隧道圍巖結構面數字識別及完整性評價方法

張延歡， 李利平, 劉洪亮， 楊為民， 石少帥

(山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061)

隧道圍巖結構面數字識別及完整性評價方法

張延歡， 李利平, 劉洪亮， 楊為民， 石少帥

(山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061)

針對當前隧道圍巖結構面信息獲取方法難以滿足隧道快速施工需求的問題，進行基于數字攝影測量系統——CAE Sirovision獲取巖體結構面幾何信息的研究，詳細介紹了雙目立體攝影測量的基本原理及結構面產狀提取方法。針對具體工程，采用全站儀空間前方交會法進行控制測量，以尼康D7000數碼攝像機為攝影工具，采用CAE Sirovision系統進行物像關系模型構建； 通過交互式操作方式實現結構面識別及提取，以測線法RQD指標獲取方法為基礎，針對傳統RQD指標僅能反映隧道軸向結構特性的局限，構建隧道徑向RQD評價體系； 針對巖體結構空間差異性，提出隧道徑向RQD玫瑰花圖，實現了結構面獲取、RQD分析、RQD直觀顯示的集成化處理，為隧道數字化施工提供理論和技術支撐。

隧道圍巖； CAE Sirovision； 近景攝影測量； 圍巖結構面； RQD； 玫瑰花圖

0 引言

巖體是隧道及其他地下工程的主要載體，在其形成過程中，歷經地質沉積、構造運動、風化變質、開挖擾動等地質及人為作用，形成了大量大小不一、形狀復雜、分布錯綜的結構面，結構面相互交錯進一步形成了特定的巖體結構，而巖體結構面及結構面控制的巖體結構形態決定了巖體的宏觀工程性質，使其表現為非均質、非連續、各向異性的宏觀力學特性。 因而，把握巖體結構面的幾何特征是進行巖體質量評價及穩定性分析的前提條件。

在結構面幾何特征采集方面，目前，主要有現場接觸測量、鉆孔測量、非接觸掃描測量3類。傳統人工現場接觸測量以測線法、統計窗法為代表，其勞動強度大、效率低，且難以實現對Ⅳ級、Ⅴ級結構面的有效量測。鉆孔測量由于造價高、耗時長、解算困難，在現代隧道快速施工的背景下難以廣泛應用。非接觸掃描測量以近景攝影測量為代表，因其操作簡單、高效、批量采集的特性，在工程中得到了廣泛的應用。李浩等[1]基于數碼近景測量方法建立了邊坡工程地質編錄信息系統；田勝利等[2]將數字化近景攝影測量技術應用于隧道及地下工程變形監測領域；王鳳艷等[3]對采用數碼近景攝影測量獲取巖體結構面幾何信息進行了探索性研究； 周春霖等[4]提出了改進的攝像機姿態獲取方法，并實現了巖體結構面的非接觸測量；王國輝等[5]、任偉中等[6]將數碼攝像引入變形監測領域。澳大利亞CAE Sirovision系統、奧地利ShapeMetrix3D系統的市場化推廣，進一步推動了近景攝影測量技術在工程應用方面的研究。如： 徐帥等[7]介紹了CAE Sirovision的組成及后處理軟件，并將其在礦區結構面采集領域進行了應用； 王述紅等[8]、王洋等[9]在ShapeMetrix3D系統的基礎上，提出了基于虛擬網格的結構面切割巖體方法，構建了GeoSMA-3D系統，將近景攝影測量應用于關鍵塊體分析領域。然而，在隧道掌子面裂隙及結構面采集分析方面，尚無系統應用的報道。

在結構面幾何特征分析方面，巖石質量指標(RQD)是評價巖體完整程度的重要參數。Deere首次提出了RQD的概念，采用直徑為75 mm的金剛石鉆頭和雙層芯管在巖石中連續取芯，巖芯長度大于100 mm的累積長度與進尺的比值即為其RQD值[10]。其后，RQD作為工程巖體完整程度的定量參數，被廣泛地應用于各種工程巖體穩定性評價中[11-12]。國內外許多巖體工程規范、規程都采用了RQD指標，RQD已成為巖石力學理論研究與工程實踐中應用最頻繁的術語。在地下工程領域，RQD指標多是用于巖體質量超前探測，基于掌子面鉆孔獲取，服務于圍巖分級或圍巖力學參數反演，進而為隧道施工提供參數指導。實際上，由于工程目的及鉆孔位置的限制，RQD指標僅能代表隧道軸向RQD信息[13-17]。隨著現代隧道技術的發展，勘查日益精細化、數據化，針對性支護設計日益受到關注，基于隧道徑向圍巖結構特征的差異支護理念逐步取代原有盲目平均式支護方式，因而，構建隧道徑向RQD評價體系，反映圍巖徑向結構特征，在圍巖錨固、支護等方面具有較強的工程意義。

本文以CAE Sirovision巖體表面掃描系統為基礎，詳細介紹了基于雙目攝像系統的隧道巖體結構面采集方法，并以此為基礎構建隧道掌子面徑向RQD評價體系；同時，借鑒結構面玫瑰花圖構圖思路，繪制隧道徑向RQD玫瑰花圖，實現結構面獲取和結構面分析方法的集成，以指導隧道圍巖支護設計。

1 巖體結構面攝影測量系統

1.1 雙目立體攝像原理

雙目立體測量是基于雙眼視差效應原理,通過處理兩幅或者多幅二維圖像，獲取物體的三維坐標信息，繼而還原出相應場景的三維實景測量方法。其利用1臺或2臺數碼攝像設備(CCD)從不同的位置或角度對同一區域進行拍攝，以獲取同區域異視角圖像對； 其后以圖像對的形式導入分析軟件，通過計算機特征識別，獲取兩圖像同名點，計算同名點在兩幅圖片中的視差，進而依靠共線原理實現空間點三維坐標的復原(如圖1所示)；最終實現測量或三維模型構建。

圖1 雙目立體測量原理

依據同名點搜索方式的不同，雙目立體攝影測量系統分為人工法及自動法2種。人工法即人為觀察選擇同名點，求取雙目視差，進而計算其三維坐標信息。自動法是將圖像進行預處理，進行同名點自動搜索匹配，進而實現三維坐標解譯。在工程應用中，人工法往往受限于人的工程經驗，具有較強的主觀性和不可重復性； 而自動法具有速度快、效率高的特點，但其準確性普遍不高，往往需要輔以人工糾正。

1.2 結構面測量原理

巖體結構面產狀主要指結構面的走向、傾向、傾角信息，是結構面統計、幾何分析的重要內容。鑒于巖體結構面產狀3要素(走向、傾向、傾角)中，走向、傾向可以通過角度關系相互轉換，因而按照右手法則，僅需要傾向和傾角即可描述結構面的產狀信息。基于物方空間坐標的產狀計算模型如圖2所示。

圖2 結構面產狀計算模型

(1)

基于法向量三坐標分量，利用三角函數求結構面傾向β和傾角α，計算模型為：

(2)

(3)

由于結構面傾向取值范圍為 [0，360°]，而傾角取值范圍為 [0，90°]，參照傾向、傾角計算模型，在計算傾向β0時尚未考慮其取值區間約束，因而構建結構面傾向取值為區間函數，如表1所示。

表1 傾向取值區間表

1.3 雙目立體攝像系統

CAE Sirovision系統是由澳大利亞聯邦科學與工業組織(CSIRO)開發的專門用于巖體結構面調查與分析的一套三維不接觸測量系統。其采用1臺定焦數碼攝像設備(Nikon D7000)從2個不同位置對同一指定區域進行拍攝，形成同目標異視角圖像對，通過雙目攝像基本原理進行圖像對坐標的三維轉換，進而構建指定對象的三維表面模型；其后，采用區域重疊理念，通過重合區域三維表面模型像素點匹配、圖像合成等技術措施實現巖體表面真三維模型構建；同時，CAE Sirovision系統軟件提供結構面產狀識別、分析功能，采用交互式操作方法，人工標識結構面，以非共線點平面擬合的方法，實現每個結構面個體的識別、定位、擬合、追蹤以及幾何形態信息參數(產狀、跡長、間距等)的獲取，并采用聚類算法實現結構面的分組、分級、交切關系分析等。其工作流程如圖3所示。

該系統采用數碼攝像技術解決了傳統測線法、統計窗法等接觸測量方法效率低、耗時長、操作困難等不能滿足現代快速施工要求的問題，同時針對傳統方法難以測量的Ⅳ級和Ⅴ級結構面，具備較強的針對性和適用性，真正做到了現場巖體開挖揭露面的即時定格和精確定位；配備巖體結構面產狀采集、分析軟件，可實現結構面產狀批量、快速獲取，對于巖體結構面產狀統計、巖體質量評價具備較強的適用性。

圖3 雙目立體攝像系統工作流程

2 巖體完整性評價方法

2.1 隧道徑向RQD的提出

巖體質量評價指標RQD是巖土工程基礎性指標，是圍巖分級、穩定性分析、支護設計的基本參數。就隧道工程而言，巖體施工過程RQD指標多是基于掌子面鉆孔獲取，實質上，由于鉆孔方位限制，該方法只能獲取隧道軸線方向或近軸線方向的RQD。然而巖體具有明顯的非均質性，軸向RQD與徑向RQD，甚至徑向RQD本身，由于測線位置、方向等因素的差異，會導致取值存在較大差異[13-17]。因而以鉆孔法獲取的RQD作為巖體整體質量指標僅能反映隧道軸向結構特征，難以涵蓋徑向結構信息，而隧道圍巖穩定性分析，特別是圍巖支護設計對隧道圍巖徑向RQD反應敏感，構建徑向RQD評價體系，實現隧道徑向巖體質量空間特性分析，具有一定的工程實踐意義。

2.2 隧道徑向RQD的獲取

隨著結構面測量技術的發展，測線法獲取巖體RQD得到了廣泛的認可，為隧道徑向RQD評級體系構建提供了技術支持，但其忽略了鉆孔這一步驟，以揭露結構面產狀信息為基礎，通過布設虛擬測線，考慮結構面間距特征，實現巖體RQD獲取，進而實現巖體質量的全面剖析。采用測線法獲取隧道巖體徑向RQD存在2個問題： 一是RQD取值對測線布設位置極其敏感，RQD的空間特性如圖4所示，針對同一巖體結構，不同方位布置測線，獲取的RQD1≠RQD2,因而，采用單一方位RQD反映徑向RQD整體特性并不現實；二是RQD閾值問題，傳統RQD定義為75 mm直徑的金剛石鉆頭和雙層芯管在巖石中連續取芯，其中長度大于100 mm的完整巖芯長度與進尺的比值即為其RQD指標，其考慮指標的統一性和可比性，針對不同工程統一采用100 mm作為RQD計算閾值，具備一定的實際意義，但其合理性缺乏相關論證。就隧道徑向RQD指標而言，其主要目的是實現巖體質量的同里程(橫向)空間結構特性分析，以期為隧道支護設計提供參數指導。然而，由于隧道結構面發育具有隨機性，采用固定閾值往往由于閾值過小或者過大造成其可分析性不足，因而應針對工程目的及結構面間距合理選定閾值。

圖4 RQD的空間特性

2.3 徑向RQD玫瑰花圖

隧道巖體徑向RQD具備較強的空間性，其取值隨測線方位、RQD閾值的不同具有極強的差異性，徑向RQD評價體系的構建需同時體現RQD數值及其所在方位特征，實現巖體結構特征橫向空間分析。以掌子面所在平面為基準，以掌子面與隧道底板交線的中點為中心，以10°為取值間隔，通過中心點向隧道輪廓線布設18條虛擬測線，以18個方位的RQD值來反映徑向巖體完整性。就RQD閾值合理化問題，依據數理統計方法，提出采用極差法進行合理閾值選擇。本文以[100， 200，300，…，1 000 mm]作為閾值空間，選定最小極差0.3作為判定依據，實現徑向RQD閾值選擇的可控化處理。最后以方位角為自變量，各方位RQD為因變量，繪制徑向RQD玫瑰花圖，以實現隧道橫向結構特征的直觀表現，為隧道支護提供參數指導。RQD玫瑰花圖繪制流程如圖5所示。

3 工程應用

3.1 工程背景

原型隧道位于青藏高原東部邊緣，地處四川省境內。隧道全長6 601 m，最大埋深約880 m，相對高差400～800 m，地勢左高右低，屬傍山單面上坡雙線鐵路隧道。隧址區群山林立，坡陡谷深，山脈總體呈SN向展布，山脊與橫向深切溝谷相間分布，地形跌宕起伏，地勢普遍陡峻，屬構造剝蝕高中山地貌。隧址區上覆第四系全新統坡崩積層細角礫土、碎石土、塊石土、粉質黏土、粗圓礫土、卵石土、泥石流堆積層，下伏基巖為三疊系水泥上統新都橋組千枚巖夾砂巖。隧道通過處以砂巖夾千枚巖為主，局部夾炭質千枚巖，巖質較軟，受區域構造影響，巖體易變形，擠壓揉皺發育，節理裂隙發育，巖體破碎，隧道開挖后巖體易產生掉塊、坍塌及大變形等。

圖5 RQD玫瑰花圖繪制流程

3.2 控制測量

控制測量的主要目的是把所構建的近景攝影測量網納入到給定的物方測量網中，實現二維圖像坐標向三維大地坐標的轉換。CAE Sirovision巖體表面掃描系統采用空間后方交會方法，利用單模型立體像對和3個控制點就可以求解全部模型點坐標。因而，控制測量的核心內容為3個控制點坐標的測定及合理布設。

針對控制點坐標測量問題，本工程采用徠卡TS09plus全站儀(如圖6所示)，以隧道水準測量控制網為基礎，通過雙盤測回結合3次重復照準的冗余觀測方法，進行掌子面控制點大地坐標測量，以保證測點坐標的準確性。

圖6 徠卡TS09plus全站儀

就近景攝影測量控制點布設問題，本工程采用四角點布設方式，以紅色油漆標記，在滿足3個控制點非共線布設要求的基礎上增加冗余控制點，如圖7所示。以A、B、C3點為基本控制點，解算模型三維大地坐標，以冗余控制點D為基準，采用歐式距離進行解算精度分析。

圖7 控制點四角點布設方式

3.3 數字圖像采集

CAE Sirovision由攝像系統、云臺支架、處理軟件3部分組成。在地下工程拍攝過程中，采用尼康D7000數碼相機，搭配35 mm定焦鏡頭作為其攝像部件，采用近正直拍攝方式，總誤差較小，避免凹凸巖體的相互遮擋，攝影距離控制在3～15 m。由于攝影距離較遠，隧道掌子面小的凹凸對其影響不大，攝影基線長度(左右2次拍攝間隔距離)取為攝影距離的1/7左右，從而保證測量精度。

隧道內施工工序緊湊，同時針對隧道內多塵、昏暗的環境，在獲取掌子面圖像過程中，選擇在對隧道掌子面進行放樣操作階段進行數字圖像采集，該階段隧道內活動人員較少，且經過通風后隧道內灰塵較少，滿足攝影要求。利用隧道施工用碘鎢燈充分照亮掌子面，提高掌子面位置處亮度，滿足圖像采集條件。

工程參照CAE Sirovision數碼圖像采集要求，將目標結構體劃分為掌子面(1組)、邊墻拱腳(2組)、邊墻拱腰(2組)、邊墻拱肩(2組)7個拍攝區間，如圖8所示。拍攝時要求同組相片的重疊度大于80%，以實現單組三維模型構建，且要求非同組相片有大于20%的重疊，以實現多組三維模型的拼接，同時要求至少有3個控制點坐標，以保證模型的坐標轉換。

圖8 目標結構體拍攝區域劃分

由于篇幅限制，考慮徑向RQD系統分析需求，本文以隧道掌子面三維圖像為基礎，進行隧道徑向RQD分析，掌子面原始圖像對如圖9所示。

(a) 左視圖

(b) 右視圖

3.4 巖體質量評價

采用配套SIR6.0處理軟件進行模型集成，導入控制點A、控制點B、控制點C坐標，進行模型坐標轉換，并采用冗余觀測點D進行精度檢驗；其后采用交互式操作方法獲取結構面產狀信息，以正投影方式導入CAD，并參照徑向RQD玫瑰花圖構圖方法布設虛擬測線，如圖10所示。針對系統獲取結構面產狀信息的精確度驗證，運用地質羅盤對結構面進行多次量測，求取均值作為衡量系統獲取結構面信息精度的標準。一般來說，地質羅盤法獲取結構面產狀容許傾向、傾角誤差為10°，由系統獲取的結構面產狀與地質羅盤法測量得到的均值若在容許誤差內，即被認為符合精度要求。

圖10 掌子面測線布設圖

徑向RQD的主要目的是實現掌子面巖體結構的空間分析，因而，其閾值確定的主要目的是體現巖體質量的差異性。若采用100 mm作為RQD閾值，由圖10可知，巖體各向RQD均為1，無實際意義。為了進行掌子面巖體質量評價，采用閾值極差法取值，且考慮層狀巖體中厚層、薄層為錨桿支護主要目標，本文將閾值定義為500 mm，以底板交線中點為基準，以10°為間隔進行巖體質量評價，結果如表2所示。經驗證，其最大RQD值為1.000，最小RQD值為0.654，極差為0.346，滿足閾值合理化要求。

表2 不同方位RQD計算值(閾值0.5 m)

繪制徑向巖體RQD玫瑰花圖，如圖11所示。可見方位角為10°、40°、50°和100°時，其結構性較強，隧道OB側結構性明顯強于OA側。就錨桿支護而言，錨固的必要性及有效性與巖體結構性成正相關關系，因而，在進行錨桿支護時應偏重掌子面OB側，且應特別加強10°、40°、50°和100°處的錨桿密度及支護強度。

圖11 隧道徑向RQD玫瑰花圖

4 結論與體會

本文以CAE Sirovision巖體表面掃描系統為基礎，進行了隧道結構面幾何信息采集流程及分析方法的研究，主要創新如下。

1)應用CAE Sirovision巖體表面掃描系統進行巖體結構面幾何信息的獲取，基于全站儀前方交會法，提出控制點的四角點布置方式，實現了物像坐標的轉化及精度分析，并進一步總結出巖體結構面幾何識別的工作流程及注意事項。

2)針對隧道掌子面結構特征的空間差異性，提出了隧道徑向RQD評價體系，建立了徑向RQD閾值選取的極差判據，并對隧道徑向RQD分析流程進行了詳細闡述。

3)針對徑向RQD指標眾多，難以有效分析的問題，提出隧道徑向RQD玫瑰花圖，實現了徑向RQD可視化分析，為隧道支護設計提供直觀參考。

同樣的系統在結構面信息提取方式上采用交互式操作方法，在一定程度上影響了其便捷性，需進一步進行研發改進，其具體目標是結構面信息可進行量化導出，實現自動繪制并完成RQD的自動測量。

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Digital Identification of Evaluation of Tunnel Surrounding Rocks Discontinuity

ZHANG Yanhuan, LI Liping, LIU Hongliang, YANG Weimin, SHI Shaoshuai

(Geo & Stru Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China)

The existing information collecting method for tunnel surrounding rock discontinuity can not meet the rapid construction requirements of tunnel. As a result, CAE Sirovision system based on digital photogrammetry is studied; and the basic working principle of the system and the identification method of surrounding rock discontinuity attitude are introduced. In a case study, the total station is adopted for control measuring; Nikon D7000 is used and the model of relationship between images and objects is established based on CAE Sirovision system. The identification and interpretation of digital information of surrounding rock discontinuity can be realized by interactive operation. The rock quality designation (RQD) evaluation system is established. The RQD rose-shaped diagram of surrounding rock discontinuity surface is proposed according to spatial difference of rock structure. The results can provide references for digitalized construction of tunnel.

tunnel surrounding rock; CAE Sirovision; close-range photogrammetry; surrounding rock discontinuity; RQD; rose-shaped diagram

2016-05-19;

2016-07-01

國家自然科學基金面上項目(51479107)； 山東省自然科學基金(ZR2014EEQ002)； 中國博士后面上資助(2015M572039)

張延歡(1991—)，男，山東聊城人， 山東大學建筑與土木工程專業在讀碩士，研究方向為隧道及地下工程巖體穩定性及控制方法。E-mail： tylerzyh@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.010

U 455

A

1672-741X(2016)12-1471-07