柔性測量技術在特大斷面隧道試驗中的應用

劉鵬宋曙光周昆王康劉紅

(1.山東高速濟萊城際公路有限公司,山東濟南250011；2.山東建筑大學交通工程學院,山東濟南250101；3.石家莊鐵道大學土木工程學院,河北石家莊050043)

0 引言

21世紀是地下空間資源開發和利用的時代,隧道作為地下空間利用的基本形式,在鐵路、公路、城市地鐵等交通路網中發揮著重要的作用。越來越多的單洞三車道、四車道隧道應運而生,遇到的巖土及工程地質問題也越來越復雜。研究特大斷面隧道的圍巖變形規律,對工程安全及災害防控具有十分重要的意義[1-4]。地質力學模型試驗是研究隧道施工過程中圍巖變形及其力學行為的重要手段[5-8]。

隨著模型試驗技術的不斷發展,測量環境和參數越來越復雜?，F有監測方法多采用埋入式傳感器,無法滿足試驗對空間分辨精度及適用性的高要求。柔性測量作為一種靈活智能的實時測量技術,可滿足高精度、高效率以及高適應性的測量要求,在巖土工程監測領域具有廣泛的應用前景。Motavalli最早提出了視覺傳感器和坐標測量機CMM(Coordinate Measuring Machine)集成的測量系統,采用視覺傳感器獲取物體表面信息,指導CMM測量,在保證關鍵點測量精度的基礎上極大地提高了測量效率[9]。Weckenmann提出了1種多傳感器集成系統,可測量三維標準幾何特征的形狀和位置、表面形貌和膜厚等[10]。國內學者也進行了大量的研究工作。崔希民基于現代三維工業測量的需求和應用,闡述了8類用于精密定位的三維坐標測量系統及其優缺點[11]；郭彤等和魯西等提出了六面體零件作為模板的全局標定方法,建立了基于單位四元數的全局標定數學模型[12-13]；黃強先等和楊雪榮提出一種CMM與線結構光視覺傳感器集成測量方案和基于可變形模型的光條中心提取方法[14-15]；鐘凱等提出了一種將結構光測量系統(SLS)與室內全球定位系統(GPS)技術相結合的組合式大尺寸三維測量技術[16],促進了柔性測量技術的發展和進步。

綜上,所述柔性測量技術在工業測量方向上取得了長足發展,但在巖土工程領域起步較晚。文章將柔性測量技術應用到特大斷面公路隧道施工過程模擬物理模型試驗中,分析隧道開挖過程中圍巖的變形,研究該方法的優缺點及實際效果。

1 柔性測量技術原理概述

柔性測量技術主要采用相位激光測距原理,如圖1所示,利用激光的散射角小、相干性好、功率密度大等優點,對連續的激光進行幅度調制,調制光的光強隨時間做周期性變化,通過測量光波運動的相位差間接求解待測距離D,由式(1)表示為

式中:t為激光往返時間,s；c為激光的速度,m/s。

圖1 相位式激光測距原理示意圖

相位式激光測距在傳播距離上的相位波形開展如圖1所示。設光波頻率為f0,波形為正弦波,波長λ0,加發射點為A,接收點為A1,可得AB＝BA1,AA1＝2D,光波信號經過AA1距離時間為t,起始點A時刻為t0,則發射端A處光強由式(2)表示為

式中:WL(t)為發射端A處光強,cd；AL為發射端信號幅值,m-1；φ0為發射時刻的初始相位,m。

接收端A1處信號光強由式(3)表示為

式中:WR(t)接收端A1處信號光強,cd；AR為接收信號幅值,m-1。

根據式(2)、(3)可知,發射信號與接收信號的相位差φ由式(4)表示為

根據式(4)可求出激光往返時間t,由式(5)表示為

結合式(1)、(5)可知,被測距離D由式(6)表示為

2 柔性測量技術在特大斷面隧道試驗中的應用

2.1 模型試驗

為驗證柔性測量系統在模型試驗中對圍巖空間變形的有效性,將其應用于特大斷面隧道施工過程圍巖變形規律模型試驗中。試驗依托三維拼裝式大型地質力學模型試驗臺架開展,試驗臺架采用單元化拼接組裝完成。拼接單元由厚壁鍍鋅方管及端頭法蘭固定盤組成,通過高強螺栓實現臨近拼接單元的相互固定。試驗臺架拼裝完成后內部空間為3800 mm×1200 mm×3400 mm。

試驗選取港溝隧道進口淺埋小凈距段為原型。港溝隧道為雙洞8車道隧道,最大開挖跨度為20.008 m,高度為13.561 m,面積達到219.78 m2,為山東省跨度最大的公路隧道。隧道地質條件復雜,圍巖自穩能力差,且穿越兩條斷層破碎帶,施工難度極大。隧道采用CD法開挖,循環進尺為4.8 cm。模型試驗選取幾何相似比尺為1∶50,容重相似比尺為1∶1。

2.2 柔性測量技術在試驗中的應用

2.2.1 試驗應用的柔性測量系統

根據柔性測量技術原理,設計的柔性測量系統包括激光相位測距系統、空間位置調整系統、控制及數據傳輸系統,如圖2所示。系統主要技術參數見表1。

圖2 柔性測量系統圖

表1 柔性測量系統技術參數表

激光相位測距系統包含兩組激光測距傳感器組成,如圖3所示。激光器為半導體激光器,輸出波長為650 nm,最大輸出功率5 mW,結構光為線形。激光測距傳感器最大量程120 mm,精度為20 μm。

空間位置調整系統的主要作用是將激光相位測距系統位置進行固定和微調整,為儀器提供精確測量基準。通過控制減速電機與長度為68 mm的多軸小型絲桿的相互傳動,帶動激光測距系統在0.025 mm范圍三維坐標軸內移動。由于隧道開挖形狀存在尺寸差別,通過掃描路徑自動規劃,實現對整個隧道開挖輪廓的完全測量。

圖3 激光相位測距系統及應用圖

控制及數據傳輸系統由觸摸屏以及PLC控制系統及數據傳輸模塊共同構成,主要作用是將測得數據轉化為通用格式,并實現數據的實時存儲、傳輸和處理。

2.2.2 柔性測量系統試驗應用流程

柔性測量系統試驗應用流程如下:

(1)按順序安裝空間位置調整系統、安裝控制及數據傳輸系統、激光相位測量系統。

(2)校準全局坐標系。

(3)調整激光相位測量系統坐標歸零。(4)精確布置激光相位測量系統位置。

(5)隧道開挖,同步進行圍巖位移柔性測量。

(6)測量結束,回收儀器,隧道下一循環開挖結束后再次布設儀器進行測量。

(7)往返循環,直至試驗結束,導出測量結果文件。

通過柔性測量系統測量圍巖開挖輪廓隨隧道開挖掘進變化規律,柔性測量系統在試驗中的應用示意圖如圖4所示。

圖4 柔性測量系統在試驗中的應用圖

3 試驗結果與分析

針對柔性測量系統導出的測量數據,采用基于MATLAB的模型試驗隧道變形數據處理軟件進行圍巖變形三維可視化處理與結果提取。首先對儀器輸出數據進行去噪、抽稀、擬合等預處理,在保證測量精度的前提下降低計算量,減少測量誤差。將預處理后數據擬合隧道開挖輪廓開展三維可視化建模,提取隧道開挖輪廓前后變形數據。模型試驗隧道變形數據處理軟件運行結果如圖5所示。柔性技術實現了三維標準幾何形狀及位置的精準測量。

圖5 試驗變形數據圖

模型試驗中采用柔性測量技術測得各關鍵位置最大位移值見表2。由表2可知,拱頂位置圍巖變形最大,為邊墻位置圍巖變形量的3.87倍,隨測點遠離拱頂,地表沉降值逐漸減??；右洞的拱頂和邊墻位置圍巖最大變形量均大于左洞,分析原因主要因為隧道右洞為先行洞,除自身開挖擾動影響外,隧道左洞開挖時亦會對其產生影響。

柔性測量技術數據分析結果與隧道CD法開挖的趨勢[17]基本一致。由于CD法對超大斷面隧道圍巖擾動較大,左右洞地表沉降呈現變形差別較大的現象。柔性測量技術可以較好的反映隧道圍巖在開挖擾動作用下的變形過程。

表2 各測點最大位移值表/mm

4 結論

針對地質力學模型試驗對圍巖變形監測的高精度要求,將柔性測量技術應用到淺埋特大斷面公路隧道施工過程力學模型試驗中,得到以下結論:

(1)淺埋特大斷面公路隧道施工過程力學模型試驗應用的柔性測量技術,具有高精度、高效率以及高適應性的優點,使其實現了三維標準幾何形狀及位置的精準測量。

(2)采用柔性測量技術測得了各關鍵位置最大位移值,拱頂位置處圍巖變形最大,為邊墻位置處3.87倍,且右洞的拱頂和邊墻位置處圍巖的最大變形量均大于左洞。與隧道CD法開挖的趨勢基本一致,表明柔性測量技術可以較好的反映隧道圍巖在開挖擾動作用下的變形過程。