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

姬亞磊,吳勇生,曾雄鷹

(1.黃茅海跨海通道管理中心 珠海市 519055; 2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司 長沙市 410203)

0 引言

監(jiān)控量測技術(shù)是隧道施工的重要組成部分,是掌握圍巖動態(tài)和驗證支護(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)時間的重要依據(jù)。傳統(tǒng)監(jiān)測手段的諸多弊端,施工單位的不夠重視,使得監(jiān)控量測工作的實際開展越來越浮于表面。三維激光掃描技術(shù)[1-4]是上個世紀(jì)80年代發(fā)展起來的高新技術(shù),它可以快速獲取被測目標(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11595m,其中金林隧道為特長隧道,全長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1533m,全部為Ⅴ級軟弱圍巖,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)測的優(yōu)勢后,在全線隧道應(yīng)用三維激光全斷面法監(jiān)控量測新技術(shù),在隧道施工過程中全方位對隧道的變形進(jìn)行了監(jiān)測。

1 應(yīng)用概況

利用掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場掃描,獲取的隧道表面的點云數(shù)據(jù),通過進(jìn)一步點云數(shù)據(jù)分析,可以得到某一樁號處的斷面點云數(shù)據(jù)。通過擬合算法計算出隧道中軸線,在此基礎(chǔ)上對超欠挖、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)測結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場施工,及時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險源,減少風(fēng)險發(fā)生。

1.1 斷面提取

在進(jìn)行隧道監(jiān)控量測時,所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)都是以斷面的形式獲取的;對于新建隧道可以根據(jù)隧道的線路設(shè)計資料來提取斷面。所謂隧道橫斷面,即某樁號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)該樁號在中軸線上的坐標(biāo)為(x0,y0,z0),該點處的中軸線切線向量為n=(A,B,C),則該點處的斷面方程為:

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

(1)

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

由于點云數(shù)據(jù)的離散性,實際的點與點之間有一定的間隔,在進(jìn)行斷面提取時,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)點云數(shù)據(jù)的分辨率和實際應(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,原點在設(shè)計軸線中心。

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)測中的必測項目,監(jiān)測斷面間隔因圍巖等級而異。掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)是連續(xù)的,在利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行拱頂沉降和收斂變化監(jiān)測時,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點布設(shè)情況如圖2所示,測點的數(shù)量和位置可以根據(jù)施工工法進(jìn)行調(diào)整。

圖2 沉降與收斂測點布設(shè)圖

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

(2)

計算出各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)后,以首期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),生成時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,可以對隧道開挖情況進(jìn)行準(zhǔn)確評價。經(jīng)過進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理,可以得到斷面上任一點的具體超欠挖值。

圖3 隧道超欠挖分析

1.4 二襯厚度檢測

利用掃描數(shù)據(jù)對襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢查,主要是通過襯砌前后的斷面數(shù)據(jù)對比,計算其差值得到襯砌厚度;并且還可以通過和設(shè)計數(shù)據(jù)對比,檢查襯砌是否侵線,如圖4所示。由于我們重點關(guān)注二襯的質(zhì)量,所以在初襯穩(wěn)定后對隧道進(jìn)行掃描作為對比的基礎(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)行軸線偏差分析時一般利用二襯表面點云數(shù)據(jù),利用最小二乘法擬合出各斷面的中心點坐標(biāo),如圖5所示,并與設(shè)計中心點坐標(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

工程實踐表明三維激光掃描法效果理想,監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,能及時發(fā)現(xiàn)隧道變形趨勢,為后繼的工法優(yōu)化、設(shè)計參數(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 及時發(fā)現(xiàn)偏壓情況

在實際應(yīng)用中,三維激光全斷面法監(jiān)測到南寨隧道進(jìn)口初支發(fā)生不規(guī)則變形,而且有加劇趨勢,施工方及時調(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)測數(shù)據(jù)和斷面變形發(fā)展方向采取修改設(shè)計參數(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)測二襯厚度

用考慮二襯設(shè)計厚度后的設(shè)計斷面進(jìn)行斷面分析,可以在二襯澆筑前預(yù)測其厚度,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技術(shù)在云茂高速應(yīng)用效果顯著,多次成功預(yù)警險情和病害,避免了潛在的安全事故和質(zhì)量事故的發(fā)生。在上級部門組織的檢查過程中得到了高度認(rèn)可。可以預(yù)見,三維激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)控量測中將發(fā)揮巨大的作用。建議未來的工程實踐中,設(shè)計施工方在三維激光掃描監(jiān)測技術(shù)理論的基礎(chǔ)上,有針對性地提出切實可行的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。