技术领域
[0001] 本申请涉及一种隧道开挖断面自动三维扫描台车装置及其使用方法，属于隧道施工领域。
相关背景技术
[0002] 近年来，我国高铁建设规模不断扩大，随之而来的是高铁隧道数量的急剧增长。为实现隧道施工的现代化，提升施工技术水平，确保隧道开挖、支护、衬砌各阶段施工场景的模型化和可视化，采用三维激光扫描仪对隧道进行三维激光点云数据采集。通过对开挖面进行三维激光扫描，可以获取隧道开挖后围岩的实际轮廓线。将开挖面三维扫描所得轮廓线与设计轮廓线对比，可计算出爆破法开挖的超欠挖数值，从而评估隧道爆破开挖效果。但在现有技术中利用三维扫描设备进行扫描时，存在扫描点设置困难以及扫描实际轮廓的计算过程不精确的问题，因此，一种新的隧道开挖断面自动三维扫描台车装置及其使用方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。
具体实施方式
[0033] 下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
[0034] 请参考图1‑图6所示，本申请提供了一种隧道开挖断面自动三维扫描台车装置及其使用方法，在隧道内二衬施工完成后对隧道的开挖断面进行扫描，包括：开挖台车1，所述开挖台车1为门字型钢架结构，所述开挖台车1的一侧顶端安装有自动扫描仪保护盒3，所述自动扫描仪保护盒3的内部设置有自动化三维扫描仪2，所述自动化三维扫描仪2的型号采用徕卡MS60，且所述自动扫描仪保护盒3为内部中空且一端具有开合盖9的立方体结构，所述自动扫描仪保护盒3相对于所述开合盖9的一端外侧设置有反光贴片8，所述反光贴片8还设置在所述开挖台车1的顶部和两侧位置，所述反光贴片8与所述自动扫描仪保护盒3粘接，且所述反光贴片8与开挖台车1的表面粘接，即，一共设置有四个反光贴片，所述反光贴片8的作用是在黑暗的隧道环境下，通过光照找到所述反光贴片8的位置，从而确定所述自动扫描仪保护盒3的位置；
[0035] 所述自动扫描仪保护盒3的一端具有开合盖9，所述开合盖9与所述自动扫描仪保护盒3通过弧形拉杆5连接，所述弧形拉杆5上设置有滑槽，所述自动扫描仪保护盒3内侧设置有固定滑块，所述弧形拉杆5的一端与所述开合盖9固定连接，另一端沿所述固定滑块滑动，且所述开合盖9和自动扫描仪保护盒3的连接处设置有合页6，如图2所示，所述弧形拉杆5使所述开合盖9的开启范围为0‑90°，且所述开合盖9的内部设置有双排的轨道4，所述轨道
4在所述开合盖9打开的范围为90°时，与所述自动扫描仪保护盒3内部的底端保持水平，且所述自动扫描仪保护盒3内部的底端同样设置有双排的轨道4，当所述轨道4在所述开合盖9打开的范围为90°时，所述开合盖9上的轨道4与所述自动化扫描仪保护盒3上的轨道4接轨；
[0036] 请继续参考图2，所述轨道4上设置有连接板7，所述连接板7与所述轨道4滑动连接，且所述连接板7底部设置有滑轮，所述滑轮卡接在所述轨道4的内部，所述滑轮通过微型电机旋转，使滑轮转动的过程中带动所述连接板7在所述轨道4上滑动，所述连接板7的顶部安装有自动化三维扫描仪2，当开合盖9闭合时，所述连接板7停留在所述自动扫描仪保护盒3内部底端的一端轨道4上，当需要使用安装在所述连接板7上的自动化三维扫描仪2时，打开开合盖9，使所述弧形拉杆5完全打开，即，将所述开合盖9打开至90°，使所述开合盖9盒所述自动扫描仪保护盒3的低端相水平，所述开合盖9上的轨道4组合成长轨道以供所述自动化三维扫描仪2滑动，使所述连接板7通过滑轮滑出后停止在所述开合盖9上的轨道4的中部，开始所述自动化三维扫描仪2的作业，所述自动化三维扫描仪2可以采用的型号为：徕卡MS60，且所述自动化三维扫描仪2可以基于底座进行水平360°旋转和垂直360°旋转功能，能够对前方隧道开挖断面进行全方位的旋转扫描，获得前方隧道开挖断面围岩表面的各点的三维位置信息。
[0037] 需要说明的是，所述开合盖9上的轨道4和所述自动扫描仪保护盒3上的轨道4的连接处具有相对的45°的斜坡，使两个部分的轨道4可以合并成90°连接时两个轨道4不发生碰撞，且当两个部分的所述轨道4打开时可以保持水平且可以使所述连接板7在两个连接处的轨道4上顺利滑行。
[0038] 请参考图1所示，所述开挖台车1设置在隧道二衬施工完成后的内部，在隧道内部设置台阶，将所述开挖台车1放置在台阶上，所述台阶设置在二衬施工完成的隧道内部，将所述开挖台车1推至隧道开挖的断面前方，将全站仪10设置在隧道内二衬施工完成、变形基本稳定的区域放置，且放置位置作为基准点，所述基准点作为自动化三维扫描仪2定位的基准点，通过全站仪10定位到所述反光贴片8的位置来确定所述自动扫描仪保护盒3的坐标，为所述自动化三维扫描仪2提供基准坐标。
[0039] 所述一种隧道开挖断面自动三维扫描台车的使用方法为：
[0040] 步骤一：确定基准点，通过隧道洞外测量控制点，在隧道内二衬施工完成，且变形基本稳定的区域确定基准点，在基准点上放置全站仪10，所述基准点作为自动化三维扫描台车定位的基准点；
[0041] 步骤二：确定基准坐标，根据步骤一所确认的基准点，使用全站仪确定前方四个反光贴片8来获取所述自动扫描仪保护盒3的位置坐标，为所述自动化三维扫描仪2提供基准坐标；
[0042] 步骤三：开启扫描仪保护盒，通过打开所述自动扫描仪保护盒3一端的开合盖9，使所述开合盖9与所述自动扫描仪保护盒3的底端形成水平位置，使所述自动扫描仪保护盒3内部的所述自动化三维扫描仪2能够驶出至水平放置的所述开合盖9的顶端；
[0043] 步骤四：计算扫描仪位置，启动已经完成步骤四的所述自动化三维扫描仪2，根据所述自动化三维扫描仪在轨道4上的距离和步骤二所测出的位置坐标计算出所述自动化三维扫描仪2的位置；
[0044] 具体计算方法如下：
[0045] 设：全站仪10的位置坐标为：
[0046] O(x0，y0，z0)；
[0047] 开挖台车1上三个反光贴的位置坐标分别为：
[0048] A(x1，y1，z1)；
[0049] B(x2，y2，z2)；
[0050] C(x3，y3，z3)；
[0051] 自动扫描仪保护盒3背部的反光贴片的位置坐标为：
[0052] D(x4，y4，z4)；
[0053] 其中全站仪10的位置坐标O通过隧道外的测量导线测得。然后以O点为基准点，通过全站仪侧的四个反光贴A、B、C、D的位置坐标。在测得各个点的位置坐标后，自动化三维扫描仪2的位置坐标计算方法如下：
[0054]
[0055] 平面ABC的法向量
[0056]
[0057] 式中：
[0058] a＝(y1‑y2)(z1‑z3)‑(y1‑y3)(z1‑z2)
[0059] b＝(x1‑x3)(z1‑z2)‑(x1‑x2)(z1‑z3)
[0060] c＝(x1‑x2)(y1‑y3)‑(x1‑x3)(y1‑y2)
[0061] 过D点并平行与ABC的法向量 的直线方程为：
[0062]
[0063] 自动化三维扫描仪2的中心与自动扫描仪保护盒3背部的反光贴片中心同轴，其可以在控制下沿轨道前后移动，设在轨道上的移动距离为l，可以计算求得三维扫描仪的空间位置坐标为E(x，y，z)：
[0064]
[0065]
[0066] 解方程组即可求得三维扫描仪的空间位置坐标为E(x，y，z)；
[0067] 步骤五：开启扫描，使所述自动化三维扫描仪2开启并对隧道开挖断面围岩进行全方位扫描，并获取隧道开挖断面i点的三维位置信息为
[0068]
[0069] 在施工完初支后，用同样的方法对该区域初支表面进行扫描，求得i点对应的初支表面的三维位置信息，用
[0070] 表示；
[0071] 则i点处初支的厚度的计算公式为：
[0072]
[0073] 通过三维扫描作业对空间断面各个点进行扫描，采用上述算法，即可对断面区域各点初支厚度进行计算和评价；
[0074] 步骤六：返回操作，待步骤五中的控制模块成功保存隧道开挖断面各点的坐标位置后，反馈关闭信息至自动化三维扫描仪2和自动扫描仪保护盒3，使所述自动化三维扫描仪2恢复初始位置。
[0075] 请参考图4和图5所示，所述全站仪10设置在支架上，所述支架使所述全站仪10稳定工作，所述全站仪10开启时，根据所述步骤二去寻找所述反光贴片8，因为所述反光贴片8可以在隧道内部反射强光，可以使所述全站仪10对反射出强光的反光贴片8进行快速测距，得到一个关于隧道内部的自动扫描仪保护盒3的位置坐标，根据步骤一上设定的所述全站仪10的基准坐标即为基准点，使所述位置坐标和所述基准坐标进行计算得出所述自动扫描仪保护盒3背部的坐标；
[0076] 所述步骤三中，自动化三维扫描仪2前进的距离为设定值，控制模块可以控制所述连接板7上的所述滑轮上的电机进行旋转时间和旋转速度的设定，使所述连接板7带动所述自动化三维扫描仪2前进设定好的距离，再根据所述步骤一和步骤二中得出的所述自动扫描仪保护盒3背部的坐标，经过计算可得出在使用过程中的所述自动化三维扫描仪2的坐标，由此可在隧道施工的洞口处得出隧道开挖台车1上设置的所述自动化三维扫描仪2的坐标；
[0077] 所述步骤五根据所述步骤四中确定好的所述自动化三维扫描仪2的坐标为新的基准，将扫描出的隧道开挖断面各点的坐标上传至控制模块后，计算出隧道开挖断面各点与基准点之间的坐标距离，即可有效的判断出隧道开挖后围岩的实际轮廓线，将实际轮廓线与隧道开挖初期的设计轮廓线进行对比，可计算出爆破法开挖的超欠挖数值，从而评估隧道爆破开挖效果。
[0078] 以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
