基于圖像點云的多維度隧道初期支護大變形監測研究和應用

張 宇，陽軍生，祝志恒，*，唐志揚，陳 維，傅金陽

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.云南麗香高速公路投資開發有限公司，云南 昆明 650217)

0 引言

我國隧道工程在建設規模和建設數量上均達到了世界領先的地位。在隧道建設中，變形監測至關重要，監測信息的準確和完備直接影響施工決策。

目前，國內外多采用收斂計[1]、全站儀[2]、光纖傳感器[3]等傳統方法測量和計算隧道的收斂和沉降，方法可行，技術可靠。然而，傳統監測方法多為單點測量，雖測量精度高，但變形監測點過于稀疏，無法獲取隧道全方位的變形信息，難以發現無監測點區域的變形且變形整體可視效果差。監測點破壞會嚴重影響監測數據的連續性，數據一旦不完整或失真會使工程技術人員不能完全了解隧道圍巖整體變形特征，進而錯失隧道支護和治理的最佳時機，影響施工進度，增加施工成本，降低施工安全性。因此，亟需一種能夠全方位掌握隧道初期支護大變形的監測技術。

隨著建設水平的提升，數字化、信息化建設理念在隧道工程中得到不斷應用和推行，三維激光掃描技術、計算機三維視覺技術等在隧道工程監測中的研究和應用已成為焦點[4-6]。謝雄耀等[7]對隧道三維掃描點云建立橢圓柱面三維模型，并對隧道整體變形進行測量分析，實現了隧道變形的可視化。李濤等[8]提出了一種基于全息變形監測的隧道支護評估體系，克服了傳統有限斷面有限點監測的局限性，可真實再現隧道施工現場。張宇等[9]提出了基于圖像點云空間測距算法的隧道初期支護整體變形監測技術，通過對點云進行直接比較，可直觀反映隧道初期支護的整體變形情況，實現計算效率和計算精度的平衡。以上研究均以獲取的三維點云數據為基礎，從隧道整體變形方面進行了系統研究。然而，結合三維點云數據信息的全面性、可視化性等特點，有必要更加細化，從多角度對隧道變形進行分析，獲取不同方向的變形特征，以更好地指導施工。

鑒于此，本文提出一種基于圖像點云的能夠多維度掌握隧道初期支護大變形的監測技術；并在此基礎上，以云南香麗高速海巴洛隧道為依托工程，進行現場應用分析研究。

1 圖像點云數據的獲取及預處理

本文基于圖像點云數據，從三維、二維及特征點等不同維度對隧道初期支護進行變形分析研究(見圖1)。主要采用數碼單反相機獲取隧道初期支護圖像設備，通過圖像三維重建、圖像點云預處理等關鍵步驟獲取點云數據。其中，圖像采集流程主要包括選取變形監測位置、布置測量控制點標定板、采用全站儀輔助獲取控制點坐標和采集變形監測區域第1期圖像；隧道初期支護圖像三維重建主要包括基于SFM算法的稀疏點云重建、基于SGM算法的密集點云重建、圖像點云三維坐標系轉換、基于三角剖分算法的三維曲面重建等步驟；圖像點云預處理包括去除噪聲、施工機械、堆積物、電線及超前支護等非隧道結構的三維冗余點云信息[9-10]。

圖1 圖像處理及變形監測分析流程Fig.1 Image processing and deformation monitoring and analysis process

2 隧道初期支護三維整體變形分析方法

隧道三維整體變形分析可基于多期圖像點云的三維重建實體網格模型對比研究(見圖2)，即計算2期三維重建實體網格模型的距離，通過計算比較實體網格模型的頂點到參考實體網格模型的距離實現2模型的比較分析。

(a)第1期實體網格模型

通過在參考實體網格模型中搜索最近的三角形，根據通過點到平面距離公式，計算比較模型各頂點到參考模型的距離。計算結果有正負之分，可通過查看三角形的法線來確定網格的內部和外部，根據三角形的法向確定計算結果的符號。將計算的距離分量字段轉換成顏色梯度，獲得基于2期圖像三維重建實體網格模型比較分析結果見圖3。對2期圖像三維重建實體網格模型變形值進行數理統計分析，可獲得隧道初期支護變形直方圖和高斯分布，進而得到隧道初期支護整體變形最值、均值、標準差和均方根估計等數理統計數據，如圖4所示。

圖3 基于2期圖像三維重建實體網格模型變形比較分析結果(單位：m)Fig.3 Comparison and analysis results of solid mesh model deformation based on two phases of 3D reconstruction images (unit：m)

3 隧道初期支護二維變形分析方法

獲取隧道施工初期支護三維整體變形數據的同時，有必要結合規范對隧道初期支護模型進行二維變形分析，獲取隧道施工指定里程位置各方向變形特征。

為研究隧道初期支護二維變形，首先要確定截面位置，進而獲取在該截面上的二維變形數據。確定截面位置有以下幾種方法：

1)三點法。選取隧道初期支護三維網格模型上3個網格頂點，根據3點確定一平面的方法來確定截面位置。

2)直線法。指定一條直線，根據過該直線的平面來確定截面位置。

3)系統平面法。系統平面有XY平面、XZ平面和YZ平面。若選取XY系統平面，通過對X方向旋轉指定角度x°∈(-180°，+180°)，Y方向旋轉指定角度y°∈(-180°，+180°),確定截面方向，并需指定定位里程截面位置Z，基于3個變量(X、Y、Z)可精確獲取截面方位。

(a)直方圖

本文采用系統平面法截取指定方位的初期支護三維網格實體模型，獲得指定方位二維截面信息。對比同一截面不同期隧道初期支護圖像點云信息，實現隧道初期支護二維變形分析。

3.1 沿隧道軸線垂直方向變形分析

沿隧道中心軸線垂直方向變形分析，即對隧道指定里程斷面進行變形分析。隧道現場監控量測必測項目主要有洞內外觀察、周邊位移、拱頂沉降以及地表沉降，規定隧道周邊位移、拱頂沉降和地表沉降等必測項目宜布置在同一斷面，其量測面間距及測點疏密應根據隧道埋深、圍巖級別、斷面大小、開挖方法、支護形式等確定[11-12]。

對于周邊位移監測，傳統方法是每5～50 m為1個斷面，每斷面沒2～3個測點；對于拱頂沉降監測，傳統方法是每5～50 m為1個斷面。傳統全站儀等方法雖可以滿足對隧道周邊位移監測和拱頂沉降監測要求，但不能全面反映監測斷面周邊位移和拱頂沉降的整體特征。而沿隧道軸線垂直方向截取圖像點云三維重建網格模型，可獲得指定里程斷面的全斷面變形數據，實現指定里程全斷面變形分析，是對傳統監測方法的良好補充。每1 m截取1個斷面，監測密度明顯優于傳統方法，且監測結果更加全面詳實。截面1和截面2隧道軸線垂直方向變形分析分別見圖5和圖6。

圖5 隧道軸線垂直方向變形分析：截面1(單位：m)Fig.5 Analysis of vertical deformation of tunnel axis:section 1 (unit：m)

圖6 隧道軸線垂直方向變形分析：截面2(單位：m)Fig.6 Analysis of vertical deformation of tunnel axis:section 2 (unit：m)

3.2 沿隧道軸線方向變形分析

沿隧道軸線方向變形分析即對指定里程隧道拱頂沉降進行整體分析，可改善傳統監測方法中每5～50 m 1個斷面離散監測不全面帶來的不足。沿隧道軸線方向截取圖像點云三維重建網格模型，獲得隧道拱頂變形值，可實現對指定里程段拱頂沉降連續監測和整體分析。

拱頂沉降量測的測點原則上宜布設在拱頂中心線上，沿著隧道軸線方向截取拱頂1條測線(見圖7)，當洞跨較大時，亦可在拱頂設置3條測線(見圖8)。

圖7 沿隧道軸線方向變形分析結果(1條測線)(單位：m)Fig.7 Deformation analysis results along tunnel axis (one measurement line)(unit：m)

圖8 沿隧道軸線方向變形分析結果(3條測線)(單位：m)Fig.8 Deformation analysis results along tunnel axis (three measurement lines)(unit：m)

3.3 沿隧道水平方向變形分析

沿隧道水平方向變形分析即對隧道指定里程段隧道周邊位移(收斂量測)進行整體分析。不同的施工方法測線數量及布置方式也各不相同(見圖9)。

(a)臺階法

可根據隧道不同的施工方法，沿水平方向截取圖像點云三維重建網格模型，獲得隧道周邊收斂數值，實現沿隧道水平方向變形分析(見圖10)。

4 隧道特征點變形分析方法

基于圖像三維重建獲得的多期隧道初期支護三維點云無法獲得共有點對，因此，可將在隧道表面布置的標定板中心作為變形監測特征點。通過獲取多期標定板中心坐標，并對坐標數據進行比較，實現指定位置特征點變形分析；亦可在隧道初期支護三維圖像點云模型表面設置偏差半徑，通過統計和擬合出指定半徑區域內的顯著特征點，對特征點數據進行比較，實現特征點變形分析?；趫D像點云隧道特征點變形分析方法與傳統全站儀監測方法單點測量類似，其在單點精度上不及傳統方法，因此不做過多研究。

圖10 沿隧道水平方向變形分析結果(單位：m)Fig.10 Analysis results of deformation along tunnel horizontal direction (unit：m)

5 工程應用

5.1 工程概況

云南省香格里拉至麗江高速公路海巴洛隧道是一座分離式隧道，右幅隧道起止點樁號為YK65+495～YK67+757，分界段全長2 262 m，隧道最大埋深約為461 m；左幅隧道起止點樁號為K65+505.04～K67+794，分界段全長2 288.96 m,隧道最大埋深471 m。左右幅隧道中線距離34～42 m，累計總長4 550.96 m。

5.2 隧道變形情況

海巴洛隧道施工圍巖等級主要為Ⅴ級，圍巖主要為薄層狀—碎塊狀結構的強風化、中風化灰黑色炭質板巖，層厚在0.06～0.2 m，地下水較發育。隧道施工中過程中，部分斷面會發生掌子面垮塌、初期支護大變形(見圖11)。

(a)拱腳位置變形

常出現初期支護開裂、剝落、鋼拱架扭曲變形等問題，導致初期支護換拱、增加護拱頻繁，嚴重影響施工安全和施工進度。

5.3 隧道初期支護三維整體變形監測分析

分別于2018年8月17日(第1期)、8月27日(第2期)、9月1日(第3期)、9月7日(第4期)對海巴洛隧道進口右線YK66+224～+232段采集初期支護圖像，并對其進行三維重建(見圖12)。

以第1期三維重建實體網格模型為參考模型，分別以第2期、第3期、第4期三維重建實體網格模型為比較模型，計算比較模型與參考模型之間距離偏差，獲得該段初期支護三維整體變形分析結果(見圖13和表1)。

(a)第1期

(a)第2期

表1 海巴洛隧道初期支護三維整體變形統計分析結果Table 1 Statistical analysis results of 3D overall deformation of primary support of Haibaluo tunnel m

根據圖13和表1數據，根據海巴洛隧道進口右線YK66+224～+232段初期支護三維整體變形分析及統計分析結果，對比第1期三維重建結果，截至2018年8月27日，10 d內整體變形均值為23.5 mm；截至2018年9月1日，14 d內整體變形均值為28 mm；截至2018年9月7日，20 d內整體變形均值為30.2 mm，該段隧道處于持續變形狀態。

5.4 海巴洛隧道二維變形分析

分別沿隧道軸線方向、水平方向和軸線垂直方向截取圖像點云三維實體網格對比分析模型(見圖14)，獲得隧道拱頂變形值(見圖15)、初期支護周邊收斂變形值(見圖16)和全斷面變形值(見圖17)。

(a)拱頂沉降

根據圖15—17數據，海巴洛隧道進口右線YK66+224～+232段隧道初期支護處于持續拱頂沉降、周邊收斂狀態，拱頂沉降值沿著隧道掘進方向逐漸增大，靠近掌子面拱頂沉降較大。截面1、截面2、截面3位置均處于持續變形狀態，截面1、截面2左拱腰相對變形較大，截面3右拱腰相對變形較大。施工過程中已根據監測變形數值和變形特征及時采取變形控制措施。

(a)第2期 (b)第3期 (c)第4期圖15 海巴洛隧道初期支護拱頂沉降變形值(單位：m)Fig.15 Settlement of primary support crown of Haibaluo tunnel (unit：m)

圖16 海巴洛隧道初期支護周邊收斂變形值(單位：m)Fig.16 Peripheral convergence of primary support of Haibaluo tunnel (unit：m)

圖17 海巴洛隧道初期支護監測斷面全斷面變形值(單位：m)Fig.17 Full-face deformation of monitoring section of primary support of Haibaluo tunnel (unit：m)

6 結論與建議

6.1 結論

1)隧道初期支護三維整體變形分析方法高密度圖像點云數據以及三維實體網格模型可精細、可視化反映隧道表面的空間形態，并記錄不同時期隧道初期支護三維空間位置，真實準確地反映隧道的三維整體變形。

2)隧道初期支護二維變形分析方法，可獲取監測里程段內的拱頂沉降、周邊收斂和全斷面的變形信息，改善了傳統監測方法中監測點數量少、監測數據不連續和不能直觀反映隧道變形特征的不足。

3)以云南香麗高速海巴洛隧道進口右線YK66+224～+232段初期支護為應用對象，獲取4期三維圖像點云數據，從三維整體和二維局部多角度對該段初期支護進行變形分析。應用結果表明，所提方法在隧道變形監測方面具有獨特的優勢，隧道變形監測結果更為全面、直觀，可為隧道變形規律及變形控制方法的研究提供詳盡的數據支持。

6.2 建議

粉塵、噪聲、管線和施工機械等干擾會影響所提方法對隧道變形監測的精度，針對某一特定點位的變形，建議結合全站儀等傳統測量設備進行監測。