基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統

陸華庭

(廣西路橋工程集團有限公司, 廣西 南寧 530200)

0 引言

現如今，在高速公路、地鐵、水下通車路段等施工項目中，不可避免地涉及隧道工程施工。由于隧道多處于地下水位以下的位置，施工中的滲漏水問題頻發[1]。隧道施工滲漏水問題不僅會影響隧道施工質量，導致隧道結構開裂、腐蝕，也會危害施工人員的生命安全，甚至對地下水環境的穩定也造成一定程度的破壞[2]。為此，設計一種有效的隧道施工滲漏水監測系統具有重要的現實意義。

葉少敏等[3]以自加熱溫敏光纜為主要材料，設計了一種隧道滲漏水監測系統。該系統將自加熱溫敏光纜應用于傳感元件中，通過分布式測溫的方式采集光纜溫度信息，然后再結合熱脈沖法感測隧道施工過程中的滲漏水情況，并實現可視化展示。代昱昊等[4]利用TEM設計了一種隧道滲漏水狀態監測系統。該系統在進行多次瞬變電磁超前探水試驗后，建立了電阻率區間與滲漏狀態映射模型，然后在Voxler軟件中構建了含水體模型，通過感應瞬變電磁完成對隧道施工滲漏水狀態的監測。

然而，在實際的施工應用中發現，上述傳統方法存在監測信息傳輸耗時長且監測準確率低的不足。而三維激光掃描技術是一種自動化程度高和采集信息精度高的立體掃描技術，其主要目標是對高精度工程體進行三維建模，并有效地收集大量的三維點，實現采集各種類型的大量、復雜、不規則的三維數據的目的[5]。為此，針對傳統監測系統存在的不足，本文研究基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統，并與兩套傳統系統進行對比分析。

1 基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是一種非接觸式高速激光測量技術，即通過測量三維坐標獲取被測目標表面的三維點云數據，并對數據進行有效的轉換，同時進行技術性的分析，獲取高精度的數據信息，再通過三維建模軟件的應用和數據處理，構建三維掃描模型，以實現其應用。三維激光掃描是利用激光掃描設備和遙感器來測量被測物體表面的形狀，通常由激光發射器、接收器和計數器組成[6]。被測目標表面接收到激光脈沖后，會產生反射信號，通過發射器與接收器之間的信號傳輸，可使用計數器計算發射信號和接收信號間的時間差，獲取測量結果，同時可以根據測量數據結果監測實際施工過程中的不足并加以改善。

本文以三維激光掃描技術為依托，設計隧道施工滲漏水監測系統，通過獲取隧道施工現場信息生成的點云數據進行計算，構建三維掃描模型，實現隧道施工滲漏水監測。

1.2 系統硬件環境設計

基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統的硬件環境主要由3個部分構成，分別為參數調試部分、激光掃描部分和監控中心部分。各部分負責不同的任務，其中，參數調試部分負責根據實際施工情況調整系統的運行狀態，激光掃描部分負責獲取隧道施工滲漏水的圖像信息，監控中心部分負責整體的系統遠程控制。系統硬件環境如圖1所示。

圖1 系統硬件環境結構圖

由圖1可知，系統硬件環境的主要設備是三維激光掃描設備，本研究使用的設備型號為Leica ScanStation2。

激光二極管在信號激光的周期性脈沖下，能夠使其發射激光脈沖至目標表面，接收透鏡以此為基礎，獲取反射信號并進行接收。在微機內部對測量數據進行簡單處理，在儲存數據的同時，顯示或發送距離、角度等數據，從而完成信息傳輸處理。經過一系列的處理操作后，利用合適的系統軟件得到目標區的三維坐標數據，以便進行不同的計算或建立三維模型。具體的三維激光掃描過程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描過程示意圖

步驟一：利用三維激光掃描儀器獲取隧道施工現場的位置信息、地表物體尺寸等信息，并形成初始點云數據。

步驟二：在CAD軟件中，結合上述獲得的初始點云數據，利用Cloudworx插件繪制隧道施工現場的平面圖、立面圖以及剖面圖等圖件，并根據實際信息讀取隧道尺寸及其內部設施的具體位置與狀態，形成線劃圖件。

步驟三：利用線劃圖件對各點云數據進行處理，生成Mesh格網模型。在該格網模型中，通過映射處理將所有采集到的施工信息生成隧道滲漏水模型。

2 滲漏水識別監測方法

2.1 滲漏水階段劃分

根據滲漏水的危害程度，將其劃分為5個階段，依次為浸潤(第一階段)、滲透(第二階段)、滴水(第三階段)、漏水(第四階段)以及射水(第五階段)。具體內容如表1所示。

表1 隧道施工滲漏水情況評定規則表

2.2 滲漏水識別與智能監測

隧道施工滲漏水監測的關鍵在于從利用三維激光掃描技術得到的隧道施工現場線劃圖件中識別滲漏水現象的信息，也就是利用數字圖像識別原理，根據滲漏水位置與正常情況下圖件狀態間的差異，實現對滲漏水現象的識別。

圖件二值分割處理技術是根據一定的閾值，將待識別的目標從整個圖件中分離出來的處理技術[7]。一般來說，可以根據目標區域與圖件背景區域間的灰度差異完成二值分割。為此，本研究做出如下假設：

(1)隧道施工現場線劃圖件的灰度分布主要包括背景信息和待識別的目標信息。

(2)背景信息或待識別的目標信息中，相鄰像素間的灰度值差距較小，而背景信息與待識別的目標信息的邊緣灰度值差距較大。

假設(X，Y)表示隧道施工現場線劃圖件的平面坐標，其灰度值處于[0，L]之間，像素點在其間的灰度級為G(X，Y)。設定隧道施工現場線劃圖件的分割閾值為δ，Lq=(q1，q2)表示像素點在此坐標內的二值灰度級，則隧道施工現場線劃圖件(X，Y)在δ條件下的分割結果如式(1)所示：

(1)

結合隧道施工現場的實際情況，當其表面存在滲漏水情況時，利用三維掃描技術得到的線劃圖件中可以被二值分割處理過程分為灰度目標區域(滲漏水區域)與背景區域(正常區域)[8]。在圖件經過二值分割處理后，本研究利用Sobel邊緣算子準確判斷滲漏水區域的輪廓范圍。在隧道施工現場線劃圖件中，假設存在任一像素點pi，pi與其周邊的像素點pj間的灰度差為ΔG，若存在如式(2)所示的關系，那么像素點pi即為待提取的信息。

(2)

式中：Gi與Gj——周邊像素點pi與pj的灰度值；

計算滲漏水區域像素點灰度值，若與正常隧道表面的像素點之間灰度值相似，差值較小，就可以在灰度圖像中對滲漏水區域邊緣進行有效識別，描述識別出的所有像素點，識別該區域滲漏水現象。

利用三維激光掃描技術得到的現場圖件有多幅，為全方位監測的隧道施工滲漏水情況，本研究在識別每個圖件中滲漏水區域后，對三維掃描模型中所有圖件的滲漏水區域面積展開計算，過程如下：

(3)

式中：S′——隧道內實際的滲漏水面積；

S——三維掃描模型中隧道內表面總面積；

np——三維掃描模型的所有圖件中的像素點數量；

n——圖件中滲漏水區域中的像素點數量。

在識別滲漏水區域后，本研究對具體的滲漏量展開監測。當水流動在隧道巖土的空隙或裂隙里并逐漸滲出表面，即產生了滲漏。為了分析滲漏速度，需使用滲漏控制模型。通常情況下，不具有壓縮行為的控制方程主要由連續性方程式(4)與納維斯托克斯方程式(5)構成，其形式如下：

?v=0

(4)

(5)

式中：?——偏導數；

?——求導；

v——滲漏位置水體的實際流速；

ρ——滲漏水體的密度；

p——滲漏壓力；

g——重力；

?2v——滲漏水體流動過程中受到的阻力。

由于該數值在滲漏過程中的作用并不明顯，因此，在式(5)的右側還需添加一個可以描述此阻力作用的項，此時，單位質量滲漏水體的滲漏阻力為：

F=a×V×g

(6)

(7)

式中：V——滲漏水狀態參數；

a——重力加速度。

通過計算可以得知隧道施工滲漏水狀態參數，以此判斷隧道的施工滲漏水情況。

3 試驗與結果分析

為驗證上述設計的基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統的實際應用效果，選擇某正在施工的隧道作為試驗對象。該隧道全長將近15 km，經過巖溶洼地、地下暗河和多處地質斷層帶與地質接觸帶，還包含大量的溶洞，在開挖的過程中可能會出現透水、突泥，甚至巖爆、塌方等危險情況。因此選擇該隧道#026+351-15段進行滲漏水監測，此施工段長約2 600 m。將基于自加熱溫敏光纜的隧道滲漏水監測系統與基于TEM的隧道滲漏水狀態監測系統作為對比方法，與本文提出的基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統共同進行對比實驗。本文采用三維激光掃描設備Leica ScanStation2完成隧道滲漏水信息的實際采集，該設備主要參數如表2所示。

本次實驗以滲漏水監測信息傳輸耗時、監測準確率為指標，監測信息傳輸耗時越短，監測準確率越高，證明該方法的應用性能越好。

3.1 監測信息傳輸耗時對比

采用上述三種方法對該隧道#026+351-15段進行滲漏水監測，對比不同方法的監測信息傳輸耗時，結果如表3所示。

表2 Leica ScanStation2主要設備參數表

表3 不同系統對滲漏水監測信息的傳輸耗時對比表

由表3可知，隨著實驗次數的增加，不同系統對滲漏水監測信息的傳輸耗時也隨之增加。其中，基于自加熱溫敏光纜的監測系統的耗時處于0.768～0.937 min，基于TEM的監測系統的耗時處于0.904～1.414 min，而本文系統的耗時處于0.355～0.492 min，這說明本文系統對滲漏水監測信息的傳輸速度更快、監測效率更高。

3.2 監測準確率對比

在該隧道#026+351-15段中，在計算滲漏水狀態參數的基礎上，以監測準確率為指標，對不同系統的應用性能展開驗證，試驗施工段的滲漏水狀態如表4所示。

表4 各施工段滲漏水狀態一覽表

以表4為實際結果對比，計算不同系統對隧道施工滲漏水監測結果的準確率，結果如表5所示。

表5 不同系統對隧道施工滲漏水的監測準確率對比表

由表5可知，隨著試驗次數的增加，不同系統的監測準確率也呈現逐漸上升的趨勢。其中，基于自加熱溫敏光纜的監測系統的監測準確率處于89.50%～91.55%，基于TEM的監測系統的監測準確率處于85.43%～88.92%，而本文系統的監測準確率處于94.37%～96.71%。上述結果可以說明,本文系統能夠準確地對隧道施工過程中的滲漏水情況展開監測，且相比于兩種傳統系統，本文系統的監測結果更加可靠。

綜上所述，本研究設計的基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統具有監測效率高、監測結果可靠性高的應用優勢，更適用于實際的隧道工程施工項目中。

4 結語

針對傳統監測系統存在的監測信息傳輸耗時長、監測準確率低的問題，本研究設計了基于三維激光掃描的隧道施工滲漏水監測系統。該系統利用參數調試部分、激光掃描部分和監控中心部分組成系統硬件環境，在軟件程序中，對三維掃描圖件進行二值分割處理，在判斷滲漏水區域的輪廓范圍后，對三維掃描模型中所有圖件的滲漏水區域進行判斷，通過求解滲漏量得到準確、高效的監測效果。