三维数字化爆破质量评价技术

施富强，廖学燕，龚志刚，尹 恒，赵 鹏

（四川省安全科学技术研究院，成都610045）

三维数字化爆破质量评价技术

施富强，廖学燕，龚志刚，尹 恒，赵 鹏

（四川省安全科学技术研究院，成都610045）

爆破质量的全面定量检测和评价是推动精细化爆破的基础。三维激光扫描技术具有快速、准确和区域整体测绘的特点，为高效、定量检测和评价爆破质量提供了技术手段。采用三维激光扫描技术对爆后结构面和爆堆形态进行扫描，建立三维实景数字模型，然后在三维实景模型中进行几何测量和质量评价。研究内容包括爆破结构面、爆堆形态的现场三维激光扫描、三维实景数字化模型建立、爆破质量立体检测和爆破质量评价。研究表明，三维激光扫描技术具备精细化管理的全面质量检测和评价能力，为实现爆破数字化和智能化提供数据基础。

爆破；三维激光扫描；三维数字化；质量评价

1 引言

随着爆破技术的进步，爆破过程和效果受控程度逐步提高，同时对爆破质量定量评价的要求也越来越高。传统的爆破质量评价指标是在人工观测基础上提出的，常以抽样方法测量点、线为手段进行评价，如半孔率、平整度和块度等﹝1﹞。因此如何客观、高效、全面、准确地对爆破质量进行评估是促进爆破技术进一步提升的关键环节。本文采用三维激光扫描技术，对爆破结构面、爆堆形态进行全样本测量和分析，形成三维数字化爆破质量评价技术。

2 爆破对象三维数字化研究

三维激光扫描技术作为一种新兴的测绘手段，可以对复杂结构体进行高精度的实景复制，具有精度高、非接触式、效率高和信息丰富等特点。它是利用激光测距及水平和垂直方向的角距值计算并记录被测物体表面密集点的三维坐标和反射率等信息，以点云的形式快速并且精确地在电脑中复建出被测物体的立体空间形状。由于采用激光测量，因此精度可达毫米级，并且不受光线影响﹝2﹞。

由于模型上的每个点都有详实的坐标信息，因此可以在点云模型上进行测量、设计和分析﹝3﹞。为了方便利用传统的软件进行处理，也可以将点云转换成由网格面构成的立体模型。

在爆破前利用三维激光扫描技术建立爆破对象的三维点云模型，从真正意义上实现了爆破对象的三维数字化，如图1所示。爆破后进行扫描可以建立结构面及爆堆立体几何模型，并获取结构面空间几何、色度关系和爆堆形状、爆破块度、平整度等参数。另外点云可以方便地转换为由网格构成的几何模型，便于进行后期设计和分析。

图1 隧道爆破三维点云Fig.1 3D point cloud of tunnel blasting

3 爆破质量三维数字化评价

爆破质量包括爆破对象的破碎效果和保留对象的爆破形态，下面分别进行叙述。

3.1 破碎效果

爆破后采用三维激光扫描技术获取整个爆破区域的点云实景，首先可以定量地评价爆破及堆积的效果。然后，可以对爆堆表面的岩块进行几何测量，如图2所示。

图2 爆破块度测量Fig.2 Blasting fragmentation measurement

从图2可以看出，岩块粒径大部分为0.3 m左右，部分大块粒径约为1 m。还可以将爆破前后的扫描数据进行对比，获取爆堆任意剖面的坡面角度、坡面长度等参数，如图3所示。

图3 爆破前后的三维模型对比Fig.3 Comparison of the 3D model before and after blasting

从图3可以得出台阶爆破形成的爆堆坡面角度为13°，坡面长度为46 m。逐次对爆区的三维扫描，分析爆前与爆后轮廓形态，判定爆破参数的合理性。

3.2 爆破轮廓质量评价

对于光面爆破和地下开挖爆破，除了爆破破碎效果外，爆破后控制面的平整度、超欠量和裂隙也是关心的指标。采用三维激光扫描技术可以将爆破后效果和设计目标对比，并进行三维质量评价。以隧道开挖爆破为例，采用三维激光扫描技术可以在没有光源的情况下获取隧道的三维模型，如图4所示。然后将设计模型与实际三维模型对比分析，得出任意点的超欠挖情况，如图5所示。也可以统计超欠挖的分布和范围，如图6所示。根据66 923个采样数据分析得出，该段隧道总欠挖占19%，超挖0～20 cm范围近62%。

图4 隧道三维激光扫描结果Fig.4 Results of 3D laser scanning of tunnel

另外，将爆破前后的三维点云模型进行对比，即可定量判断爆破质量，如图7所示。

根据点云数据可以计算出该次爆破进尺为3 m，爆破方量为254 m3。从三维模型可以看出，全断面爆破进尺差异较大，为调整炮孔深度，提供了定量的数据支持。

利用三维激光扫描技术快速获取爆破后的三维模型，然后可以在彩色的三维模型上准确地对炮孔残痕进行辨识和测量，如图8所示。

根据轮廓面394个炮孔残留长度测量得到炮孔残痕长度为583 m，按设计的孔深2.5 m得到半孔率为59%。残痕长度分布可以准确地统计出来，如图9所示，长度主要在1.21 m至2.24 m之间。

图5 实际模型与设计叠加分析Fig.5 Actual model and design superposition analysis

图6 隧道超欠挖分布展开图Fig.6 Analysis chart of overexcavation and under-excavation of tunnel

图7 隧道爆破前后点云对比Fig.7 Comparison of point could before and after tunnel blasting

4 结论

（1）利用三维激光扫描技术实现爆破质量的定量评价是推动精细化爆破的重要手段，具有经济、快捷、客观、精准的特点。

图8 炮孔残痕长度测量Fig.8 Measurement of residual trace length of blasthole

图9 炮孔残痕长度统计Fig.9 Statistics of residual trace length of blasthole

（2）充分利用数字化信息技术，实现爆破设计与安全质量控制的系统耦合，是全面提升专业化水平和远程服务能力的有效手段。

（3）借助三维激光扫描对色度的敏感性，准确把握地质信息，为精细化设计提出科学依据。

（4）研究制定利用三维激光扫描技术评价爆破质量的技术标准，必将会促进爆破行业的创新发展。

（

）：

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

﹝2﹞杨俊志，尹建忠，吴星亮.地面激光扫描仪的测量原理及其检定［M］.北京：测绘出版社，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﹞刘春，陈华云，吴杭彬.激光三维遥感的数据处理与特征提取［M］.北京：科学出版社，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

施富强（1961-），男，硕士，教授级高工，从事爆破技术和安全科技研究。E-mail：sfq@swjtu.edu.cn