應用三維激光掃描技術判定圍巖穩定性試驗研究

蔣雅君，林明才，李 鵬，陶雙江，唐富軍

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031； 2.四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院， 成都 610041； 3.四川交通職業技術學院， 成都 611130)

引言

由于隧道工程環境存在不確定性，隨機性強，地質情況極其復雜多變，圍巖穩定性受眾多因素的影響[1-2]。因此，如何及時評價并維護隧道開挖期間的圍巖穩定性是隧道建設工作的重點。

近年來，對于圍巖穩定性評價的研究成果較多。楊超等[3]通過建立關于圍巖變形速度、加速度的綜合評價模型，利用宏觀位移這一單指標對圍巖穩定性進行分析。孫峰、劉鎮等[4-5]根據圍巖破壞的本質是由于能量聚集過大這一觀點，從能微觀角度，根據能量變化對圍巖穩定性狀況進行分析，但能量在實際施工中難以測定；吳波等[6]通過拱頂位移突變及安全系數雙重指標對圍巖穩定性做出評價，但位移突變的評價并沒有量化標準；楊志浩、武亞遵等[7-8]綜合圍巖位移、應力及塑性區貫通情況對圍巖穩定性做出評價，但各個指標的評價準確性不盡相同；薛黎明、穆成林等[9-10]采用云變換、灰色理論等數學分析方法，綜合考慮眾多工程因素和巖體、地質因素，建立多指標綜合的圍巖穩定性評價模型。近年來，大量學者通過單指標或多指標綜合判定方法，對圍巖穩定性做出分析，取得一定成果。但由于應力、應變、能量、塑性區等指標在工程現場較難應用或成本較高，并且基于單點位移監測的圍巖穩定性方法存在諸多弊端，因此，文獻[11]提出了以隧道斷面面積變化判定圍巖穩定性的方法。

文獻[11]基于隧道斷面面積變化指標，初步提出了一種判斷隧道圍巖穩定性的判別方法，并基于數值模擬分析驗證了該方法的可行性。作為該研究工作的延續，依托實際工程，通過現場三維掃描試驗對該方法進行現場應用，進一步驗證這種方法的工程可行性，為隧道施工監控量測工作提供參考。

1 判定圍巖穩定性理論依據

如文獻[11]所述，將斷面面積變形率看作隧道圍巖系統的一個變量x，并以尖點突變模型作為判定圍巖穩定性的理論依據，根據判別式Δ分析圍巖穩定性。

1.1 尖點突變模型(圖1)

尖點突變模型[12-14]的勢函數是一個由控制變量參數u、v，狀態變量參數x構成的三維狀態空間(x，u，v)，勢函數可以表示為

V(x)=x4+px2+qx

(1)

其中，平衡曲面方程為

V′(x)=4x3+2px+q

(2)

在二維平面(a，b)上，則可以得到由控制變量p、q構成的分叉點集

Δ=8p3+27q2=0

(3)

圖1 平衡曲面空間示意

1.2 圍巖穩定性判定原理

將斷面面積變形率看作隧道圍巖系統的一個變量x，為得到系統尖點突變模型的標準形式，需對變量進行四次多項式擬合[15-16]。

V(x)=a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0

(4)

式中,a0、a1、a2、a3、a4為多項式待定系數；x為隨荷載釋放系數變化的斷面面積值。

對式(4)進行Tschirnhaus變換，將函數轉化為尖點突變模型的一般形式[15-16]，則式(4)可表示為

V(y)=b4y4+b2y2+b1y+b0

(5)

2 三維激光掃描應用

為對利用斷面面積變形率判定圍巖穩定性的方法進行驗證，通過三維激光掃描儀獲取隧道試驗區段斷面信息，根據多次監測結果并結合尖點突變模型對圍巖穩定性做出評價。

2.1 工程概況

依托某在建隧道為三維掃描數據采集試驗場地，隧道全長1 544 m，穿越龍泉山背斜、區域斷層和各種次級褶皺、節理裂隙，存在斷層、軟弱圍巖、瓦斯等不良地質和特殊地質。該隧道的襯砌結構形式及參數見圖2。

圖2 試驗區段隧道襯砌設計

2.2 三維激光掃描測量試驗2.2.1 試驗設備

本試驗主要采用FARO三維激光掃描儀及拓普康全站儀作為數據采集設備，其主要參數如表1所示。

表1 全站儀、掃描儀主要參數

2.2.2 試驗方案

(1)試驗區段選擇

試驗段選取在里程樁號為K6+815.876～K6+978.009圓曲線段內，曲線半徑為255 m(圖3)。洞口段位于K6+944.002～K6+978.009，洞口段埋深較淺，約為25 m。該段圍巖等級為Ⅴ級圍巖，主要是泥巖和砂巖。試驗段圍巖條件差，埋深淺，且位于圓曲線段內，使得隧道受力情況復雜。該試驗段采用上下臺階分部開挖方式。

圖3 隧道試驗段平面曲線

(2)測站布置

首先由洞外控制點向洞內引入，在試驗段布設控制點，以便獲得洞內測點相關坐標信息(圖4)。根據三維激光掃描儀測量原理及TMS OFFICE軟件切片規則，為使多次測量的斷面為同一里程斷面，需保證每次三維掃描儀測站的位置在一個隧道里程斷面上。根據文獻[17-18]可知，隧道內每一測站所掃描的有效數據，僅為測站前后10 m范圍內區段的點云數據。因此為獲取K6+969～K6+979的點云數據，需將測站布置在K6+969里程斷面上。

圖4 全站儀確定測站點位

(3)斷面布置

本研究中期望將三維掃描的監測數據與傳統監測方法監測的數據進行對比研究。結合三維掃描數據處理方法及現場施工條件，在K6+969～K6+977區間內，每隔4 m設置1組斷面監測點(圖5)，用于監測特征點位移。

圖5 隧道斷面監測點布置示意

2.2.3 三維激光掃描操作步驟

首先將三維激光掃描儀布置在預先設置好的測點上，并進行對中整平。在保持通視條件的要求下，布置全站儀和定位靶標。在掃描時面向大里程方向確定左右，將定向靶標設置在全站儀和三維掃描儀中間偏右一側，距離三維掃描儀5～10 m，掃描儀在全站儀后，定位標靶和三維掃描儀基座上的棱鏡均朝向全站儀。三維掃描儀的操作屏幕應位于進入隧道前進方向左手邊[19-20]。儀器布置見圖6。協調現場人員和設備，在掃描范圍內減少人員活動和車輛出入，避免不必要的干擾，以增加掃描點云的精度。

圖6 全站儀、定位標靶、三維掃描儀布置位置

在架設好儀器后，利用全站儀快速測量并記錄三維掃描基座上的棱鏡和定位靶標在隧道整體坐標系下的三維坐標，并設置好掃描參數，使得三維掃描儀正確開始掃描，待掃描完成后，初步檢查掃描結果并保存掃描數據。

3 結果分析與討論

3.1 K6+969斷面面積變化率分析

利用FARO FOUCUS 3D激光掃描儀專用配套軟件TMS OFFICE，對掃描數據進行處理。通過原始掃描數據及工程參數進行導入、掃描點云定位、點云過濾及切片處理、提取研究斷面數據報告等操作[20-22]，獲取多次掃描測量的斷面信息，見圖7、圖8。

圖7 未處理斷面點云

圖8 過濾后斷面點云

提取K6+969里程斷面測量數據分析，不同時間段的斷面測量結果見圖9～圖12。

圖9 day 0測量結果

圖10 day 1測量結果

圖11 day 6測量結果

圖12 day 11測量結果

僅考慮基線上方理論斷面面積作為參照，從K6+969處斷面變形率情況看，監測斷面在拱頂、拱肩部位變形較大，拱腳部位變形略小。說明在淺埋狀態下，荷載來源主要為上覆土的自重應力，且隧道變形主要以沉降為主。隧道面積隨著時間的推移不斷縮小，由72.691 m2收斂到72.018 m2，面積縮小了0.673 m2，面積變化率為0.93%。

通過提取報告中斷面面積數據，計算面積變形率，結果見圖13。

圖13 K6+969斷面掃描結果

變量斷面面積變形率x的四次多項式擬合結果為

V(x)=-7.286×10-5x4+3.09×10-3x3-

0.046 1x2+0.315x-0.008 56

(6)

擬合曲線的R2>0.99，擬合精度高。經計算p=-41.72，q=-443.74，Δ=4.7×106>0，因此判定圍巖處于穩定狀態。

3.2 K6+969斷面特征點位移分析

利用水準儀測量拱頂位移，收斂儀測量拱腰及拱腳收斂，監測數據曲線見圖14。由于開挖方式為上下臺階法，則收斂儀測量拱腰收斂數據截止到上臺階開挖完成，拱腳收斂數據由下臺階開挖時開始統計。

圖14 K6+969斷面監控量測位移數據

根據測量數據分析，拱頂下沉相對變化、拱腰收斂相對變化及拱腳收斂相對變化分別為0.09%，0.07%，0.08%。參照《鐵路隧道監控量測技術規程》[23]監控量測控制基準，可判定圍巖及隧道結構處于穩定狀態。

3.3 三維激光掃描與監控量測對比分析

根據導出的斷面報告數據可得K6+969斷面所有掃描點云的三維坐標，其中以高程最高點作為拱頂沉降點，以相對軸X距離最大和最小兩點為周邊收斂監測點，兩點間距離根據兩點三維坐標及兩點距離公式可得。將三維掃描所得數據與監控量測測得特征點位移數據相比較。通過計算多次測量的數據,得出拱頂沉降和拱腳收斂數據如圖15所示。由于監控測量中的特征點與三維激光掃描測量的特征點無法準確對應，且此對比分析只能做定性規律比較。

圖15 K6+969斷面三維掃描位移數據

從圖14、圖15可以看出,兩種監測方法測量位移數據都呈現出逐漸收斂的趨勢，均反映了隧道開挖過程中圍巖變形的客觀規律。在最終收斂數值的數量級上相同，且數據較為接近。

由于三維掃描數據報告位移僅精確到毫米，其測量精度略低于常規監控量測方法。但三維激光掃描測量所選取的特征點位移更為明顯，有利于及時準確地反映圍巖的狀態信息。并且三維掃描測量能夠記錄斷面的大量點的坐標數據，能反映隧道斷面整體的變形及受力情況，便于指導施工采取更有效的針對措施。隨著設備精度的提高及相關處理軟件的優化，三維掃描測量將能更好地發揮其測量優勢。

4 結語

以突變理論為依據，研究了根據斷面面積變形率判定圍巖穩定性的方法，結合三維激光掃描儀對在建隧道斷面面積進行測量，分析了試驗區段的圍巖穩定性，并得到以下結論。

(1)根據突變理論，提出以斷面變形率指標判定圍巖穩定性是可行的。

(2)針對斷面面積變形率指標，利用三維激光掃描儀對在建隧道進行斷面面積測量，驗證了根據斷面面積變形率判定圍巖穩定性具有工程可行性。

(3)通過對比分析三維掃描及全站儀測量的變形數據，驗證了三維掃描儀用于工程測量的可靠性，為隧道監控量測提供了新的手段。

致謝

本文所開展的相關研究工作得到了四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院劉會鋼，四川交通職業技術學院涂鵬、熊偉等人的支持和協助，在此一并表示感謝。