系统由数据采集单元、分析诊断单元和数据存储单元组成，其中数据采集单元有表观部位扫描和隐蔽部位扫描两个功能模块，分别采集数据生成管片拼装点云模型和管片压浆分布模型，数据采集单元将检测数据分别传输到分析诊断单元和数据存储单元，在分析数据采集单元，由数据分析功能模块对检测数据进行分析计算，得到包括中心线偏差、椭圆度、错台值、裂缝长度、缺损面积、注浆厚度、注浆密实度、空腔体积等在内的检测数值，供智能诊断模块对数值进行判断，生成诊断报告。在数据存储单元，模型数据管理功能模块将三个模型进行整合为隧道全断面三维模型，分析诊断数据可通过该功能模块对隧道全断面三维模型进行维护管理，数据存储单元中的另一功能模块用于提供模型的可视化展示。

具体地，激光发射器发射用于向管片壁发射激光，激光接收器用于接收管片壁反射回的激光信号，并将接收到的反射激光信号发送给管片拼装点云模型处理器，管片拼装点云模型处理器用于根据接收到的反射激光信号处理得到管片拼装点云模型。

电磁波发射天线用于向壁后浆体发射电磁波，电磁波接收天线用于接收壁后浆体反射回的电磁波信号并通过电磁波接收器发送给管片压浆分布模型处理器；管片压浆分布模型处理器用于控制电磁波发射器与电磁波接收器的发射与接收，并根据反射回的电磁波信号计算处理得到管片压浆分布模型。

模型整合处理器用于整合三种模型得到隧道全断面三维模型；分析诊断处理器用于对检测数据进行分析计算，得到管片及壁后浆体的各参数，以及将上述参数与预置源数据模块中的数据进行比较，生成诊断报告。

此外，模型整合处理器还用于整合管片BIM模型与管片拼装点云模型以供分析诊断处理器进行中心线偏差处理。分析诊断单元还包括显示器，分析诊断处理器、模型整合处理器均设有图像输出端口，以连接显示器并输出隧道全断面三维模型和诊断报告模型整合处理器还用于调取三种模型直接发送到显示器进行显示。

模型整合处理器还包括连接分析诊断处理器的数据输入端口，以及连接管片拼装点云存储器和管片压浆分布模型存储器的数据输出端口；模型整合处理器用于接收分析诊断处理器的分析诊断结果，并将分析诊断结果整合到各模型中存储到各模型存储器，以及将整合了诊断结果的模型输出到显示器。

在本实施例中，所有数据和模型均通过模型整合处理器后发送到显示器进行显示，显示结果可以是整合了检测诊断结果的模型，也可以是各存储器内的原始模型。

在其他实施例中，管片BIM模型存储器、管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器均设有图像输出端口，分别连接显示器，以直接显示三种模型。分析诊断处理器还包括连接管片拼装点云模型存储器、管片压浆分布模型存储器的数据端口，以直接调取管片拼装点云模型、管片压浆分布模型进行分析及诊断。管片拼装点云模型处理器还包括点云数据预处理模块和点云数据计算器，点云数据预处理模块用于剔除非关键点，点云数据计算器用于计算边线及进行管片环中心拟合。

在其他实施例中，还可以在电磁波接收器和管片压浆分布模型处理器之间设置转换装置，对于能够直接由管片压浆分布模型处理器和由电磁波接收器接收识别的电磁波信号，仍然直接由电磁波接收器与管片压浆分布模型处理器进行传输和处理；对于管片压浆分布模型处理器或电磁波接收器不能直接识别的电磁波信号，通过转换装置转换成可识别信号后，再进行传输。

下面参照图3对盾构法隧道智能CT检测诊断方法的具体流程进行详细说明。

基于所述的检测诊断系统的检测诊断方法，其包括以下步骤：

(1)开始检测；

(2)激光扫描盾构法隧道管片实体；

(3)向管片壁后发射宽频带高频电磁波；

(4)通过激光扫描得到点云数据，并对点云数据进行预处理，生成管片拼装点云模型；

(5)接收反射电磁波信号，通过信号技术处理，生成管片压浆分布模型；

(6)建立隧道设计BIM模型；

(7)从隧道设计BIM模型提取隧道设计中心线

(8)根据管片拼装点云模型拟合隧道实际中心线

(9)将拟合隧道中心线，与隧道设计模型中心线偏比对得到中心线偏差值；

(10)根据管片拼装点云模型数据通过算法计算隧道椭圆度；

(11)根据管片拼装点云模型数据提取多环管片叠加比对，通过算法计算单环管片环向/法向错台值、环间错台值；

(12)根据裂缝算法检测管片拼装点云模型，分析计算裂缝存在的精确位置、长度，该步骤在运营期检测执行；

(13)根据缺损算法检测管片拼装点云模型，分析计算缺损存在的精确位置、面积，该步骤在运营期检测执行；

(14)通过注浆厚度算法自动判读管片压浆分布模型，计算注浆厚度；

(15)通过注浆密实度算法自动判读管片压浆分布模型，评价注浆密实度；

(16)通过空腔算法自动判读管片压浆分布模型，得出壁后空洞位置和体积；

(17)生成盾构法隧道智能CT检测诊断系统报告，通过隧道全断面三维模型展示检测结果，针对检测的中心线偏差、错台值、椭圆度，以及盾构机盾尾间隙、顶推油缸行程差等数据，系统自动生成下一环管片的拼装方案；针对裂缝，缺损，注浆欠厚、欠密，空腔等检测数据，系统自动生成诊断处理方案，实现智能诊断。

具体地说，盾构法隧道表观质量检测通过激光扫描隧道结构体，采集点云数据，对接收到的点云进行坐标变换、剔除非关键点、提取边线、拟合中心线四个预处理步骤，得到隧道点云模型。盾构法隧道隐蔽质量检测基于电磁波扫描数据，通过向目标体即管片壁后发射高频脉冲电磁波，由于目标体及周围介质的电磁波的反射特性，接收天线会接收目标体的反射电磁波，由此可在电磁波信号处理程序中形成的显示管片压浆空间位置和分布的管片压浆分布模型。

上述检测数据传输到模型整合处理器，隧道实体点云模型、管片压浆分布模型以及预置的隧道BIM模型在模型整合处理器中整合，构成隧道全断面三维模型，使三种模型的数据能够同步操作管理、可视化展现。

分析诊断处理器对检测数据进行分析计算和智能诊断。根据隧道实体点云模型，用于施工期的隧道结构体状态检测时，通过点云模型的中心线与隧道设计BIM模型中心线比对得到中心线偏差值，通过算法计算椭圆度以及包括单环管片错台值、法向错台值、环间错台值的三种错台值，最后基于中心线偏差值、椭圆度、错台值在智能诊断程序中生成指导下一步施工包括导向和管片拼装等的诊断意见；用于运营期的隧道结构体状态检测时，可通过不同病害所对应的算法从隧道点云模型直接获取隧道结构体中裂缝、掉块等病害存在的精确位置、面积等数据，并结合隐蔽质量检测诊断数据判断病害产生的根源，在诊断程序中生成病害处理诊断意见。根据隧道管片压浆分布模型，通过一种预置的程序自动判读模型，测管片压浆厚度、注浆密实度、空腔等管片壁后质量状况，在诊断程序中生成壁后注浆诊断意见。诊断程序最终将三种诊见汇集传输至模型整合处理器储存并生成盾构法隧道智能CT检测诊断系统报告。

盾构法隧道智能CT检测诊断系统以激光扫描技术、电磁波扫描技术为基础，并应用BIM技术为检测数据提供一个存储和可视化展现的平台，建立了一种全新的高精度、全断面、智能化检测技术，能够提高检测的速度与精度，并将将各种质量问题更加直观的展现，为隧道质量问题的处理提供方案支持。

激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速大量地采集空间点位信息，为高效率、高精度建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。

电磁波扫描技术通过向目标体发射并接收高频脉冲电磁波，探测目标体空间位置和分布，用于测量混凝土内部缺陷。鉴于激光扫描技术在三维测量建模方面的优势，电磁波扫描技术抗干扰性强、探测范围广、分辨率高等无损检测优点，以及BIM技术可视化、协调性、模拟性、优化性等特点，本实用新型将三者者结合引入盾构隧道结构体状态的检测诊断工作中，开发出基于激光扫描技术、电磁波扫描技术和BIM技术的盾构法隧道智能CT检测系统及方法，实现隧道结构体状态及时、高效、精准、全面的检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。