復雜條件下基于三維激光掃描技術的某過江隧道形變監測研究

周恒,朱利明,劉良金,阮宏杰,管棟良

(1.南京市江北新區公共工程建設中心,江蘇 南京 211800; 2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司,江蘇 南京 210004;3.南京工業大學,江蘇 南京 211816)

0 引 言

隨著交通事業的高速發展,隧道數量持續增長。隧道在建設或運營過程中,地面、周邊建筑物負載及土體擾動、隧道周邊工程施工等因素都會對隧道產生綜合影響從而造成隧道結構變形。形變過大會引起隧道拱頂下沉,嚴重時甚至導致塌陷,其后果不可估量。因此,隧道形變監測是隧道正常建設和運營的有力保障。傳統的隧道形變測量方法主要是通過全站儀和水準儀對隧道進行觀測,雖然測量精度高,但獲取觀測數據量少,只能反映局部或特定點的信息,無法準確、有效地反映隧道整體變形。近年來,隨著三維激光掃描技術的不斷發展和三維激光掃描儀測量精度的不斷提高,使得利用三維激光掃描技術監測隧道整體變形成為可能。與傳統隧道變形監測技術相比,三維激光掃描技術是一種高效穩定的監測技術,具有采集速度快、高精度、高分辨率、采集數據量大、全自動、受環境干擾小、高全景非接觸式掃描等優點,已被應用到地質災害變形檢測、隧道工程測量、橋梁檢測、地形圖測繪、古建筑物修復、工業檢測與設計、三維建模等多個領域[1-4]。

文獻[5]提出了一種可應用于變形監測的基于三維激光點云的隧道斷面連續截取方法,該方法分為點云拼接、中軸線提取和斷面截取三個步驟,并通過地鐵隧道點云數據進行了驗證。文獻[6]提出了一種取代傳統單點監測的隧道多點整體變形監測方法,并結合實際案例探討了點云配準和坐標轉換等問題。文獻[7]提出了基于激光點云的隧道斷面連續提取與形變分析方法,并將其應用于地鐵隧道形變監測。文獻[8]等人提出了基于Kd-tree和法向量估計的局部點云簡化方法,并對BaySAC算法的三維激光點云二次參數曲面擬合方法進行改進,提高了變形監測中地鐵隧道斷面點截取的效率。文獻[9]研發了一款經濟適用且高效可靠的移動激光掃描監測系統,解決了架站式三維激光掃描監測效率低下的問題,并成功應用于盾構隧道收斂監測。文獻[10]將移動式三維激光技術引入地鐵隧道監測,采用推行式掃描方法快速獲取隧道完整結構信息,并利用自動化后處理軟件全面監測隧道結構變形信息。文獻[11]提出了一種基于參考基準的隧道點云降維格網化形變分析法。

雖然目前針對三維激光掃描技術在隧道中的應用研究較多,但是隧道的種類及相關特性較為復雜,如某些隧道空間狹窄或隧道內存在復雜結構等。因此,較難有一種基于三維激光掃描技術的隧道變形監測方案適用于所有的隧道。本文結合某過江隧道變形監測項目,開展了復雜條件下的基于三維激光掃描技術的隧道變形監測研究。

1 工程概況

某過江隧道由南線和北線2個隧道組成,隧道全長 7 368 m,為雙管雙層八車道規模,每個隧道內徑 13.3 m,為雙向4車道,分上下2層。截至2019年12月,為世界同類隧道中規模最大、長度最長、地質最復雜的隧道。該隧道江北段上方由于長時間的堆土,在荷載壓力持續作用下,隧道內部部分區域出現開裂現象,如圖1所示。為保證隧道的安全運營,需定期監測隧道內部重點區域的形變情況,及時發現隧道內存在的安全隱患,保障過江隧道的安全。該隧道的受力面主要集中在隧道混凝土襯砌上部,其變形為整體形變。

圖1 某過江隧道內部變形開裂圖

該隧道過道內部空間狹窄,且存在管道、消防箱和走線架等設施,內部道路并非直線相連,需借助樓梯通行,如圖2所示。此外,過道內每隔一段間距建有隔墻,無法通視。因此,傳統的導線布設,建立控制點,以控制點為依托利用全站儀進行變形監測的方法較難實施。

圖2 某過江隧道內部通道圖

2 方案設計與點位布設

2.1 布測方案設計

結合本次工程特點和現場探勘情況,本文采用三維激光掃描技術進行隧道內部變形監測。三維激光掃描技術能提供視場內有效測程的一定采樣密度的高精度點云數據,能夠全面準確地反映監測對象的細節信息,有效避免了傳統變形監測手段的局部性和片面性。此外,三維激光掃描技術對作業環境的光照條件沒有要求,在光照較弱或黑暗的隧道照樣能正常工作,且數據采集效率高,4～8分鐘左右即能完成一個測站的數據采集,能很好地滿足運營隧道一般只能在夜間較短時間內進行作業的要求。

為了準確監測到隧道內部的變形情況,分別在隧道南線和北線各選取了三處變形較大的區域,布置監測點,總計6個斷面。在南線,3個斷面分別位于2、3和4號逃生通道口附近,分別記作S2、S3和S4斷面;在北線,3個斷面分別位于3、4和5號逃生通道口,分別記作N3、N4和N5斷面,如圖3所示。

圖3 監測斷面位置示意圖

在每個斷面上,各布設4個監測點,如圖4所示。其中,三個監測點布設在隧道內的水平面上,作為基準點。三個地面基準點可擬合出平面,用于三維激光點云數據配準。第四個監測點設置在隧道管片襯砌上,作為斷面截取的基準點,用于監測隧道的整體變形。

圖4 標靶球監測點和靜力水準儀監測點布設示意圖

2.2 測點布設

在三維激光掃描監測中,一般利用配套的標靶球作為目標識別物。但是,常規變形監測中的測釘無法固定標靶球。由于隧道內部定期有工作人員進行維保工作,無法長期將標靶球固定在監測點上,一方面可能會影響其他工作人員的維保工作,另一方面標靶球也有可能遭到破壞。因此,擁有一個便于安裝、易于保護,同時方便標靶球安裝和拆卸的裝置顯得尤為重要。

基于此,設計了一款滿足上述要求的標靶球強制對中基座(圖5)?？紤]到隧道內部為堅硬的鋼筋混凝土結構,需通過膨脹螺絲將標靶球強制對中基座固定到監測點上,實現標靶球的任意安裝和拆卸,同時保證監測點位置不變。標靶球的安裝效果如圖5所示。按照此方法,分別在6個選定的監測斷面上布置四個監測點,如圖6和圖7所示。

圖5 定制的標靶球底座及其安裝

圖6 南線3個斷面的點位布設情況,從左至右分別S2、S3和S4

圖7 北線3個斷面的點位布設情況,從左至右分別N3、N4和N5

3 外業觀測和內業數據處理

3.1 外業觀測

外業觀測采用的儀器為FARO公司的Focus3d X330三維激光掃描儀。該儀器的掃測距離為0.6～330 m,測距精度為 ±2 mm。由于隧道采取南北線單雙日交替封閉,夜間封閉維護時間為23點—6點。因此,本項目每期觀測時間為期兩天,一天南線一天北線,均為夜間觀測。本項目為期兩個多月,其中北線進行了7期觀測,南線進行了6期觀測。前四期觀測頻率為每周一次,從第五期開始觀測頻率調整為每兩周一次,具體觀測日期如表1所示。為了保證觀測精度,每站連續觀測兩次。三維激光點云數據類型為xyz格式,本項目累計觀測數據為 16.55 GB。

表1 觀測時間表

3.2 內業數據處理

本文利用FARO公司配套的三維激光掃描數據處理軟件Faro Scene開展內業數據處理工作,數據處理流程如圖8所示。首先將掃描數據文件導入Scene軟件,然后對掃描文件進行去噪處理,包括深色掃描點過濾、距離過濾、離群點過濾、邊緣偽像過濾。深色掃描點過濾移除低反射返回值的掃描點,對應反射系數閾值設為200。距離過濾基于距離移除與激光掃描儀有指定距離的掃描點,距離范圍設為0～20 m。離群點過濾檢查掃描點的二維柵格單元格是否包含距離與掃描點本身相似的足夠大的點百分比,柵格尺寸設為3個像素,距離閾值設為 0.02 m,分配閾值設為50%。邊緣偽像過濾刪除邊緣偽像,同時保留墻、地板或桌子等良好的表面。

圖8 內業數據處理流程圖

數據去噪處理完成后,利用Scene軟件識別標靶球,標靶球半徑設為 0.072 5 m,并以此為基準進行配準。由于配準是以水平地面上的3個基準監測點作為基準,所以在配準前需去除自動識別出的位于隧道襯砌壁上的4號標靶球以及其他被錯誤識別為標靶球的目標,只保留地面上識別出的三個標靶球。

4 結果分析

為了準確分析該過江隧道的形變信息,分別采用了兩種隧道變形監測技術。第一種是常規的基于三維激光掃描技術的隧道變形監測方法[6-7,11-15],首先利用三維激光掃描儀對隧道進行掃測,得到隧道的三維結構模型,然后通過斷面提取得到斷面曲線。通過對同一位置的不同期斷面數據進行對比,得到隧道斷面的形變信息。第二種是根據標靶球提取監測點位置,計算基準監測點與變形監測點之間的距離變化,獲取隧道形變特征。

4.1 隧道斷面曲線變形分析

基于常規的三維激光掃描技術的隧道變形監測方法,本文截取了三維點云隧道斷面,通過分析截面曲線的變化來監測隧道管片襯砌的整體變形信息。以北線隧道N5號斷面的七期觀測數據為例,從圖9可以看出,三維激光掃描儀觀測的點云數據主要集中在Y方向的-1.18～-0.82區間內,無法獲取完整的隧道斷面曲線信息,這是因為隧道內部管道、走線架和其他設施遮擋了三維激光掃描儀對隧道管片襯砌的觀測。其他5個斷面存在相同的情況。

圖9 隧道北線N5號斷面截取的點云觀測數據及其曲線擬合

為了便于分析隧道斷面的變形,本文通過Matlab軟件對截面的點云數據進行了擬合,如圖9所示,并以第1期的隧道斷面曲線為基準對第2-7期的斷面曲線進行比較分析,給出N5號斷面的形變信息。表2給出了N5號斷面七期數據的曲線擬合精度和第2-7期擬合曲線相對于第1期的變化情況。從表3可以看出,曲線擬合誤差最小值為 9 mm,最大值為 25 mm,平均誤差為 17 mm。另一方面,斷面擬合曲線的最大形變量為 6 mm,其余形變量均小于 5 mm,小于曲線擬合誤差。其他5個斷面分析結果相似。由于當前的隧道變形量較小,位于曲線擬合誤差之內,所以基于三維激光點云數據提取斷面曲線,進而分析隧道整體形變的方法目前暫不適用于該過江隧道。

表2 隧道北線N5號斷面曲線擬合誤差和變形情況

表3 隧道北線N5號斷面數據處理結果

4.2 基于標靶球球心位置變化的變形分析

如上節所述,不同于常規的地鐵隧道監測,本次隧道監測存在其特殊性,隧道內部狹窄,隧道壁及頂部存在許多管道及其他設備,如圖2所示。因此,三維激光掃描儀掃測之后,較難提取到完整的斷面曲線。雖然曲線擬合方法可以將缺失的曲線部分擬合起來,但是由于斷面圖上曲線的中斷位置較多且間隔較大,曲線擬合方法引入了較大的擬合誤差,從而影響監測結果的準確性。

為此,本文提出了基于標靶球提取監測點位置,利用標靶球球心位置計算基準監測點與變形監測點之間的距離,并通過距離變化來監測隧道形變的方法。其中,位于地面的1-3號標靶球作為基準點,位于襯砌上的4號標靶球作為變形監測點。每期數據處理時,分別計算平面位置上1-3號點間的平面線段距離(D12、D13和D23)以及1-3號與隧道襯砌上4號點之間的斜線段距離(D14、D24和D34)。變形分析時,以第一期的觀測結果作為參考基準,計算平面線段和斜線段的距離變化。

表3給出了隧道北線N5號斷面的數據處理結果。圖10(f)給出了隧道北線N5號斷面上的斜線段距離變化趨勢圖。從整體變化趨勢來看,N5號斷面上的三個斜線段長度逐漸增大,其中D14變化范圍在 6 mm以內,D24變化范圍在 3 mm以內,D34變化范圍在 8 mm以內。圖10(a-e)給出了其余5個斷面的斜線段長度變化趨勢。

圖10 隧道監測斷面斜線段距離變化趨勢

為了進一步分析隧道變形情況,表4統計了6個斷面的三條斜線段在整個觀測周期內的最大變化值。由于本項目使用的三維激光掃描儀的量距精度在 5 mm左右,從表5中可以看出,斷面S3和S4的三個斜線段長度變化只有1～2 mm,可認為其在觀測周期內沒有變形。斷面S4的斜線段長度變化為4～6 mm,位于儀器量距精度臨界值附近,可認為其所處位置沒有變形。在N4號斷面,雖然D34的最大變化值為 9 mm,但D14和D24斜線段變化范圍均在 1 mm以內。在N5號斷面,D14和D24變化范圍可認為在誤差范圍之內,但D34的最大變化為 8 mm。在所有的斷面中,N3號斷面的變化最為明顯,除D14在誤差范圍內,D24和D34的最大變化均達到了 9 mm,但并未明顯超出儀器誤差范圍。

表4 隧道6個監測斷面的最大形變量

在利用三維激光掃描儀進行定期觀測的同時,在隧道的另一側,如圖4所示,安裝了一組靜力水準儀。圖11和圖12分別給出了三維激光掃描儀觀測周期內隧道南線和北線靜力水準儀變形監測變化趨勢。在三維激光掃描儀觀測周期內,隧道南線靜力水準儀監測到的最大形變為 6 mm左右,隧道北線靜力水準儀監測到的最大形變為 4 mm左右。無論是南線還是北線,其最大形變量恰好與三維激光掃描儀的量距精度相當。因此,在本項目觀測周期內,利用三維激光掃描技術較難監測到隧道的當前形變信息和變化趨勢。本次三維激光掃描結果也表明了隧道內并未出現較大(厘米級)的形變變化,與靜力水準儀的監測結果基本一致。

圖11 隧道南線靜力水準儀變形監測變化趨勢

圖12 隧道北線靜力水準儀變形監測變化趨勢

5 結 語

三維激光掃描技術是當前隧道變形監測的主要手段之一。由于本項目中的隧道內部結構復雜,導致常規的斷面曲線提取方法無法應用。針對該隧道特點,本文提出了基于標靶球提取監測點位置,并計算基準監測點與變形監測點之間距離,通過監測距離變化來監測隧道形變的方法。本文處理了隧道內6個斷面時間跨度為2個多月的7期監測數據。結果表明,4個斷面(N4、S2、S3和S4)上的斜線段長度最大變化值基本都小于 6 mm,其中S3和S4上的斜線段長度變化值最大均小于 2 mm,都位于儀器測量誤差范圍之內。2個斷面(N3和N5)的斜線段長度最大變化值達到了8～9 mm,但并未明顯超出儀器測量誤差范圍。隧道另一側的靜力水準儀監測結果表明,在三維激光掃描儀觀測期間,隧道南線的最大形變為 6 mm左右,隧道北線的最大形變為 4 mm左右,均在儀器測量誤差范圍之內。本次三維激光掃描結果表明隧道內并未出現較大(厘米級)的形變變化,與靜力水準儀的監測結果基本一致。