基于實景模型的板巖公路隧道超欠挖控制研究*

朱海明,王順超,方佳龍,古成建,韋 杰,陳維亞

(1.中海建筑有限公司貴州分公司,貴州 貴陽 550081;2.華中科技大學土木與水利工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著現代化進程的推進,隧道工程建設在我國蓬勃發展,公路隧道發展尤為迅速。在全國公路隧道總里程中(見圖1),在保持公路總里程逐年增長的情況下,全國公路網密度也有著顯著增長[1]。在國家“十四五”規劃中公路的發展和建設也是頭等大事,同時需推動綠色發展,促進人與自然和諧共生,協同推進經濟高質量發展和生態環境高水平保護。國家期待新的綠色高效的應用于公路建設的方法和技術。

圖1 全國公路隧道長度

在如此大規模的隧道工程施工中,測量工作是對隧道施工進行監測、指導和及時反饋的重要保障,而基于隧道測量的超欠挖控制則是提升隧道施工水平迫切需解決的難題[2]。在隧道工程測量工作中,采用全站儀進行位移測量、水準儀進行高程測量及斷面儀進行斷面測量等測量方法已廣泛應用于施工測量、超欠挖檢測、竣工測量及隧道變形監測等工作中[3],然而針對隧道超欠挖的分析仍缺少高精度、自動化的流程和方法,限制了隧道工程施工效能的進一步提升,國內也缺少基于超欠挖量進行施工管理調度的工作體系[4]。因此,更精準的超欠挖量檢測和分析方法是當前需要解決的問題。

1 工程及技術背景

1.1 工程背景

根據《國家生態文明試驗區(貴州)實施方案》《推進交通運輸生態文明建設實施方案》《關于貴州省實施綠色公路建設的指導意見》(黔交建設〔2017〕134號)等文件,貴州省于2020年新增設雷山—榕江高速公路,且納入了《貴州省高速公路網規劃(加密規劃)》。該項目起于雷山縣城東,經大塘、桃江、永樂、平永,止于榕江縣城北的忠誠樞紐互通,接劍河—榕江高速公路。如圖2所示,該工程包括若干隧道,其中最長的一條為穿越雷公山國家級自然保護區的雷公山隧道。由于貴州特殊的地質條件,工程有接近80%的橋隧比,當下使用較多的鉆爆法施工中存在的超欠挖問題影響也被放大。本文依托雷公山隧道,對在板巖地區的超欠挖現象進行分析研究,并提出一種可高效控制施工中超欠挖量的方法。

圖2 雷榕高速公路項目背景

1.2 技術背景

三維激光掃描技術興起于20世紀90年代,在21世紀初加速發展,繼GPS(GNSS)定位技術后在測繪科學領域掀起又一輪技術應用革命[5]。作為一種新興的空間數據采集技術,該技術運用激光測距原理,在空間內自動化、高密度、快速、高精度測量空間實體表面三維空間坐標信息,應用其采集的高密度點云數據可實現空間實體的“實景復刻”。經過十幾年的發展,三維激光掃描技術已日趨成熟,通過三維激光掃描技術獲取的空間點云數據包含空間實體表面位置坐標、反射率及RGB 色彩等信息。由于激光掃描的高精度和采集的高效率,并且已有大量針對點云數據處理的算法和軟件,基于點云數據的數字化數據處理方案及應用領域拓展迅速[6]。將基于設計圖紙的設計模型和基于三維激光掃描的實景模型進行重合與對比,是本文實現超欠挖可視化控制的主要研究思路。

2 技術特點

2.1 項目重難點

2.1.1隧道占比高,地質復雜

雷榕高速公路項目中橋隧比較高,隧道工程是該項目中的主要工程,其中包括4條超長隧道,總長>16km。 并且隧道地質構造復雜,褶曲局部發育,巖層界限及產狀局部地段存在變化,施工難度極大。

2.1.2板巖區域超欠挖現象嚴重

在雷公山隧道中,在板巖層狀地質中使用鉆爆法施工工藝造成的超欠挖現象不容忽視。板結構面連接能力薄弱,在自重或外力作用下易造成層間錯動。板巖是地殼表面分布最廣的一種層狀巖石,層狀巖石主要特征為施工過程中其圍巖穩定性控制較困難,拱頂由于受爆破振動影響易發生離層、斷裂和彎折現象,嚴重時易發生塌方等重大危險事故[7]。另外,板巖結構面結合程度對洞室成型有明顯影響,結合程度越差,拱頂和邊墻處巖體破壞范圍越大,更易形成超挖[8]。

2.1.3超欠挖影響大

過度超挖會增加整段工序的出渣量,增加在初期支護過程中的混凝土用量,在增加建設成本的同時使整體的施工進度滯后,影響整個工程的經濟效益[9]。同時,超挖也會造成圍巖不穩定,易造成應力集中,產生安全隱患[10]。

2.2 技術路線

針對當前公路隧道超欠挖控制這一難點,本文基于激光掃描技術和BIM技術提出一種基于實景模型的超欠挖檢測和控制方法。本方法主要包括以下步驟:激光掃描儀掃描,云端模型處理,超欠挖分析,掌子面分區塊管理。其中,BIM模型在項目開始時一次性由圖紙人工生成,而其他階段除了現場的激光掃描外,實現了整個流程的軟件化和自動化。用于超欠挖控制的主要技術路線如圖3所示。

圖3 技術路線

3 數據采集與模型處理

3.1 數據采集

使用徠卡RTC360激光掃描儀對雷公山鉆爆公路隧道某掌子面進行點云數據采集,具體步驟如下:在隧道鉆爆掘進過程中,爆破形成掌子面且人工排險后,初支濕噴混凝土前,在掌子面中央2m位置處,架設激光掃描儀進行仰角90°、俯角65°的激光掃描,得到該具體斷面的點云數據[11],同時記錄該掌子面在隧道整體中的絕對位置坐標,方便之后模型對齊。

3.2 模型處理

3.2.1點云模型處理

掌子面實景模型是通過激光掃描儀掃描所得點云進行網格化而來,包含了豐富的隧道掌子面斷面信息[12]。其豐富性在于不僅包含了點云模型具有每個點的毫米級位置信息和其屬性,同時還經歷了由點成面、由面成體的過程,增加了每個點的局部法線。同時,在實用性上,實景模型由于經過了點云輕量化,所占用的存儲空間更少,處理和操作時效率更高。從原始的點云模型數據到形成最終的網格模型的技術路線如圖4所示。

圖4 模型處理技術路徑

對于原始掃描點云的處理,首先利用專業的點云處理軟件(本文使用的是徠卡激光掃描儀配套的處理軟件Cyclone),對得到的掌子面點云數據進行預處理,包括且不限于去除噪點、點云抽稀、點云平滑補充等步驟,形成初步處理的xyz文件,為之后的網格化提供數據基礎[13],最終處理后的點云模型如圖5所示。

圖5 掌子面點云

然后,利用專業的網格化處理軟件(本文使用的是Geomagic Wrap 2017),對之前初步處理的點云模型數據進行進一步處理,包括但不限于去除噪點及孤點、點云平滑等步驟,將后處理后的點云模型網格化并進行網格修復形成最終完整且順滑的網格模型,最后獲得毫米級精度的隧道掌子面實景網格模型[14]。模型網格化前后對比如圖6所示。

圖6 掌子面網格化前后對比

3.2.2BIM模型處理

BIM模型是指通過隧道的建筑圖紙進行最高深度為LOD400的設計模型建模,包括全場隧道的主線隧道襯砌、洞口處鋼拱架、錨桿、鋼筋等的數量、尺寸、外觀、位置等參數。

利用專業軟件對設計階段的隧道圖紙進行深度為LOD400BIM的建模(本文使用的是Revit,Dynamo),建模內容主要包括主線隧道整體、局部、走向、長度等,以及主線隧道襯砌、洞口處鋼拱架、錨桿、鋼筋等,使用Dynamo程序建立隧道BIM參數化模型,生成局部平面圖和三維圖,最后形成隧道BIM模型[15]。

BIM模型處理完成后,選取BIM模型最外層的隧道殼作為爆破后掌子面圍巖的設計面,此時是最理想的掌子面爆破結果,其超欠挖值為0。將該設計面與實景模型進行絕對坐標下的對比便可得出實際的超欠挖值[16]。

4 超欠挖分析及管理

4.1 超欠挖量計算

由于設計模型是由設計圖紙處理而來,其具有標準的大地坐標系,實景模型是由點云模型處理而來,其具有的坐標系是三維激光掃描儀內部坐標系。建立整體數字孿生模型需在同一坐標系下進行,所以坐標系統間的基準轉換是進行超欠挖計算前的必需環節[17]。隧道設計模型與實景模型坐標系調整前后結果對比如圖7所示。

圖7 模型坐標系轉換

超欠挖量的計算思路是一個從模型線值計算到截面面積計算再到整體體積計算的線面體展開過程。其計算思路流程如圖8所示。

圖8 超欠挖量計算思路

4.1.1超欠挖量線值計算

通過檢索計算比較網格實體模型的定點到實景網格模型三角形面的距離實現超欠挖量的顯示和計算。技術路徑如圖9所示。

圖9 線值計算路徑

在數學公式中表示如下:給定平面Ax+By+Cz+D=0, 平面外一點(x0,y0,z0)到平面的距離為:

(1)

在模型中表示如下:2號三角形面片是設計模型中的一個三角形面片,1號點是可投影在2號三角形內的實景模型頂點,針對所選取的2號三角形,計算出所有投影在2號三角形內的實景模型頂點,計算出點到面的距離d并取最小值dmin,該值即表示在該三角形面片抑或該點的超欠挖量距離[18]。而設計模型的三角面的法向信息則用來判斷距離值的正負,若法向方向朝點則距離取正值,表示為超挖;若法向方向背離點則距離取負值,表示為欠挖,如圖10所示。

圖10 計算示意

在代碼實現中表示如下:在計算中首先從BIM模型中提取出所有三角形,然后遍歷計算三維實景模型中的每個點和建筑信息模型中的每個三角形,確認每個點的投影點在三角形內,再取出絕對值最小的距離作為該點的超欠挖量。

4.1.2超欠挖量截面面積計算

在4.1.1節的基礎上,通過在掌子面的平行方向取截面[19],計算設計模型與截面各交點的超欠挖線值并積分實現截面超欠挖量的計算。技術路徑為:取截面→得交點→線值計算→截面積分→截面超欠挖量。

首先加入一個垂直于隧道掘進方向的平面表示當前被選擇的截面。再根據截面位置判斷三角形是否有1個點在截面的一邊,2個點在截面的另外一邊。如果符合此條件,那么這個三角形穿過截面,可進行下一階段計算。

如果截面穿過了三角形,那么絕大部分情況應該是2條邊穿過了截面。根據公式:若存在兩點 A(a,b), B(c,d),則兩點構成的直線表示y=[(d-b)/(c-a)]x+(cb-ad)/(c-a)便可計算出2個交點。

對所有的交點進行超欠挖線值計算,便可得到在截面處的每個交點對應的超欠挖量。對計算的超欠挖量進行分段顏色梯度轉換便形成了單一截面的超欠挖量的顏色梯度圖[20]。

最后再將所有交點的截面水平方向的單一極小值取微分,將計算得到的超欠挖量進行積分計算求出該平面的總的超欠挖量。具體計算如下:

(2)

式中:S表示該截面面積下的超欠挖量;n表示該截面下的實景模型交點數量;l表示相鄰交點間的距離;d表示交點處的超欠挖量。

模型分析結果及表示該截面超欠挖量的顏色梯度如圖11所示。

圖11 超欠挖可視化

4.1.3超欠挖量整體體積計算

在4.1.1節和4.1.2節的基礎上,對截面超欠挖量在掌子面的進深方向取微分,并以爆破開挖面上下臺階進尺作為上下限求積分,可得最后整體的超欠挖體積。具體計算如下:

(3)

式中:V表示該鉆爆開挖循環進尺d中的超欠挖量整體體積;h表示在鉆爆開挖循環進尺方向上的單個采樣距離,一般取值0.1m[21];n表示采樣超欠挖截面面積數量,n=d/h+1;S表示單個超欠挖量截面面積。技術路徑與4.1.2節類似。

4.2 超欠挖控制

對于未使用鑿巖機的鉆爆隧道,掌子面爆破孔洞的開挖依靠人力,2人一組操作風槍,在狹窄的操作空間內,昏暗的光照下,惡劣的施工環境中,對幾十上百個有著特定參數的鉆爆孔洞進行人工開鑿。人工誤差在多重不良因素下被放大,技術層面對掌子面爆破孔洞的調整由于人工誤差的存在難以落到實處,因此超欠挖現象得不到控制[22]。

從管理的角度出發,將對超欠挖影響較大的掌子面爆破周邊孔進行分區,依照工人的工作臺架的工作面將隧道上臺階掌子面分為6個區域,并在超欠挖量截面計算和體積計算中分區計算,將計算到的結果與6個區域不同的施工人員或班組及管理人員進行綁定,根據每個循環進尺的分區超欠挖量對施工工人的工作效能進行評價,從而實現在超欠挖結果上對施工工人的逆向管理,減少下一次爆破循環進尺中因人工誤差造成的超欠挖量。其根據工作臺架進行的掌子面周邊孔分區和施工人員綁定如圖12所示,分區可視化如圖13所示。

圖12 掌子面分區塊管理示意

圖13 掌子面分區可視化示意

4.3 超欠挖值計算驗證

隧道超欠挖量是指在隧道開挖單一循環進尺中實際開挖斷面與不同圍巖等級下設計輪廓線間的體積。考慮到隧道超欠挖部分和初支設計部分都需用混凝土回填,施工現場噴射的混凝土量在一定程度上便反映了隧道的超欠挖量[23]。而超欠挖算法計算的理論體積包括隧道超欠挖部分和初支設計部分,因此,可將扣除回彈量的噴射混凝土量即實際澆筑量作為參考指標標準值,分別采用施工現場手動測量計算和超欠挖算法計算這2種方法進行試驗,并對結果進行對比分析。

選取雷公山隧道ZK11+551.7—ZK11+555.2、桃江隧道ZK14+74.8—ZK14+78.8、桃江隧道ZK14+72.4—ZK14+74.8、白竹山隧道YK18+233.5—YK18+237.1 4段開挖進尺,依照手動測量計算方法和基于該方法的隧道超欠挖計算方法計算結果對比如圖14所示。

圖14 平均超欠挖厚度偏差

在多個截面下,基于該方法對比實際澆筑量計算得出的整體進程平均超欠挖厚度的偏差值和波動小于手動測量方法。

5 結語

針對本文依托的雷公山隧道工程所存在的問題和挑戰,本文從數字化角度提供了一種解決傳統隧道問題的思路。

該研究將處于工業精細化領域的實景模型方法應用到建筑粗放型領域,利用激光掃描技術獲取精準的實景模型,利用隧道圖紙轉變成設計模型,將兩者對齊在同一個平臺中展示設計狀態與實際狀態并進行量化的超欠挖分析,由原來的靠人工經驗的粗放型生產管理方式升級為精益建造型的生產管理方式,將隧道超欠挖情況進行直觀展示,并結合超欠挖量計算提供分區管理[24]。另外,基于實景模型和設計模型對掌子面進行施工區域劃分,責任到人,可通過精準獲取的超欠挖數據綜合考核評估各責任人的工作成果,通過可視化手段有效提升管理效率。在提高管理效率的同時也帶來各種正面效益。在經濟效益上,降低了物料、物流等施工成本,其中超欠挖增加的費用可節省30%,同時也提高了工程質量和安全管理水平[25]。同時,該思路方法的運用還會帶來施工管理上的改進,為隧道工程中科學技術水平的提高添磚加瓦,促進科學技術水平提高與生產力水平提高的良性循環。