隧道圍巖與結構全息掃描系統的研究及應用

郭世榮

(中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040)

1 引 言

隧道工程受工程施工環境及工法等因素影響，易導致隧道結構的超欠挖，導致實際與設計結構之間的差異。而因超挖及欠挖所造成結構變異的部位可能會引發一定程度的應力集中，對圍巖的強度及穩定性產生較大的影響，甚至可能引起巖爆。因此，在隧道施工中，及時和全面的掌握實際超欠挖情況，對評估圍巖穩定、優化支護參數、確定材料用量等都有十分重要的作用。對于實際開挖后隧道超欠挖情況，目前主要采用人工尺量、隧道斷面儀測量等方法，不足之處在于：測量速度慢，并且作業需要在沒有支護的裸露圍巖下方進行，存在較大安全風險，因而只能檢測少數斷面的少數測點，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構狀況，目前國內外有采用高性能攝像系統進行三維掃描的報道。美國學者Marc Levoy及其團隊提出采用掃描儀與彩色照片相結合的建模技術，初步實現了對象信息采集并建立與實物相同的三維模型等相關技術。國內仇文革、許磊等人獲取了隧道整體激光點云，實現了超挖及欠挖部位的自動化檢測。這類設備通過車載或在隧道架設儀器的方法對開挖輪廓或隧道結構表面進行掃描，由于距離開挖輪廓面和隧道結構表面距離遠，因此對儀器設備的定位和掃描性能要求極高，設備十分昂貴，易損壞，對工作環境的溫濕度和能見度要求很高。

針對以上問題，本文將研發一種隧道圍巖與支護結構實用掃描系統，提供一套施工階段隧道圍巖與結構掃描解決方案，精準高效獲取隧道施工地質條件與開挖輪廓信息。

2 隧道圍巖與結構雙軌掃描系統的結構設計

2.1 系統總體方案

該系統由施工現場的圍巖與支護結構雙軌掃描系統與外部的信息接收處理系統兩部分組成。

(1)隧道內部系統(雙軌掃描系統)

在隧道初期支護兩側各埋設縱向滑軌，在縱向滑軌上安裝環向滑軌，在環向滑軌上搭載掃描設備(包括攝像、測距和測溫等設備)，通過環向滑軌及其搭載的掃描設備在縱向滑軌上沿隧道縱向移動，以及掃描設備在環向滑軌上環向移動，實現對隧道圍巖和結構表面的全面掃描。通過掃描，收集隧道結構缺陷、隧道超欠挖程度及隧道內溫度等信息。由雙軌所收集的包括圖片、數據、溫度等信息經由隧道內部通訊系統(戶外大功率無線AP端及有線網絡路由器信號中繼站)與隧道外部通信系統連接，實現在隧道外部對隧道施工現場信息的收集、整理與分析。

(2)隧道外部系統(信息接收處理系統)

由一臺路由器及一臺服務器兩部分構成，經由隧道內部通訊模塊傳輸回來的各種工程信息由路由器接收，傳送回服務器，所有信息便可以在服務器中獲取并進行分類處理。總體方案見圖1。

圖1 系統總體解決方案框圖

2.2 系統實施方式

(1)系統運行方式

在環向滑軌和縱向滑軌之間、掃描組件的支架和環向滑軌之間分別設置驅動滑移的行走系統。使得環向滑軌在行走系統的驅動下可以在縱向滑軌上沿隧道縱向前后移動，而掃描組件在行走系統的驅動下可以在環向滑軌上沿隧道環向移動。

(2)初期支護結構掃描方式

兩條縱向滑軌分別被安裝在初期支護結構上，安裝在縱向滑軌上的環向滑軌在已施作初期支護結構范圍內縱向前后移動，掃描系統則沿環向滑軌上環向移動，即可全面覆蓋整個初期支護的表面。

(3)圍巖結構掃描方式

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

2.3 系統模型研制

根據掃描系統需求，分兩個階段設計并制造了雙軌掃描系統模型。

(1)第一階段軌道模型

采用兩段鋁合金管材，制作環向軌道系統初步模型。縱向及環向滑軌則由齒輪與鋸齒軌道的連接，實現掃描系統的縱向、環向移動。本次模型是完全根據實際使用尺寸制造，拼接完成。通過現場測試，發現存在一定變形和結構不穩定的問題。

(2)第二階段軌道模型

考慮第一階段結構尺寸及構造影響了軌道的穩定度，第二階段制作完成室內試驗模型。掃描系統的環向結構的所有部件均采用塑鋼，塑鋼的主要成分是PVC-U材料。

環向軌道外部結構采用滑輪凹槽與環向軌道凸起處嵌合，內部結構則由齒輪與軌道齒輪嵌合。上部結構的連接運行方式將有效避免因隧道內部墜落的顆粒物嵌入軌道，阻礙掃描組件的正常運行；下部的連接運行方式與步進電機相結合，將保證掃描組件的穩定運行及定點掃描。

3 隧道圍巖與結構掃描系統的設備選型

順應隧道智能化施工的趨勢，增強現實技術(Augmented Reality，AR)將在隧道施工管理、病害監測等方面發揮重要作用。隧道圍巖與結構掃描系統的設備也將選用AR設備實現對隧道圍巖與結構掃描，并使用PC端對AR設備端的圖像、距離等信息進行實時收集，通過后臺進行相應處理，實現遠程數據的采集與分析。

3.1 炬視智能眼鏡系統

本系統采用炬視科技的C300工業級智能眼鏡，經由技術開發，可滿足雙軌掃描系統中掃描組件的技術要求。

3.2 其他輔助系統

為更好的實現AR眼鏡在隧道掃描中的應用，對AR眼鏡進行開發，同時掃描組件上搭載有關設備及傳感器，以滿足在隧道中測距、測溫及病害識別中的應用。

4 圍巖與結構掃描系統的功能

4.1 系統優點

通過設置縱向滑軌和環向滑軌，使掃描系統能夠實現縱向和環向移動，全面覆蓋隧道圍巖和結構表面。簡單的軌道系統為掃描系統提供了快捷、穩定和低成本的定位平臺。由于掃描系統距離被掃描的圍巖和結構表面很近，對掃描系統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備成本。

4.2 技術指標

隧道圍巖與支護結構實用掃描系統的價值主要體現在其功能實現以及檢測指標精度的控制，如表1所示。

表1 系統功能及技術指標

4.3 系統功能

(1)全面收集隧道施工階段圍巖地質條件信息。

(2)高效且精準獲取隧道開挖輪廓。

(3)精細的支護結構質量檢查。

(4)有針對性的支護結構病害檢查。

(5)及時的結構質量監控。

5 結束語

(1)提供了一種雙軌掃描系統的結構設計方案。通過縱向滑軌與搭載若干種掃描設備的環向滑軌的結構組合，實現環向滑軌及其搭載的掃描設備在縱向滑軌上沿隧道縱向前后移動，以及掃描組件在環向滑軌上環向移動。達到通過對隧道圍巖和結構表面進行全面掃描，獲取隧道施工地質條件、超欠挖信息、支護質量、病害信息以及達到可靠地施工監控的目的。

(2)結合增強現實技術的特性，說明其在隧道工程中運用的可行性。通過其主系統與輔助系統的開發，實現對距離、溫度、圖像(裂縫、滲漏等)的信息采集，肯定了增強現實技術應用于隧道施工過程中的實際意義。

(3)提供了一套無線與有線通訊相結合的局域網通訊技術方案。該方案一方面，解決了隧道工程洞內與洞外的信息實時交換問題；另一方面，有利于系統的遠程控制，實現了對現場掃描數據的及時遠程獲取和分析，同時可以達到有針對性的隧道質量監控。