基于通用設備的隧道圍巖與結構實用掃描系統及應用

郭建波

(中鐵二十二局集團軌道工程有限公司 北京 100040)

1 引言

梨花頂隧道位于北京市東北部，貫穿北京市密云區大城子鎮和河北承德市六道河鎮，全隧處于山區。隧道進口里程為 D1K85＋116，出口里程為D1K97＋359，全長12 243 m，為單洞雙線隧道。隧道內線間距5.0 m，隧道最大埋深為542.77 m。在施工過程中，由于巖體節理裂隙和爆破擾動的影響，隧道實際開挖輪廓凹凸起伏，支護結構也與設計有明顯差異。因此，及時、準確和全面掌握圍巖和支護結構情況對施工質量安全管理至關重要[1-2]。

通常情況下，隧道開挖輪廓主要通過人工尺量或斷面儀掃描的方法進行檢測，不僅檢測速度慢，還要經常面臨掉塊、坍塌的危險，因而難以頻繁開展。為了快速全面獲取目標體的幾何和影像信息，在信息技術領域開展了長期大量的研究，美國學者Marc Levoy在1994年采用掃描儀與彩色照片相結合的建模技術[3]，初步實現了目標體的幾何信息采集和三維建模[4-5]。近年來隨著三維掃描技術的不斷發展，掃描精度以及對目標體的還原程度不斷提高，掃描儀器的靈活度也逐步提高[6-11]，相關技術也逐步在隧道工程領域得以嘗試。例如，仇文革等人[12]從前期采用立體坐標量測儀，逐點測量并求解了各點物方坐標，繪制了隧道的開挖輪廓立體圖，到近年來逐步采用三維數字圖像掃描技術分析并提取隧道工程的地質條件[13]。許磊等人[14]通過對整座隧道的分站式地面激光掃描，獲取了隧道整體激光點云，實現了超挖及欠挖部位的自動化檢測。這些方法的共同之處在于，通過車載設備或地面架設設備的方法對開挖輪廓或支護結構進行掃描，由于設備到目標體的距離較遠，而隧道內空氣及環境又比較惡劣，因此對儀器設備的性能要求很高，這大大限制了這類設備的推廣應用。針對隧道圍巖與結構精細化掃描存在的上述難題，本文作者研制了一種圍巖與結構實用掃描系統，通過將掃描設備貼近圍巖或支護結構表面，從而降低對掃描設備的性能要求，進而降低設備成本。

2 實用掃描系統總體方案

實用掃描系統通過沿隧道縱向和環向移動掃描設備，實現對圍巖和結構表面的全面覆蓋。如圖1所示，在隧道初期支護頂部或兩側安裝縱向滑軌，在縱向滑軌上安裝環向滑軌，在環向滑軌上搭載掃描設備(包括攝像、測距和測溫等設備)。縱向滑軌采用工字鋼軌道，伺服電機驅動；環向軌道采用硬質鋁合金骨架，骨架上安裝高強自潤滑塑鋼齒圈，通過步進電機驅動，如圖2所示。

通過環向滑軌及其搭載的掃描設備在縱向滑軌上沿隧道縱向移動，以及掃描設備在環向滑軌上環向移動，實現對隧道圍巖和結構表面的全面掃描，收集隧道結構缺陷、隧道超欠挖程度及隧道內溫度等信息，并由隧道內部通訊系統與隧道外部通訊系統連接，實現在隧道外部對隧道施工現場信息的收集、整理與分析。

圖2 實用掃描系統

3 主要掃描設備

為了適應下一步智能建造的需要，系統主要搭載AR智能眼鏡、激光測距和溫濕度監測設備。

(1)AR智能眼鏡

AR智能眼鏡是一部集處理器模組、顯示模組、供電模組、攝像模組、控制模塊、傳感器模塊、通信模塊于一體的，擁有獨立操作系統的智能可穿戴設備。本系統采用炬視科技的C300工業級智能眼鏡(見圖3)，經技術開發，可滿足雙軌掃描系統中掃描組件的技術要求。

圖3 炬視C300工業級智能眼鏡組成部件

(2)其它輔助設備

為滿足隧道測距、測溫及病害識別的需要，系統還搭載以下設備:

①紅外測溫、測距組件:將DS18B20數字溫度傳感器等技術與傳統紅外測溫、測距技術相結合，對AR智能眼鏡進行二次開發，掃描組件中融入PLC控制與相應通訊技術，確保定位后的精準測距。

2.2 設備相關性因素(device related) 設備相關性因素包括:氣管插管、呼吸機管路及鼻飼管等。插管12 h后，細菌在氣管插管內壁形成一種生物膜，生理鹽水滴注到氣管插管、吸痰、咳嗽、體位改變或重新氣管插管等造成生物膜脫落，同時口咽部分泌物積存于聲門與氣囊上腔隙內，引起細菌生長繁殖。當氣囊壓力不足時，分泌物滑過氣囊落入肺部，是VAP難治和反復發生的原因之一［11］。ICU危重患者因長期臥床及留置鼻胃管，胃食管括約肌松弛易致反流，胃反射抑制排空延遲、胃腸張力降低易發生誤吸，研究表明，再次插管及誤吸使VAP發生增加6倍。此外，呼吸機管路也是細菌定植的重要場所［12-13］。

②病害識別組件:該組件功能由工業級AR智能眼鏡結合PLC控制技術進行海量圖片信息采集，通過深度學習等人工智能技術的應用實現。

4 通訊方案及掃描系統遠程控制技術

4.1 通訊解決方案

隧道洞內外通訊系統架構如圖4所示。

圖4 通訊系統架構

4.1.1 隧道內信息傳輸方案

采用架設室外無線WiFi AP的方式，進行現場的信息傳輸。現場測試采用華為AP8130DN大功率WiFi AP，接入AP端，可實現施工現場300 m左右范圍內無線信號的全面覆蓋。掃描系統通過無線的方式與AP端連接，并在隧道施工現場不同位置根據信號強弱切換不同AP端，保障信號傳輸順暢，實現掃描系統處于隧道現場任何位置均可與服務器之間保持穩定、高質量的無線信號傳輸。

4.1.2 隧道外信號傳輸方案

由隧道口到隧道外接收端的信號傳輸有基于內網的有線傳輸、無線傳輸兩種近距離方案，與一種基于外網的遠距離無線信息傳輸方案。

(1)內網有線傳輸方案

(2)內網無線傳輸方案

該方案主要通過網橋與網橋之間的信息傳遞，實現基于內網的無線信息傳輸。于隧道洞口處以及隧道外部服務器端WiFi AP處各架設一個網橋，實現信號的接收，進而傳輸隧道內部數據。連接方式如圖5所示。

圖5 內網無線傳輸方案示意

(3)外網無線遠距離傳輸方案

借助外網實現數據的遠距離實時傳輸。施工現場人員佩戴智能眼鏡并與攜帶的個人熱點自動連接，實現智能眼鏡端數據的接入與輸出。遠距離PC端人員登錄PC版系統，現場人員登錄相應APP，實現基于外網(4G信號或互聯網)及云端的信息傳輸。

4.2 掃描系統遠程控制技術

(1)智能眼鏡端掃描方式

采用15 W步進電機，轉速約600 rpm，使用10 mm絲桿與軌道系統連接，設定沿環向軌道每秒移動25 cm的距離并對圍巖結構進行測距及拍照工作。

(2)后臺系統工作方式

通過使用由炬視科技研發的與其智能眼鏡系統協同工作的遠程可視化系統，將智能眼鏡攝像頭掃描獲取的信息編碼壓縮后，通過網絡傳輸至后端服務器，用戶使用瀏覽器或者客戶端訪問服務器可實現在PC端或移動智能設備端獲取現場實時數據功能。

5 實用掃描系統技術指標與功能

(1)系統優點

通過設置縱向滑軌和環向滑軌，使掃描系統能夠實現縱向和環向移動，全面覆蓋隧道圍巖和結構表面。簡單的軌道系統為掃描系統提供了快捷、穩定和低成本的定位平臺；由于掃描系統距離被掃描的圍巖和結構表面很近，對掃描系統的分辨率和精度的要求都很低，可以大大降低全息掃描的儀器設備成本。

(2)技術指標

實用掃描系統為快速掌握圍巖和結構的狀態提供了快捷、穩定和低成本的定位平臺。其主要技術指標如表1所示。

表1 系統功能及技術指標

利用本實用掃描系統，并經過相應的適應性改進，可以實現以下功能:①全面收集隧道施工階段圍巖地質條件信息；②高效且精準獲取隧道開挖輪廓；③精細地支護結構質量檢查；④有針對性地支護結構病害檢查；⑤及時地結構質量監控。

由于掃描系統距離被掃描的圍巖和結構表面很近，對掃描系統的分辨率和精度要求都很低，可以大大降低全息掃描的儀器設備成本。

6 結論

通過設計一套雙軌掃描機構，采用通用監測設備，研制了隧道圍巖與結構實用掃描系統，可實現隧道圍巖和支護結構的快速、全面和低成本掃描。

(1)實用掃描系統通過沿隧道縱向和環向移動掃描設備，實現對圍巖和支護結構的全面覆蓋。

(2)系統搭載AR智能眼鏡和測距、測溫等監測檢測設備，并采用多種通訊模式，實現監控掃描的遠程自動化控制。

(3)系統定位精度±1 mm，影像分辨率達到1 280 P，測距精度±1 cm，測溫精度±0.5℃，滿足施工管理和質量安全控制要求，成本低、使用方便。

(4)結合增強現實技術的特性，說明其在隧道工程中運用的可行性。通過其主系統與輔助系統的開發，實現對隧道超欠挖的信息采集，肯定了增強現實技術應用于隧道施工過程中的實際意義。