基于無人機(jī)測量的斯古溪隧道進(jìn)口高邊坡危巖調(diào)查及分析

【摘" " 要】：斯古溪隧道進(jìn)口高邊坡危巖具有位置高、隱蔽性強(qiáng)的特點。針對危巖體難以調(diào)查的問題，基于無人機(jī)數(shù)碼攝影測量技術(shù)，采用Pix4dmapper軟件構(gòu)建實景三維模型，并在模型中對危巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行提取，確定了13處危巖體；采用Rockfall軟件對典型危巖體的崩落運動特征進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)其對隧道洞口及洞口外的路基均產(chǎn)生較大危害。

【關(guān)鍵詞】：危巖體；無人機(jī)；隧道；高邊坡

【中圖分類號】：P694 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）06-05-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.002

Investigation and Analysis of High Slope Dangerous Rock at the Entrance of Siguxi Tunnel Based on UAV Photogrammetry

【Abstract】： The high slope dangerous rock at the entrance of Siguxi Tunnel has the characteristics of high position and strong concealment. It is difficult to investigate the dangerous rock mass. The UAV digital photogrammetry technology is used to construct the real three-dimensional model by using the Pix4dmapper software， and 13 dangerous rock mass structures are extracted and determined in the model. Rockfall software is used to simulate the collapse motion characteristics of typical dangerous rock mass， and it is found that it has great harm to the tunnel portal and the subgrade outside the tunnel portal.

【Key words】： dangerous" rock； unmanned aerial vehicle；tunnel；high slope

峽谷山區(qū)高陡邊坡常發(fā)育高位災(zāi)害體，在地震、降雨等作用下易產(chǎn)生崩塌落石，對邊坡下方道路等基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成嚴(yán)重危害［1～2］。高位災(zāi)害體分布位置高、隱蔽性強(qiáng)，采用常規(guī)地質(zhì)調(diào)查手段難以查明位置、規(guī)模、幾何形態(tài)等重要信息［3］；因此高陡邊坡高位災(zāi)害體的識別評價一直是峽谷山區(qū)高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施勘察設(shè)計的難點問題。近年來，無人機(jī)數(shù)碼攝影測量、三維激光掃描等非接觸測量技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中得到應(yīng)用。董秀軍等［4］將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查測量；王棟等［5］利用無人機(jī)技術(shù)對成昆鐵路吉爾木隧道口高陡邊坡危巖體進(jìn)行勘察并獲取了危巖體結(jié)構(gòu)面、體積等，為后期危巖體治理提供了依據(jù)；胡才源等［6］利用無人機(jī)技術(shù)對仙宇屯高位崩塌體進(jìn)行調(diào)查，建立了三維模型，并對崩塌體信息進(jìn)行了統(tǒng)計分析；陳宙翔等［7］利用無人機(jī)技術(shù)對某強(qiáng)震區(qū)公路高位危巖進(jìn)行了調(diào)查，并對研究區(qū)19處危巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；焦盼飛［8］采用無人機(jī)獲取巖體圖像，并得到危巖體體積及尺寸。

本文在總結(jié)前人對高位危巖體災(zāi)害研究的基礎(chǔ)上，基于無人機(jī)數(shù)碼攝影測量技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，對斯古溪隧道進(jìn)口高邊坡危巖進(jìn)行調(diào)查研究，分析危巖體結(jié)構(gòu)特征，采用Rockfall軟件對危巖體進(jìn)行運動學(xué)模擬分析，為危巖體處治提供可靠依據(jù)。

1 工程與地質(zhì)概況

沿江高速斯古溪隧道沿北西南—東向展布，左線長8 118 m，右線長8 102 m，最大埋深1 086 m。隧址區(qū)為構(gòu)造侵蝕、剝蝕中高山地貌，隧道進(jìn)口段上方為奧陶系下統(tǒng)砂巖及奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r陡崖，海拔高程720～880 m，陡崖近直立，距洞口高差約120～160 m。巖體以中厚層狀～厚層狀結(jié)構(gòu)為主，巖層走向與隧道走向近平行，傾角約16°，巖體內(nèi)發(fā)育有兩組垂直于層面的共軛節(jié)理。該處巖質(zhì)陡崖邊坡風(fēng)化卸荷裂隙發(fā)育，陡傾卸荷裂隙豎向最長可達(dá)10～15 m，強(qiáng)卸荷帶最厚約10 m，隙面最大張開約20～30 cm，巖體切割呈大塊狀；局部可見因巖體崩塌而形成的巖質(zhì)凹腔；洞口位于崩坡積塊石層內(nèi)，坡表散落有大量灰?guī)r、砂巖質(zhì)塊碎石，最大粒徑3 m×4 m×2 m。該段巖質(zhì)邊坡在自然狀態(tài)下，特別是暴雨季節(jié)有崩塌落石現(xiàn)象，最遠(yuǎn)可以順坡面墜落至邊坡下方省道上。

2 研究方法

2.1 無人機(jī)低空攝影測量航線規(guī)劃

隧址區(qū)屬于高山峽谷地貌，邊坡高陡。航線規(guī)劃需充分考慮邊坡高度、長度等因素。為了盡可能還原邊坡坡體特征，無人機(jī)航向重疊率不低于80％，旁向重疊率不低于70％。共規(guī)劃5條航帶、3個拍攝角度，對危巖區(qū)進(jìn)行全面拍攝，最后對危巖帶進(jìn)行重點拍攝，共獲取影像數(shù)據(jù)220張。見圖1。

2.2 三維高精度模型建立及危巖體幾何形態(tài)提取

使用Pix4dmapper軟件建立實景三維模型。先對無人機(jī)獲取的圖像進(jìn)行預(yù)處理，合格后進(jìn)行全自動處理，包括空三加密、聯(lián)合平差、密集點云數(shù)據(jù)、三角網(wǎng)構(gòu)建、自動賦紋理等，最終生成三維高精度模型。見圖2。

通過Context Capture等專業(yè)軟件，可以實現(xiàn)在室內(nèi)量測高陡邊坡危巖體幾何尺寸、坐標(biāo)、高程、高差、結(jié)構(gòu)面模型特征等要素的功能，得到高陡邊坡任意危巖體的準(zhǔn)確幾何特征、地質(zhì)特征，為防治提供較為準(zhǔn)確的參數(shù)。

2.3 Rockfall軟件落石危害分析

利用Rockfall軟件模擬危巖體發(fā)生崩塌失穩(wěn)后運動軌跡，通過輸入同斜坡表面特征相關(guān)的參數(shù)，如法向恢復(fù)參數(shù)、切向恢復(fù)參數(shù)，模擬危巖體失穩(wěn)后在斜坡上的運動軌跡，計算其在斜坡上的能量分布、彈跳高度等參數(shù)，為崩塌防治提供依據(jù)。見表1。

3 研究結(jié)果

在三維模型中對隧道進(jìn)口高邊坡上部巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識。危巖體共分為2個帶：1號危巖帶位于斜坡臨空面上部，2號危巖帶位于斜坡中下部。見圖3。

危巖帶邊界清晰，以陡坡為界。危巖帶內(nèi)巖體破碎，坡體上巖體風(fēng)化表層及卸荷裂隙發(fā)育，坡表危巖形跡象明顯，多沿高陡臨空面發(fā)生崩塌，平面形態(tài)多呈舌形、長條形、長柱形，剖面形態(tài)多呈凹線形。危巖帶出露基巖坡度60°～70°，形成陡崖及凹巖腔。危巖帶主崩方向大致同坡向一致，崩塌時形成的崩坡積堆積在前緣交換的斜坡地帶，以砂巖、灰?guī)r碎石為主，體積最大24 m3。

整個危巖帶內(nèi)巖體破碎，破壞失穩(wěn)具有突發(fā)性和隨機(jī)性，共識別13處危巖體，其中1號危巖帶共10處，分別為W1～W10。2號危巖帶共3處，分別為W11～W13。見圖4。

通過Context Capture軟件對危巖體尺寸進(jìn)行量測，然后對危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計算分析。除W4、W5、W10外，其余危巖體均處于穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，而在地震工況下W4穩(wěn)定性系數(shù)為1.1，W5穩(wěn)定性系數(shù)為1.04，W10穩(wěn)定性系數(shù)為0.97，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)；危巖體失穩(wěn)后，巖體沿坡面滾動彈跳，在降雨、地震作用下容易誘發(fā)結(jié)構(gòu)面切割巖體失穩(wěn)，失穩(wěn)后將產(chǎn)生順坡墜落運動。

選取3處典型斷面，通過點云數(shù)據(jù)獲取斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。斷面1中，落石在隧道洞口以上邊坡發(fā)生滾落運動中產(chǎn)生的最大彈跳高度約54 m，最大沖擊能量約34 000 kJ，最大運動速度53 m/s。落石危害洞口及洞口外路基。見圖5和圖6。

斷面2中，落石在隧道洞口以上邊坡發(fā)生滾落運動中產(chǎn)生的最大彈跳高度約14 m，最大沖擊能量約26 000 kJ，最大運動速度44 m/s。落石危害洞口及洞口外路基。見圖7和圖8。

斷面3中，落石在隧道洞口以上邊坡發(fā)生滾落運動中產(chǎn)生的最大彈跳高度約52 m，最大沖擊能量約24 000 kJ，最大運動速度47 m/s。落石危害洞口及洞口外路基。見圖9和圖10。

落石沖擊能量高，被動攔截能級較高，建議采取引導(dǎo)網(wǎng)防護(hù)系統(tǒng)、錨固、明洞、坡腳擋墻等綜合防治措施。

4 結(jié)論

1）利用Rockfall軟件對典型危巖崩落運動特征進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，落石沖擊能量高，對洞口及洞口外路基危害大，建議采取綜合防治措施。

2）采用無人機(jī)勘查高陡邊坡，能有效保證地質(zhì)調(diào)查人員的人身安全，極大降低野外勘查的工作強(qiáng)度，提高工作效率。根據(jù)無人機(jī)勘查數(shù)據(jù)建立的三維實景模型可以提供較為準(zhǔn)確的空間信息數(shù)據(jù)，更好地為危巖處置設(shè)計提供指導(dǎo)。

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