三維激光掃描技術(shù)在云茂高速公路隧道監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

姬亞磊,吳勇生,曾雄鷹

(1.黃茅?？绾Ｍǖ拦芾碇行?珠海市 519055; 2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司 長(zhǎng)沙市 410203)

0 引言

監(jiān)控量測(cè)技術(shù)是隧道施工的重要組成部分,是掌握圍巖動(dòng)態(tài)和驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)合理性的重要技術(shù)手段,也是確定合理支護(hù)時(shí)間的重要依據(jù)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的諸多弊端,施工單位的不夠重視,使得監(jiān)控量測(cè)工作的實(shí)際開展越來(lái)越浮于表面。三維激光掃描技術(shù)[1-4]是上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù),它可以快速獲取被測(cè)目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)信息、顏色信息和反色率信息,在青島膠州灣海底隧道等工程中得到試用。

云茂高速為公路位于粵西山區(qū),全線共設(shè)隧道8座,總長(zhǎng)11595m,其中金林隧道為特長(zhǎng)隧道,全長(zhǎng)3457m,穿過構(gòu)造侵蝕中低山地貌,是全線控制性工程,工期十分緊張;南寨隧道全長(zhǎng)1533m,全部為Ⅴ級(jí)軟弱圍巖,施工難度大;新屋隧道更是存在2段淺埋軟弱圍巖。鑒于隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,隧道監(jiān)控量測(cè)工作極為重要,施工單位在調(diào)研了三維激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)后,在全線隧道應(yīng)用三維激光全斷面法監(jiān)控量測(cè)新技術(shù),在隧道施工過程中全方位對(duì)隧道的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

1 應(yīng)用概況

利用掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描,獲取的隧道表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過進(jìn)一步點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析,可以得到某一樁號(hào)處的斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過擬合算法計(jì)算出隧道中軸線,在此基礎(chǔ)上對(duì)超欠挖、拱頂沉降和周邊收斂及軸線偏差等進(jìn)行分析。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)源,減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

1.1 斷面提取

在進(jìn)行隧道監(jiān)控量測(cè)時(shí),所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是以斷面的形式獲取的;對(duì)于新建隧道可以根據(jù)隧道的線路設(shè)計(jì)資料來(lái)提取斷面。所謂隧道橫斷面,即某樁號(hào)處與隧道中軸線垂直的平面與該隧道三維模型相交形成的斷面。設(shè)該樁號(hào)在中軸線上的坐標(biāo)為(x0,y0,z0),該點(diǎn)處的中軸線切線向量為n=(A,B,C),則該點(diǎn)處的斷面方程為:

A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)=0

(1)

隧道中軸線上某樁號(hào)處的設(shè)計(jì)施工坐標(biāo)可以通過該隧道段的線路設(shè)計(jì)參數(shù)獲取,該點(diǎn)處的切線向量n=(1,k,i/cos(arctank)),k為線路設(shè)計(jì)平面曲線的切線斜率,i為豎曲線的坡度。

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的離散性,實(shí)際的點(diǎn)與點(diǎn)之間有一定的間隔,在進(jìn)行斷面提取時(shí),獲得的并不是嚴(yán)格意義上的平面,該平面有一定的厚度。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分辨率和實(shí)際應(yīng)用,斷面提取的厚度一般設(shè)為1～2cm。圖1為利用該方法提取的斷面,原點(diǎn)在設(shè)計(jì)軸線中心。

圖1 平面坐標(biāo)系中的斷面

1.2 拱頂沉降與周邊位移

根據(jù)規(guī)范要求,周邊位移和拱頂沉降是隧道監(jiān)測(cè)中的必測(cè)項(xiàng)目,監(jiān)測(cè)斷面間隔因圍巖等級(jí)而異。掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是連續(xù)的,在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拱頂沉降和收斂變化監(jiān)測(cè)時(shí),可以根據(jù)圍巖情況在任意斷面處進(jìn)行。拱頂沉降與周邊位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖2所示,測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和位置可以根據(jù)施工工法進(jìn)行調(diào)整。

圖2 沉降與收斂測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

拱頂沉降和周邊收斂是對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的固定測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè),原則上周邊收斂測(cè)點(diǎn)與拱頂下沉測(cè)點(diǎn)需要布設(shè)在相同斷面上。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法需要預(yù)埋測(cè)點(diǎn),布設(shè)掛鉤或反射片,基于三維激光掃描的監(jiān)測(cè)方法不需要預(yù)埋件。在提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí),一般選取以測(cè)點(diǎn)為中心的面狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),然后對(duì)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行距離加權(quán)平均求取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。設(shè)選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)坐標(biāo)為(x0,y0,z0),選取區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)坐標(biāo)為(xi,yi,zi),i=1,2,3,…n,則監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)為:

(2)

計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后,以首期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),生成時(shí)序變化曲線反映各斷面的變形發(fā)展情況,還可以生成空間變化曲線反映隧道的整體變化情況。

1.3 斷面檢測(cè)與超欠挖分析

隧道的開挖情況,與隧道質(zhì)量與安全密切相關(guān)。隧道開挖過程中,一般嚴(yán)禁欠挖,可以超挖,但也有一定的限度,《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的最大允許超挖值如表1所示。

表1 隧道最大允許超挖值

三維激光掃描數(shù)據(jù)可以全面完整地反應(yīng)隧道的超欠挖情況,如圖3所示,可以對(duì)隧道開挖情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。經(jīng)過進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理,可以得到斷面上任一點(diǎn)的具體超欠挖值。

圖3 隧道超欠挖分析

1.4 二襯厚度檢測(cè)

利用掃描數(shù)據(jù)對(duì)襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢查,主要是通過襯砌前后的斷面數(shù)據(jù)對(duì)比,計(jì)算其差值得到襯砌厚度;并且還可以通過和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比,檢查襯砌是否侵線,如圖4所示。由于我們重點(diǎn)關(guān)注二襯的質(zhì)量,所以在初襯穩(wěn)定后對(duì)隧道進(jìn)行掃描作為對(duì)比的基礎(chǔ),并檢查初襯是否侵線,然后在二襯穩(wěn)定后再次進(jìn)行掃描,檢查襯砌厚度是否合格。

圖4 隧道襯砌質(zhì)量檢查

1.5 軸線偏差分析

進(jìn)行軸線偏差分析時(shí)一般利用二襯表面點(diǎn)云數(shù)據(jù),利用最小二乘法擬合出各斷面的中心點(diǎn)坐標(biāo),如圖5所示,并與設(shè)計(jì)中心點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較,按照規(guī)范要求分析其偏差是否合格。

圖5 軸線偏差分布圖

2 應(yīng)用效益分析

工程實(shí)踐表明三維激光掃描法效果理想,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道變形趨勢(shì),為后繼的工法優(yōu)化、設(shè)計(jì)參數(shù)變更、工序調(diào)整、施工質(zhì)量控制、施工進(jìn)度安排提供了數(shù)據(jù)支持。

2.1 及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏壓情況

在實(shí)際應(yīng)用中,三維激光全斷面法監(jiān)測(cè)到南寨隧道進(jìn)口初支發(fā)生不規(guī)則變形,而且有加劇趨勢(shì),施工方及時(shí)調(diào)整工序控制其發(fā)展,后續(xù)通過專家論證變形是地質(zhì)條件原因引起的隧道變形偏壓,施工方根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和斷面變形發(fā)展方向采取修改設(shè)計(jì)參數(shù)和變更洞口外側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)及支擋結(jié)構(gòu)參數(shù),控制洞身變形的發(fā)展。

2.2 準(zhǔn)確識(shí)別局部變形

竹瓦嶺左洞進(jìn)口為淺進(jìn)段,地質(zhì)條件極差,為全風(fēng)化花崗巖,圍巖成粉狀,自穩(wěn)能力極差,在施工過程中用三維激光全斷面監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了中隔墻部位沉降過大,引起局部的初支侵限,施工方根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整施工工序,控制了隧道變形的發(fā)展。

2.3 提前預(yù)測(cè)二襯厚度

用考慮二襯設(shè)計(jì)厚度后的設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行斷面分析,可以在二襯澆筑前預(yù)測(cè)其厚度,有效避免因初支凈空不足造成二襯厚度欠厚的頑疾,提高二襯的質(zhì)量合格率。

3 結(jié)論與建議

三維激光掃描隧道檢測(cè)技術(shù)在云茂高速應(yīng)用效果顯著,多次成功預(yù)警險(xiǎn)情和病害,避免了潛在的安全事故和質(zhì)量事故的發(fā)生。在上級(jí)部門組織的檢查過程中得到了高度認(rèn)可?？梢灶A(yù)見,三維激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)控量測(cè)中將發(fā)揮巨大的作用。建議未來(lái)的工程實(shí)踐中,設(shè)計(jì)施工方在三維激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)理論的基礎(chǔ)上,有針對(duì)性地提出切實(shí)可行的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。