一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法与流程

1.本发明涉及岩土工程中地下空间探测技术领域，具体为一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法。


背景技术：

2.随着我国城市化的进展，越来越多的工程施工区域在含岩溶的复杂地质区域。岩溶地区广泛分布着大小及埋深不明的溶洞，这为工程施工以及后续的项目全寿命维护带来了巨大的挑战。因此需要在建筑物桩基施工过程中，对桩基底部干溶洞的三维结构与尺度进行勘察，并对可能的灾害源进行填补等预防手段。
3.现有的溶洞勘察手段主要有水文地质钻探、物探、水位统测和水文地球化学分析等，其中干溶洞可以使用钻孔摄像机对溶洞的形貌进行简单拍摄，或者用超声波法等对溶洞进行溶洞三维结构的探测，但是现有的溶洞结构与尺寸的探测方法具有下述缺陷：(1)三维结构的探测精度较低；(2)三维结构的探测时间需求较久；(3)专门用于勘察的时间以及资金要求比较多。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法，其方法包括如下步骤：
6.(s1)：选定已知有岩溶的复杂地区，在岩溶地区桩基开挖施工中，利用钻探方式确认桩基底部含有未知结构干溶洞；
7.(s2)：利用激光飞行时间探测装置，对目标物体进行距离标定，利用红外激光向物体发射等时间(tp)等幅值(a)的双脉冲激光，通过相机传感器接收物体处反射回来的激光，相机在三个窗口时间内采集光信号，即第一个窗口w1的时间与双脉冲激光的第一个脉冲时间一致，第二个窗口w2的开始时间与第一个窗口结束时间差2tp，与反射回来的激光中第二个脉冲时间相交，第三个窗口w1与第一个窗口结束时间差tp，采集背景光能量，使c1、c2、cb为相机在上述三个窗口分别采集到的光能量，假设目标距离为d，收集到的有效光幅值为ar，背景光幅值为ab，飞行时间为ttof，已知激光在空气中飞行速度为c，那么目标距离d可以由下述公式计算，同时通过小孔成像原理，将待测物体任意点p的三维坐标(x，y，z)将相机感光单元的坐标(xi，yi)与深度d相互对应，得到待测物体的三维坐标(x，y，z)，其中f为相机焦距；
8.(s3)：将激光飞行时间探测装置安装到钻杆上，将探测装置通过钻机下放到未知结构溶洞对应的深度，每60度进行一次溶洞的三维结构识别，将相机所收集的光信号上传至地面计算机中进行合成处理，在扫描完对应深度溶洞后，通过合成出的三维结构判断是否将溶洞完整扫描，如果对应深度以下依然含有溶洞结构，则将探测装置下降至未探测区域，并重复上述步骤，直至溶洞扫描完成；
9.(s4)：在扫描完成后，通过扫描得到的数据对标识好的溶洞进行几何分析，在计算后得到对应溶洞的三维结构与尺寸关键几何参数。
10.优选的，所述步骤(s1)中，钻探时采用直观的方法，并采用钻孔彩色电视来对孔内溶洞进行原位观察，同时对钻孔获取的土层或岩芯进行观察描述，成像系统进行孔壁图像实时采集，初步获取到溶洞的数据。
11.优选的，所述步骤(s2)中，脉冲激光的能量密度为1.5
‑
2.5j/cm2，脉冲激光的频率为30mhz。
12.优选的，所述步骤(s2)中，激光飞行时间探测装置与目标物体的距离为1m或1m以上，相机与目标物体的距离为1m或1m以上。
13.优选的，所述步骤(s3)中，激光飞行时间探测装置是通过螺栓固定的方式安装在钻杆表面。
14.优选的，所述步骤(s3)中，在使用激光飞行时间探测装置进行扫描识别时，如果遇到溶洞内较近的凸起障碍物或其他阻碍装置视角的气体时，使钻杆上升或下降来让激光飞行时间探测装置的视角远离障碍物体。
15.优选的，所述步骤(s3)中，在激光飞行时间探测装置跟随钻杆上下的同时，确保激光飞行时间探测装置与岩壁之间存有30cm或30cm以上的间距。
16.优选的，所述步骤(s4)中，获取到的溶洞三维结构参数包括有溶洞的最大宽度、最小宽度、深度、岩石的起伏度以及基岩的厚度。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
18.本发明提出的方法利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞的三维结构和尺度进行快速测量，同时实现对干溶洞的三维结构和尺度的高精度测量，降低了测量的时间与资金成本，解决了现有的溶洞结构与尺寸的探测方法存在缺陷，不仅三维结构的探测精度较低，三维结构的探测时间需求较久，且耗费的时间和金钱成本较多的问题。
附图说明
19.图1为激光飞行时间探测目标距离示意图；
20.图2为基于激光飞行时间探测技术探测溶洞三维结构与尺寸示意图；
21.图中：1、岩体；2、钻机；3、激光飞行时间探测装置；4、钻杆；5、计算机；6、待探测地下溶洞；7、电源与数据线；8、数据接收传输装置；9、红外激光照明模组；10、摄像头。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
23.实施例一：
24.一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法，其方法包括如下步骤：
25.(s1)：选定已知有岩溶的复杂地区，在岩溶地区桩基开挖施工中，利用钻探方式确认桩基底部含有未知结构干溶洞，其中钻探时采用直观的方法，并采用钻孔彩色电视来对孔内溶洞进行原位观察，同时对钻孔获取的土层或岩芯进行观察描述，成像系统进行孔壁图像实时采集，初步获取到溶洞的数据；
26.(s2)：利用激光飞行时间探测装置，对目标物体进行距离标定，利用红外激光向物体发射等时间(tp)等幅值(a)的双脉冲激光，通过相机传感器接收物体处反射回来的激光，相机在三个窗口时间内采集光信号，即第一个窗口w1的时间与双脉冲激光的第一个脉冲时间一致，第二个窗口w2的开始时间与第一个窗口结束时间差2tp，与反射回来的激光中第二个脉冲时间相交，第三个窗口w1与第一个窗口结束时间差tp，采集背景光能量，使c1、c2、cb为相机在上述三个窗口分别采集到的光能量，假设目标距离为d，收集到的有效光幅值为ar，背景光幅值为ab，飞行时间为ttof，已知激光在空气中飞行速度为c，那么目标距离d可以由下述公式计算，同时通过小孔成像原理，将待测物体任意点p的三维坐标(x，y，z)将相机感光单元的坐标(xi，yi)与深度d相互对应，得到待测物体的三维坐标(x，y，z)，其中f为相机焦距，其中脉冲激光的能量密度为1.5
‑
2.5j/cm2，脉冲激光的频率为30mhz；
27.(s3)：将激光飞行时间探测装置安装到钻杆上，将探测装置通过钻机下放到未知结构溶洞对应的深度，每60度进行一次溶洞的三维结构识别，将相机所收集的光信号上传至地面计算机中进行合成处理，在扫描完对应深度溶洞后，通过合成出的三维结构判断是否将溶洞完整扫描，如果对应深度以下依然含有溶洞结构，则将探测装置下降至未探测区域，并重复上述步骤，直至溶洞扫描完成，激光飞行时间探测装置是通过螺栓固定的方式安装在钻杆表面，以便进行拆卸；
28.(s4)：在扫描完成后，通过扫描得到的数据对标识好的溶洞进行几何分析，在计算后得到对应溶洞的三维结构与尺寸关键几何参数，获取到的溶洞三维结构参数包括有溶洞的最大宽度、最小宽度、深度、岩石的起伏度以及基岩的厚度等。
29.实施例二：
30.一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法，其方法包括如下步骤：
31.(s1)：选定已知有岩溶的复杂地区，在岩溶地区桩基开挖施工中，利用钻探方式确认桩基底部含有未知结构干溶洞，其中钻探时采用直观的方法，并采用钻孔彩色电视来对孔内溶洞进行原位观察，同时对钻孔获取的土层或岩芯进行观察描述，成像系统进行孔壁图像实时采集，初步获取到溶洞的数据；
32.(s2)：利用激光飞行时间探测装置，对目标物体进行距离标定，利用红外激光向物体发射等时间(tp)等幅值(a)的双脉冲激光，通过相机传感器接收物体处反射回来的激光，相机在三个窗口时间内采集光信号，即第一个窗口w1的时间与双脉冲激光的第一个脉冲时间一致，第二个窗口w2的开始时间与第一个窗口结束时间差2tp，与反射回来的激光中第二个脉冲时间相交，第三个窗口w1与第一个窗口结束时间差tp，采集背景光能量，使c1、c2、cb为相机在上述三个窗口分别采集到的光能量，假设目标距离为d，收集到的有效光幅值为ar，背景光幅值为ab，飞行时间为ttof，已知激光在空气中飞行速度为c，那么目标距离d可以由下述公式计算，同时通过小孔成像原理，将待测物体任意点p的三维坐标(x，y，z)将相机感光单元的坐标(xi，yi)与深度d相互对应，得到待测物体的三维坐标(x，y，z)，其中f为相机焦距，其中脉冲激光的能量密度为1.5
‑
2.5j/cm2，脉冲激光的频率为30mhz，且激光飞行时间探测装置与目标物体的距离为1m或1m以上，相机与目标物体的距离为1m或1m以上；
33.(s3)：将激光飞行时间探测装置安装到钻杆上，将探测装置通过钻机下放到未知结构溶洞对应的深度，每60度进行一次溶洞的三维结构识别，将相机所收集的光信号上传至地面计算机中进行合成处理，在扫描完对应深度溶洞后，通过合成出的三维结构判断是否将溶洞完整扫描，如果对应深度以下依然含有溶洞结构，则将探测装置下降至未探测区域，并重复上述步骤，直至溶洞扫描完成，激光飞行时间探测装置是通过螺栓固定的方式安装在钻杆表面，以便进行拆卸，在使用激光飞行时间探测装置进行扫描识别时，如果遇到溶洞内较近的凸起障碍物或其他阻碍装置视角的气体时，使钻杆上升或下降来让激光飞行时间探测装置的视角远离障碍物体，以免激光飞行时间探测装置的时间遇到阻碍，而对扫描结果造成影响；
34.(s4)：在扫描完成后，通过扫描得到的数据对标识好的溶洞进行几何分析，在计算后得到对应溶洞的三维结构与尺寸关键几何参数，获取到的溶洞三维结构参数包括有溶洞的最大宽度、最小宽度、深度、岩石的起伏度以及基岩的厚度等。
35.实施例三：
36.一种利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞三维结构与尺度的快速测量方法，其方法包括如下步骤：
37.(s1)：选定已知有岩溶的复杂地区，在岩溶地区桩基开挖施工中，利用钻探方式确认桩基底部含有未知结构干溶洞，其中钻探时采用直观的方法，并采用钻孔彩色电视来对孔内溶洞进行原位观察，同时对钻孔获取的土层或岩芯进行观察描述，成像系统进行孔壁图像实时采集，初步获取到溶洞的数据；
38.(s2)：利用激光飞行时间探测装置，对目标物体进行距离标定，利用红外激光向物体发射等时间(tp)等幅值(a)的双脉冲激光，通过相机传感器接收物体处反射回来的激光，相机在三个窗口时间内采集光信号，即第一个窗口w1的时间与双脉冲激光的第一个脉冲时间一致，第二个窗口w2的开始时间与第一个窗口结束时间差2tp，与反射回来的激光中第二
个脉冲时间相交，第三个窗口w1与第一个窗口结束时间差tp，采集背景光能量，使c1、c2、cb为相机在上述三个窗口分别采集到的光能量，假设目标距离为d，收集到的有效光幅值为ar，背景光幅值为ab，飞行时间为ttof，已知激光在空气中飞行速度为c，那么目标距离d可以由下述公式计算，同时通过小孔成像原理，将待测物体任意点p的三维坐标(x，y，z)将相机感光单元的坐标(xi，yi)与深度d相互对应，得到待测物体的三维坐标(x，y，z)，其中f为相机焦距，其中脉冲激光的能量密度为1.5
‑
2.5j/cm2，脉冲激光的频率为30mhz，且激光飞行时间探测装置与目标物体的距离为1m或1m以上，相机与目标物体的距离为1m或1m以上；
39.(s3)：将激光飞行时间探测装置安装到钻杆上，将探测装置通过钻机下放到未知结构溶洞对应的深度，每60度进行一次溶洞的三维结构识别，将相机所收集的光信号上传至地面计算机中进行合成处理，在扫描完对应深度溶洞后，通过合成出的三维结构判断是否将溶洞完整扫描，如果对应深度以下依然含有溶洞结构，则将探测装置下降至未探测区域，并重复上述步骤，直至溶洞扫描完成，激光飞行时间探测装置是通过螺栓固定的方式安装在钻杆表面，以便进行拆卸，在使用激光飞行时间探测装置进行扫描识别时，如果遇到溶洞内较近的凸起障碍物或其他阻碍装置视角的气体时，使钻杆上升或下降来让激光飞行时间探测装置的视角远离障碍物体，以免激光飞行时间探测装置的时间遇到阻碍，而对扫描结果造成影响，而在激光飞行时间探测装置跟随钻杆上下的同时，确保激光飞行时间探测装置与岩壁之间存有30cm或30cm以上的间距，防止装置触碰到岩壁；
40.(s4)：在扫描完成后，通过扫描得到的数据对标识好的溶洞进行几何分析，在计算后得到对应溶洞的三维结构与尺寸关键几何参数，获取到的溶洞三维结构参数包括有溶洞的最大宽度、最小宽度、深度、岩石的起伏度以及基岩的厚度等。
41.本发明提出的方法利用激光飞行时间对桩基底部已钻通干溶洞的三维结构和尺度进行快速测量，同时实现对干溶洞的三维结构和尺度的高精度测量，降低了测量的时间与资金成本，解决了现有的溶洞结构与尺寸的探测方法存在缺陷，不仅三维结构的探测精度较低，三维结构的探测时间需求较久，且耗费的时间和金钱成本较多的问题
42.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。