近景攝影測量隧道工程質量控制方法應用研究

鄧 俊

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017)

隨著我國公路建設水平的不斷發展，隧道工程正在不斷建設。隧道工程質量控制主要包括隧道圍巖收斂及拱頂沉降等內容，可以最直觀的了解隧道力學動態變化，是保障隧道施工質量和安全的重要手段。隨著數碼相機和計算機技術的不斷進步，近景攝影測量取得了跨越式發展，與傳統的三維測量方法相比，近景攝影測量采用非接觸式量測手段，可獲得大量物方監測點間的位移變形情況，在隧道工程質量控制領域具有較大的應用潛力。國內許多專家學者對近景攝影測量隧道工程質量控制進行相關研究，吳世棋等通過使用國產攝影經緯儀進行攝影測量，需要專業設備和布設固定控制點。賀躍光等對數字近景攝影測量進行深入研究，開發了攝影測量系統并應用于地礦測量中。王國輝等、田勝利等通過改進P-H算法對隧道圍巖收斂和拱頂沉降變形進行數字攝影測量，不布設固定控制點，可自由設站。Satoru M等采用布置大量控制點結合攝影測量技術進行隧道圍巖收斂和拱頂沉降變形測量，現場實施困難較大。綜上所述，基于隧道工程質量控制的特殊性和重要性，非常有必要對近景攝影測量隧道工程質量控制方法進行深入研究，可極大的豐富隧道質量控制方法，有效保障隧道工程質量和施工安全。

1 近景攝影測量隧道工程質量控制方法

近景攝影測量隧道工程質量控制方法包含了單向攝影和線性變換等算法，通過采用單張影像在一個平面內檢測隧道圍巖收斂及拱頂沉降變形值的方法，根據不同時段圍巖變形前后影像計算待測點變形量。

1.1 單向攝影

單向攝影采用數碼相機居中拍攝，左右兩側垂直立起標準桿的方式，采用獨立坐標系下的距離相對控制方法計算待測點坐標。使用單向攝影方法計算待測點變形值時，首先應通過焦距f和攝影距離H的比值(或者待測物實際長度L與像方長度l的比值)來計算成像比例尺。可由下式確定變形值

(1)

式中:Δxi、Δyi為點在像平面內的位移，H為拍攝距離，f為攝影機焦距。

標準桿應具有明顯的刻度，假定標準桿上的一點為單向攝影平面控制點，可通過上式計算其他平面控制點坐標，再采用線性變換算法計算隧道圍巖收斂及拱頂沉降觀測點物方坐標。

1.2 線性變換

單向攝影平面與物方平面之間的投影轉化關系可通過線性變換實現。線性變換基本關系式為

(2)

首先需求解4個控制點，再來解算l系數近似值，解得l系數后，聯立所有像點坐標(x,y)方程計算相應的物方平面坐標(X,Y)近似值。設單向攝影平面坐標量測值改正數為(vx,vy)，當單向攝影平面控制點多于4個時，可得到如下關系式

(3)

相應的誤差方程式為

(4)

式中

V=[vxvy]T

L=[l1l2l3l4l5l6l7l8]T

A=l7X+l8Y+1

當現場拍攝的像片不少于1張時，可得出如下誤差方程式

(5)

線性變換方法計算出該待測點在單向攝影平面物方坐標后，通過不同時段圍巖變形前后影像計算待測點變形量。可由下式計算變形值

(6)

2 工程應用

本次實驗以義烏至武義公路隧道工程為依托，對近景攝影測量隧道工程質量控制方法進行實地驗證。每個隧道斷面布設5個檢測點，每個檢測點分別觀測4個時段，隧道斷面檢測點分布見圖1。隧道單向攝影時數碼相機居中拍攝，數碼相機安放在距離隧道檢測斷面約10～15 m左右范圍內。同時保持數碼相機單向攝影位置不變，每斷面同一時段拍攝6張影像，采用其中最清晰的影像進行數據處理。

圖1 隧道斷面檢測點分布圖

圖1中點3為拱頂沉降檢測點，點1與點2的連線為測線L1-2，……，其它測線依此類推。根據隧道圍巖等級及設計要求，以不同的間隔距離設置檢測斷面。在隧道質量控制中，測點監控拱頂沉降，測線描述收斂變形。

采用近景攝影測量隧道工程質量控制方法計算出的圍巖收斂及拱頂沉降檢測數據分別見表1和表2。表2中測線H2-3代表拱頂沉降檢測點3到圍巖收斂檢測點2的高差，其它測線依此類推；時段1、2、3、4表示不同時段的檢測數據；假定時段1的收斂變形值和拱頂沉降值為零，則其它時段的圍巖收斂及拱頂沉降變形值為該時段變形值與時段1變形值的差值。

表1 圍巖收斂數據表/mm

表2 拱頂沉降數據表/mm

由表1和表2可知，采用近景攝影測量隧道工程質量控制方法對相同測線不同時段的圍巖收斂及拱頂沉降變形量進行量測，各測線和測點變形量總體趨勢保持一致，與隧道施工過程中的圍巖變形規律基本相符，同時隨著隧道圍巖變形趨于穩定后，隧道圍巖變形范圍在0.5～1 mm之間，能夠滿足隧道工程質量控制和設計規范要求。

為驗證該質量控制方法精度，采用全站儀法進行可靠性分析，即利用全站儀觀測不同距離校核數的實際長度，并假定該實際長度為真值。表3為該質量控制方法不同距離校核數可靠性驗證數據。

表3 不同距離校核數可靠性驗證數據

由表3可知，通過不同距離校核數可靠性驗證，距離相對精度達到實驗預期，表明該質量控制方法具有較高可靠性；距離校核數越多，距離相對精度越高，可靠性越高。

3 結 論

該文對近景攝影測量隧道工程質量控制方法進行深入研究，現場驗證結果表明該質量控制方法準確可靠，具有較高可靠性，可極大的豐富隧道質量控制方法，有效保障隧道工程質量和施工安全。該質量控制方法不僅在隧道施工中有廣泛的應用，還可以推廣到其它土木工程建設施工中，如橋梁施工線形測量、沉降觀測，同時在高速鐵路建設中也有廣泛應用前景。