三維數(shù)字化爆破質(zhì)量評價技術(shù)

施富強，廖學(xué)燕，龔志剛，尹 恒，趙 鵬

（四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，成都610045）

三維數(shù)字化爆破質(zhì)量評價技術(shù)

施富強，廖學(xué)燕，龔志剛，尹 恒，趙 鵬

（四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，成都610045）

爆破質(zhì)量的全面定量檢測和評價是推動精細(xì)化爆破的基礎(chǔ)。三維激光掃描技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確和區(qū)域整體測繪的特點，為高效、定量檢測和評價爆破質(zhì)量提供了技術(shù)手段。采用三維激光掃描技術(shù)對爆后結(jié)構(gòu)面和爆堆形態(tài)進(jìn)行掃描，建立三維實景數(shù)字模型，然后在三維實景模型中進(jìn)行幾何測量和質(zhì)量評價。研究內(nèi)容包括爆破結(jié)構(gòu)面、爆堆形態(tài)的現(xiàn)場三維激光掃描、三維實景數(shù)字化模型建立、爆破質(zhì)量立體檢測和爆破質(zhì)量評價。研究表明，三維激光掃描技術(shù)具備精細(xì)化管理的全面質(zhì)量檢測和評價能力，為實現(xiàn)爆破數(shù)字化和智能化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

爆破；三維激光掃描；三維數(shù)字化；質(zhì)量評價

1 引言

隨著爆破技術(shù)的進(jìn)步，爆破過程和效果受控程度逐步提高，同時對爆破質(zhì)量定量評價的要求也越來越高。傳統(tǒng)的爆破質(zhì)量評價指標(biāo)是在人工觀測基礎(chǔ)上提出的，常以抽樣方法測量點、線為手段進(jìn)行評價，如半孔率、平整度和塊度等﹝1﹞。因此如何客觀、高效、全面、準(zhǔn)確地對爆破質(zhì)量進(jìn)行評估是促進(jìn)爆破技術(shù)進(jìn)一步提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文采用三維激光掃描技術(shù)，對爆破結(jié)構(gòu)面、爆堆形態(tài)進(jìn)行全樣本測量和分析，形成三維數(shù)字化爆破質(zhì)量評價技術(shù)。

2 爆破對象三維數(shù)字化研究

三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的測繪手段，可以對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體進(jìn)行高精度的實景復(fù)制，具有精度高、非接觸式、效率高和信息豐富等特點。它是利用激光測距及水平和垂直方向的角距值計算并記錄被測物體表面密集點的三維坐標(biāo)和反射率等信息，以點云的形式快速并且精確地在電腦中復(fù)建出被測物體的立體空間形狀。由于采用激光測量，因此精度可達(dá)毫米級，并且不受光線影響﹝2﹞。

由于模型上的每個點都有詳實的坐標(biāo)信息，因此可以在點云模型上進(jìn)行測量、設(shè)計和分析﹝3﹞。為了方便利用傳統(tǒng)的軟件進(jìn)行處理，也可以將點云轉(zhuǎn)換成由網(wǎng)格面構(gòu)成的立體模型。

在爆破前利用三維激光掃描技術(shù)建立爆破對象的三維點云模型，從真正意義上實現(xiàn)了爆破對象的三維數(shù)字化，如圖1所示。爆破后進(jìn)行掃描可以建立結(jié)構(gòu)面及爆堆立體幾何模型，并獲取結(jié)構(gòu)面空間幾何、色度關(guān)系和爆堆形狀、爆破塊度、平整度等參數(shù)。另外點云可以方便地轉(zhuǎn)換為由網(wǎng)格構(gòu)成的幾何模型，便于進(jìn)行后期設(shè)計和分析。

圖1 隧道爆破三維點云Fig.1 3D point cloud of tunnel blasting

3 爆破質(zhì)量三維數(shù)字化評價

爆破質(zhì)量包括爆破對象的破碎效果和保留對象的爆破形態(tài)，下面分別進(jìn)行敘述。

3.1 破碎效果

爆破后采用三維激光掃描技術(shù)獲取整個爆破區(qū)域的點云實景，首先可以定量地評價爆破及堆積的效果。然后，可以對爆堆表面的巖塊進(jìn)行幾何測量，如圖2所示。

圖2 爆破塊度測量Fig.2 Blasting fragmentation measurement

從圖2可以看出，巖塊粒徑大部分為0.3 m左右，部分大塊粒徑約為1 m。還可以將爆破前后的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，獲取爆堆任意剖面的坡面角度、坡面長度等參數(shù)，如圖3所示。

圖3 爆破前后的三維模型對比Fig.3 Comparison of the 3D model before and after blasting

從圖3可以得出臺階爆破形成的爆堆坡面角度為13°，坡面長度為46 m。逐次對爆區(qū)的三維掃描，分析爆前與爆后輪廓形態(tài)，判定爆破參數(shù)的合理性。

3.2 爆破輪廓質(zhì)量評價

對于光面爆破和地下開挖爆破，除了爆破破碎效果外，爆破后控制面的平整度、超欠量和裂隙也是關(guān)心的指標(biāo)。采用三維激光掃描技術(shù)可以將爆破后效果和設(shè)計目標(biāo)對比，并進(jìn)行三維質(zhì)量評價。以隧道開挖爆破為例，采用三維激光掃描技術(shù)可以在沒有光源的情況下獲取隧道的三維模型，如圖4所示。然后將設(shè)計模型與實際三維模型對比分析，得出任意點的超欠挖情況，如圖5所示。也可以統(tǒng)計超欠挖的分布和范圍，如圖6所示。根據(jù)66 923個采樣數(shù)據(jù)分析得出，該段隧道總欠挖占19%，超挖0～20 cm范圍近62%。

圖4 隧道三維激光掃描結(jié)果Fig.4 Results of 3D laser scanning of tunnel

另外，將爆破前后的三維點云模型進(jìn)行對比，即可定量判斷爆破質(zhì)量，如圖7所示。

根據(jù)點云數(shù)據(jù)可以計算出該次爆破進(jìn)尺為3 m，爆破方量為254 m3。從三維模型可以看出，全斷面爆破進(jìn)尺差異較大，為調(diào)整炮孔深度，提供了定量的數(shù)據(jù)支持。

利用三維激光掃描技術(shù)快速獲取爆破后的三維模型，然后可以在彩色的三維模型上準(zhǔn)確地對炮孔殘痕進(jìn)行辨識和測量，如圖8所示。

根據(jù)輪廓面394個炮孔殘留長度測量得到炮孔殘痕長度為583 m，按設(shè)計的孔深2.5 m得到半孔率為59%。殘痕長度分布可以準(zhǔn)確地統(tǒng)計出來，如圖9所示，長度主要在1.21 m至2.24 m之間。

圖5 實際模型與設(shè)計疊加分析Fig.5 Actual model and design superposition analysis

圖6 隧道超欠挖分布展開圖Fig.6 Analysis chart of overexcavation and under-excavation of tunnel

圖7 隧道爆破前后點云對比Fig.7 Comparison of point could before and after tunnel blasting

4 結(jié)論

（1）利用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)爆破質(zhì)量的定量評價是推動精細(xì)化爆破的重要手段，具有經(jīng)濟(jì)、快捷、客觀、精準(zhǔn)的特點。

圖8 炮孔殘痕長度測量Fig.8 Measurement of residual trace length of blasthole

圖9 炮孔殘痕長度統(tǒng)計Fig.9 Statistics of residual trace length of blasthole

（2）充分利用數(shù)字化信息技術(shù)，實現(xiàn)爆破設(shè)計與安全質(zhì)量控制的系統(tǒng)耦合，是全面提升專業(yè)化水平和遠(yuǎn)程服務(wù)能力的有效手段。

（3）借助三維激光掃描對色度的敏感性，準(zhǔn)確把握地質(zhì)信息，為精細(xì)化設(shè)計提出科學(xué)依據(jù)。

（4）研究制定利用三維激光掃描技術(shù)評價爆破質(zhì)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，必將會促進(jìn)爆破行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

（

）：

﹝1﹞汪旭光.工程爆破手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010：431-432. WANG Xu-guang.Handbook of blasting［M］.Beijing：Metallurgical Industry Press，2010：431-432.

﹝2﹞楊俊志，尹建忠，吳星亮.地面激光掃描儀的測量原理及其檢定［M］.北京：測繪出版社，2012：130-136. YANG Jun-zhi，YIN Jian-zhong，WU Xing-liang.Measuring principle and calibration of terrestrial laser scanner［M］.Beijing：Surveying and Mapping Press，2012：130-136.

﹝3﹞劉春，陳華云，吳杭彬.激光三維遙感的數(shù)據(jù)處理與特征提取［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：41-83. LIU Chun，CHEN Hua-yun，WU Hang-bin.Data processing and feature extraction of 3D laser remote sensing［M］.Beijing：SciencePress，2009：41-83.

Three-dimensional digitalization technique on blasting quality evaluation

SHI Fu-qiang，LIPO Xue-yan，COPC Zhi-gong，YIP Heng，ZHPO Peng
（Sichuan Province Pcademy of Safety Science and TechnoIogy，Chengdu 610045，China）

An overall quantitative detection and evaluation on blasting quality is the basis for promoting the refinement method of blasting.With the feature of speedness，high accuracy and the capacity of regional entire surveying，the 3D laser scanning technology can be used for detecting and evaluating blasting quality efficiently and quantitatively.The 3D laser scanning technology was used to scan the blasting results and build its 3D live-action digital model，and in this way geometrical measurement and quality evaluation could be made.The study contents included the 3D laser scanning of blasting results，the building of its 3D live-action digital model，the index of the overall detection and evaluation on blasting quality.The experiment result of the 3D laser scanning technology could conduct the refine management for overall quality detection and evaluation.It could provide the data base for blasting digitization and intelligentization.

Blasting；3D laser scanning；3D digitalization；Qualityevaluation

TD235.4＋7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.006

1006-7051（2016）05-0029-03

2016-04-20

施富強（1961-），男，碩士，教授級高工，從事爆破技術(shù)和安全科技研究。E-mail：sfq@swjtu.edu.cn