隧道圍巖與結(jié)構(gòu)全息掃描系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

郭世榮

(中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040)

1 引 言

隧道工程受工程施工環(huán)境及工法等因素影響，易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的超欠挖，導(dǎo)致實(shí)際與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之間的差異。而因超挖及欠挖所造成結(jié)構(gòu)變異的部位可能會(huì)引發(fā)一定程度的應(yīng)力集中，對(duì)圍巖的強(qiáng)度及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，甚至可能引起巖爆。因此，在隧道施工中，及時(shí)和全面的掌握實(shí)際超欠挖情況，對(duì)評(píng)估圍巖穩(wěn)定、優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、確定材料用量等都有十分重要的作用。對(duì)于實(shí)際開挖后隧道超欠挖情況，目前主要采用人工尺量、隧道斷面儀測(cè)量等方法，不足之處在于：測(cè)量速度慢，并且作業(yè)需要在沒有支護(hù)的裸露圍巖下方進(jìn)行，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，因而只能檢測(cè)少數(shù)斷面的少數(shù)測(cè)點(diǎn)，不能全面掌握開挖輪廓的超欠挖情況。

為了全面掌握隧道圍巖和結(jié)構(gòu)狀況，目前國內(nèi)外有采用高性能攝像系統(tǒng)進(jìn)行三維掃描的報(bào)道。美國學(xué)者M(jìn)arc Levoy及其團(tuán)隊(duì)提出采用掃描儀與彩色照片相結(jié)合的建模技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)象信息采集并建立與實(shí)物相同的三維模型等相關(guān)技術(shù)。國內(nèi)仇文革、許磊等人獲取了隧道整體激光點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)了超挖及欠挖部位的自動(dòng)化檢測(cè)。這類設(shè)備通過車載或在隧道架設(shè)儀器的方法對(duì)開挖輪廓或隧道結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行掃描，由于距離開挖輪廓面和隧道結(jié)構(gòu)表面距離遠(yuǎn)，因此對(duì)儀器設(shè)備的定位和掃描性能要求極高，設(shè)備十分昂貴，易損壞，對(duì)工作環(huán)境的溫濕度和能見度要求很高。

針對(duì)以上問題，本文將研發(fā)一種隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)用掃描系統(tǒng)，提供一套施工階段隧道圍巖與結(jié)構(gòu)掃描解決方案，精準(zhǔn)高效獲取隧道施工地質(zhì)條件與開挖輪廓信息。

2 隧道圍巖與結(jié)構(gòu)雙軌掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)由施工現(xiàn)場(chǎng)的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)雙軌掃描系統(tǒng)與外部的信息接收處理系統(tǒng)兩部分組成。

(1)隧道內(nèi)部系統(tǒng)(雙軌掃描系統(tǒng))

在隧道初期支護(hù)兩側(cè)各埋設(shè)縱向滑軌，在縱向滑軌上安裝環(huán)向滑軌，在環(huán)向滑軌上搭載掃描設(shè)備(包括攝像、測(cè)距和測(cè)溫等設(shè)備)，通過環(huán)向滑軌及其搭載的掃描設(shè)備在縱向滑軌上沿隧道縱向移動(dòng)，以及掃描設(shè)備在環(huán)向滑軌上環(huán)向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道圍巖和結(jié)構(gòu)表面的全面掃描。通過掃描，收集隧道結(jié)構(gòu)缺陷、隧道超欠挖程度及隧道內(nèi)溫度等信息。由雙軌所收集的包括圖片、數(shù)據(jù)、溫度等信息經(jīng)由隧道內(nèi)部通訊系統(tǒng)(戶外大功率無線AP端及有線網(wǎng)絡(luò)路由器信號(hào)中繼站)與隧道外部通信系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)在隧道外部對(duì)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)信息的收集、整理與分析。

(2)隧道外部系統(tǒng)(信息接收處理系統(tǒng))

由一臺(tái)路由器及一臺(tái)服務(wù)器兩部分構(gòu)成，經(jīng)由隧道內(nèi)部通訊模塊傳輸回來的各種工程信息由路由器接收，傳送回服務(wù)器，所有信息便可以在服務(wù)器中獲取并進(jìn)行分類處理?？傮w方案見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體解決方案框圖

2.2 系統(tǒng)實(shí)施方式

(1)系統(tǒng)運(yùn)行方式

在環(huán)向滑軌和縱向滑軌之間、掃描組件的支架和環(huán)向滑軌之間分別設(shè)置驅(qū)動(dòng)滑移的行走系統(tǒng)。使得環(huán)向滑軌在行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下可以在縱向滑軌上沿隧道縱向前后移動(dòng)，而掃描組件在行走系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下可以在環(huán)向滑軌上沿隧道環(huán)向移動(dòng)。

(2)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)掃描方式

兩條縱向滑軌分別被安裝在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上，安裝在縱向滑軌上的環(huán)向滑軌在已施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)縱向前后移動(dòng)，掃描系統(tǒng)則沿環(huán)向滑軌上環(huán)向移動(dòng)，即可全面覆蓋整個(gè)初期支護(hù)的表面。

(3)圍巖結(jié)構(gòu)掃描方式

環(huán)向滑軌在向前(隧道開挖前進(jìn)方向)滑移至新開挖裸露的圍巖的范圍內(nèi)，需要伸出縱向滑軌所在的初期支護(hù)范圍，此時(shí)掃描組件通過伸出支架安裝在環(huán)向滑軌上，該伸出支架沿縱向滑軌布置，伸出支架一端通過行走系統(tǒng)與環(huán)向滑軌滑動(dòng)裝配，另一端向前伸出并且固定掃描組件，當(dāng)環(huán)向滑軌沿縱向滑軌縱向滑移至初期支護(hù)的前端邊緣時(shí)，將掃描組件在隧道的縱向開挖方向伸出環(huán)向滑軌，直接對(duì)開挖的圍巖進(jìn)行掃描，再通過環(huán)向移動(dòng)和微調(diào)的縱向移動(dòng)，即可全面覆蓋掃描整個(gè)開挖的圍巖表面。

2.3 系統(tǒng)模型研制

根據(jù)掃描系統(tǒng)需求，分兩個(gè)階段設(shè)計(jì)并制造了雙軌掃描系統(tǒng)模型。

(1)第一階段軌道模型

采用兩段鋁合金管材，制作環(huán)向軌道系統(tǒng)初步模型。縱向及環(huán)向滑軌則由齒輪與鋸齒軌道的連接，實(shí)現(xiàn)掃描系統(tǒng)的縱向、環(huán)向移動(dòng)。本次模型是完全根據(jù)實(shí)際使用尺寸制造，拼接完成。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)存在一定變形和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。

(2)第二階段軌道模型

考慮第一階段結(jié)構(gòu)尺寸及構(gòu)造影響了軌道的穩(wěn)定度，第二階段制作完成室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。掃描系統(tǒng)的環(huán)向結(jié)構(gòu)的所有部件均采用塑鋼，塑鋼的主要成分是PVC-U材料。

環(huán)向軌道外部結(jié)構(gòu)采用滑輪凹槽與環(huán)向軌道凸起處嵌合，內(nèi)部結(jié)構(gòu)則由齒輪與軌道齒輪嵌合。上部結(jié)構(gòu)的連接運(yùn)行方式將有效避免因隧道內(nèi)部墜落的顆粒物嵌入軌道，阻礙掃描組件的正常運(yùn)行；下部的連接運(yùn)行方式與步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合，將保證掃描組件的穩(wěn)定運(yùn)行及定點(diǎn)掃描。

3 隧道圍巖與結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)的設(shè)備選型

順應(yīng)隧道智能化施工的趨勢(shì)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality，AR)將在隧道施工管理、病害監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。隧道圍巖與結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)的設(shè)備也將選用AR設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道圍巖與結(jié)構(gòu)掃描，并使用PC端對(duì)AR設(shè)備端的圖像、距離等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，通過后臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與分析。

3.1 炬視智能眼鏡系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用炬視科技的C300工業(yè)級(jí)智能眼鏡，經(jīng)由技術(shù)開發(fā)，可滿足雙軌掃描系統(tǒng)中掃描組件的技術(shù)要求。

3.2 其他輔助系統(tǒng)

為更好的實(shí)現(xiàn)AR眼鏡在隧道掃描中的應(yīng)用，對(duì)AR眼鏡進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)掃描組件上搭載有關(guān)設(shè)備及傳感器，以滿足在隧道中測(cè)距、測(cè)溫及病害識(shí)別中的應(yīng)用。

4 圍巖與結(jié)構(gòu)掃描系統(tǒng)的功能

4.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

通過設(shè)置縱向滑軌和環(huán)向滑軌，使掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)縱向和環(huán)向移動(dòng)，全面覆蓋隧道圍巖和結(jié)構(gòu)表面。簡單的軌道系統(tǒng)為掃描系統(tǒng)提供了快捷、穩(wěn)定和低成本的定位平臺(tái)。由于掃描系統(tǒng)距離被掃描的圍巖和結(jié)構(gòu)表面很近，對(duì)掃描系統(tǒng)的分辨率和精度的要求都很低，可以大大降低全息掃描的儀器設(shè)備成本。

4.2 技術(shù)指標(biāo)

隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)用掃描系統(tǒng)的價(jià)值主要體現(xiàn)在其功能實(shí)現(xiàn)以及檢測(cè)指標(biāo)精度的控制，如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

4.3 系統(tǒng)功能

(1)全面收集隧道施工階段圍巖地質(zhì)條件信息。

(2)高效且精準(zhǔn)獲取隧道開挖輪廓。

(3)精細(xì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查。

(4)有針對(duì)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)病害檢查。

(5)及時(shí)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量監(jiān)控。

5 結(jié)束語

(1)提供了一種雙軌掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。通過縱向滑軌與搭載若干種掃描設(shè)備的環(huán)向滑軌的結(jié)構(gòu)組合，實(shí)現(xiàn)環(huán)向滑軌及其搭載的掃描設(shè)備在縱向滑軌上沿隧道縱向前后移動(dòng)，以及掃描組件在環(huán)向滑軌上環(huán)向移動(dòng)。達(dá)到通過對(duì)隧道圍巖和結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行全面掃描，獲取隧道施工地質(zhì)條件、超欠挖信息、支護(hù)質(zhì)量、病害信息以及達(dá)到可靠地施工監(jiān)控的目的。

(2)結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性，說明其在隧道工程中運(yùn)用的可行性。通過其主系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離、溫度、圖像(裂縫、滲漏等)的信息采集，肯定了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于隧道施工過程中的實(shí)際意義。

(3)提供了一套無線與有線通訊相結(jié)合的局域網(wǎng)通訊技術(shù)方案。該方案一方面，解決了隧道工程洞內(nèi)與洞外的信息實(shí)時(shí)交換問題；另一方面，有利于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)的及時(shí)遠(yuǎn)程獲取和分析，同時(shí)可以達(dá)到有針對(duì)性的隧道質(zhì)量監(jiān)控。