鉆孔置入式地下空洞三維激光(聲吶)掃描技術(shù)研究與應(yīng)用

丁 朋，付 華，鄒宇杰，杜興忠

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著城市地下空間、城市地下綜合管廊、海綿城市、西部水電項目和新能源等工程建設(shè)項目的蓬勃發(fā)展，溶洞、塌陷區(qū)、采空區(qū)等對市政、交通、水利水電、礦山等工程安全造成威脅，精確探測地下空洞對于工程地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害防治、巖溶洞穴綜合利用等具有重要意義。

地下空洞具有隱蔽性和不確定性，通過地質(zhì)鉆探或人工開挖對其進行探測，存在成本高、效率低等弊端；地質(zhì)雷達、層析成像、瞬變電磁等傳統(tǒng)工程物探方法，能夠圈定出地下空洞的大致位置，但無法精確探測出地下空洞的形態(tài)、規(guī)模和走向。國內(nèi)已大量應(yīng)用激光掃描技術(shù)掃描隧洞、箱涵、采空區(qū)等大型洞室，所用設(shè)備主要為國外產(chǎn)品，一般通過人體背負掃描裝置進入待測洞室或者使用連接杠將掃描裝置置入待測洞室以開展現(xiàn)場工作。但這種技術(shù)價格昂貴，體積也較大[1-4]，尺寸普遍大于一般地質(zhì)鉆孔的直徑(75～150 mm)，且連接桿連接方式及球形掃描方式易導(dǎo)致卡孔現(xiàn)象，因此不適宜鉆孔置入式應(yīng)用場景；此外，由于水對激光的吸收效果顯著，導(dǎo)致激光穿透距離有限，因此這種技術(shù)主要應(yīng)用在無水環(huán)境中。對于充水空洞，國內(nèi)已有相關(guān)單位利用聲吶技術(shù)進行了采空區(qū)掃描測量的應(yīng)用研究，所用設(shè)備多數(shù)為改裝的現(xiàn)有國外產(chǎn)品[5]，由于體積較大，也無法通過常規(guī)地質(zhì)鉆孔置入。

為解決上述問題，本文采用激光和聲吶掃描技術(shù)，開展了鉆孔置入式地下空洞三維掃描技術(shù)及設(shè)備研究，該設(shè)備掃描探頭能利用電纜通過常規(guī)地質(zhì)鉆孔，順暢置入待測地下空洞，利用激光和聲吶掃描技術(shù)分別實現(xiàn)地下空洞水上和水下部分的快速、精確掃描測量。工程項目的應(yīng)用實踐證明了該方法的可行性，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

1 技術(shù)原理

激光具有定向發(fā)光、亮度極高、單色性和相干性好等優(yōu)點。國內(nèi)外普遍采用激光掃描技術(shù)進行各類洞室的三維掃描，但由于水對激光的吸收效果導(dǎo)致激光穿透距離有限，尤其對于小型激光測距模塊，其體積小、發(fā)射能量也小，因此激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用在無水環(huán)境中。

聲波屬于機械波，其在水下的能量損耗較小、穿透能力強、傳播距離遠，是水下信息傳輸?shù)闹匾d體。聲吶利用了超聲波方向性好和穿透性強等優(yōu)點。超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中，能在水中傳播足夠遠的距離，因此聲吶掃描技術(shù)主要應(yīng)用在充水環(huán)境中[6-8]。

該鉆孔置入式地下空洞三維掃描儀利用激光和聲吶測距模塊，測量井下探頭到洞壁之間的距離，測距原理如圖1所示：激光(聲吶)測距模塊向洞壁發(fā)射窄束激光(超聲波)脈沖，激光(聲吶)測距模塊會根據(jù)脈沖從發(fā)出到經(jīng)被測洞壁表面反射回來所用的飛行時間，計算出發(fā)射點到洞壁之間的距離。此外，該產(chǎn)品還集成了步進電機和三維電子羅盤，其中三維電子羅盤與測距模塊安裝固定在同一個構(gòu)件上，在步進電機的驅(qū)動下進行旋轉(zhuǎn)掃描：測距模塊實時測量發(fā)射點到洞壁的距離，三維電子羅盤實時測量測距模塊的發(fā)射方向。

注：d為探頭到洞壁的距離；c為激光(超聲波)脈沖的傳播速度；t為脈沖從發(fā)射到反射回發(fā)射點的時間。圖1 激光與聲吶測距原理Fig.1 Principle of laser and sonar ranging

2 鉆孔置入式地下空洞三維激光(聲吶)掃描設(shè)備

2.1 總體設(shè)計思路

分別設(shè)計了用于無水環(huán)境、采用激光掃描技術(shù)和用于充水環(huán)境、采用聲吶掃描技術(shù)的兩種設(shè)備。對于半充水空洞，需要兩套設(shè)備配合使用，整套設(shè)備均由地上部分和地下部分組成。由于需要掃描測量出地下空洞的三維形態(tài)和走向，因此，每種設(shè)備應(yīng)至少具備旋轉(zhuǎn)掃描、測距、測方位、數(shù)據(jù)保存和可視化操控等基本功能。考慮到推桿下放掃描探頭容易卡孔，且隨著下放深度的增加，孔內(nèi)裝置(探頭+推桿)的總體重量會越來越重，因此，設(shè)計方案采用了絞車電纜收放掃描探頭的方式。

考慮到地下空洞的隱蔽性和不確定性，為防止掃描過程出現(xiàn)卡停現(xiàn)象，所設(shè)計產(chǎn)品只支持水平旋轉(zhuǎn)掃描，不支持垂直旋轉(zhuǎn)，即利用二維掃描技術(shù)，在單個掃描平面內(nèi)取得直觀的掃描輪廓成果資料，最后利用逐層掃描出的所有二維輪廓構(gòu)建出三維形態(tài)，如圖2所示。

圖2 掃描測量方式Fig.2 Scanning method

2.2 設(shè)備工作方法

兩種設(shè)備均由地面采集主機、掃描探頭、絞車、導(dǎo)向滑輪等組成，如圖3所示。

圖3 設(shè)備組成及工作示意Fig.3 Schematic diagram of equipment composition and work

在進行實際測量作業(yè)時，地面采集主機向井下掃描探頭發(fā)出掃描指令，井下掃描探頭收到指令后，驅(qū)動激光(聲吶)測距模塊向洞壁發(fā)射窄束激光(超聲波)脈沖，并計算出發(fā)射點到洞壁之間的距離，之后讀取三維電子羅盤，獲取脈沖的發(fā)射方位信息，再將測量距離和方位信息組合成數(shù)據(jù)幀，發(fā)回至地面采集主機，則該方位洞壁的空間信息測量完畢。設(shè)備在步進電機的驅(qū)動下，自動旋轉(zhuǎn)探頭到下一個方位位置，繼續(xù)測量下一個方位洞壁的空間信息，如此循環(huán)，直至探頭旋轉(zhuǎn)一圈將整個斷面掃描一周；地面采集主機會實時顯示出掃描輪廓；操作地面采集主機，將掃描獲取的整圈輪廓數(shù)據(jù)保存，至此整個斷面的掃描工作完成。通過絞車將井下探頭放置到下一個位置，啟動新一輪斷面輪廓掃描，如此循環(huán)，直至整個地下空洞逐層掃描完成。最后，利用相關(guān)三維處理軟件處理所有二維斷面輪廓掃描成果，構(gòu)建出地下空洞的三維形態(tài)模型，進而計算出地下空洞的大小、規(guī)模和展布，如圖4所示。

圖4 工作流程Fig.4 Workflow of equipment

2.3 設(shè)備主要模塊及研發(fā)技術(shù)要點

(1) 掃描探頭。在采集主機的指令控制下，實現(xiàn)對水平斷面輪廓的360°全周掃描，并將掃描生成的點云數(shù)據(jù)傳回至采集主機。掃描探頭集成了激光(聲吶)測距模塊、三維電子羅盤、導(dǎo)電滑環(huán)、步進電機、控制電路板(設(shè)置有STM32處理器)等諸多部件，需要設(shè)計金屬外殼對內(nèi)部器件進行保護和封閉防水。對于激光掃描探頭，設(shè)計則較為簡單，所有部件全部內(nèi)置于金屬殼體內(nèi)部，只有激光測距模塊所處的位置設(shè)計有一圈高透光的防水玻璃罩，激光測距模塊和三維電子羅盤利用步進電機在殼體的內(nèi)部進行360°旋轉(zhuǎn)；對于聲吶掃描探頭，聲吶測距模塊必須裸露在水中進行360°旋轉(zhuǎn)，因此需要設(shè)計較為復(fù)雜的動密封結(jié)構(gòu)。為盡可能適用于更小內(nèi)徑的鉆孔，探頭外徑均應(yīng)盡量小，因此內(nèi)部器件只能采用縱向布置的設(shè)計方式，且內(nèi)部器件均需小型化選配。

(2) 采集主機。用于數(shù)據(jù)采集、斷面輪廓顯示、數(shù)據(jù)管理等。主機軟件運行于ARM處理器中，通過RS485通信方式發(fā)送指令給井下掃描探頭，井下探頭根據(jù)指令做出相應(yīng)動作，如校準三維電子羅盤、掃描斷面輪廓等，并將處理結(jié)果反饋給采集主機。

(3) 絞車。收放探頭，并實現(xiàn)采集主機與探頭之間的通信連接。

(4) 導(dǎo)向滑輪。改變絞車電纜線運行方向。

3 設(shè)備試驗與結(jié)果分析

基于上述設(shè)計思路和設(shè)計方案，成功研制出鉆孔置入式地下空洞三維激光(聲吶)掃描儀，其中，鉆孔置入式地下空洞三維激光掃描儀如圖5所示。

圖5 鉆孔置入式地下空洞三維激光掃描儀Fig.5 Equipment for three-dimensional scanning through borehole into underground cavity

為測試產(chǎn)品性能，開展了系列試驗。對鉆孔置入式地下空洞三維激光掃描儀的部分試驗如下。

(1) 測量精度評估試驗。該設(shè)備所選用的三維電子羅盤航向精度0.8°，分辨率0.1°；所選用的激光測距模塊測距范圍0.01～30.0 m，精度1.5 mm，分辨率1 mm。試驗過程中，各測量4組方向和距離值，最終的試驗對比結(jié)果如表1所示。由于測試環(huán)境和對比測量器具的限制，試驗結(jié)果與理想實驗室的測試結(jié)果存在差距，但是可以作為評估該設(shè)備測量精度的依據(jù)。通過表1可知：方向角絕對差值在1.5°以內(nèi)，距離絕對差值在3 mm以內(nèi)，均大于所標稱的精度，但其精度已完全滿足掃描地下空洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的要求。

表1 設(shè)備測量值與人工測量值的對比

(2) 輪廓掃描試驗。利用該設(shè)備對一個簡易紙箱的內(nèi)部輪廓進行掃描。為驗證掃描的精度，在紙箱的角落里構(gòu)建了一個有微小弧度的弧形面，如圖6所示。最終的掃描輪廓見圖7左上角，與實物的內(nèi)部輪廓在形狀上完全一致，且弧形輪廓清晰可見；后實測結(jié)果表明其走向、輪廓大小也與實物一致，驗證了利用該設(shè)備探測空腔內(nèi)部輪廓的可行性。本次試驗僅環(huán)繞一周掃描了100個點，即掃描步距角為3.6°(360°/100)；對掃描文件中100個掃描點數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明：相鄰掃描點方向角間距平均值3.6°，最小值2.8°，最大值4.3°，其中第一個掃描點的方向角(Heading)為115.7°，最后一個掃描點的方向角為112.1°，兩者相差3.6°，進一步驗證了該設(shè)備方向測量的準確性。

圖6 測試模型Fig.6 Test model

圖7 測試結(jié)果Fig.7 Test results

4 工程應(yīng)用

貴州省北盤江流域某水電站開展防滲帷幕灌漿前物探工作。在鉆孔SCWM-ZK-9施工過程中發(fā)生落鉆5 m現(xiàn)象。為進一步研究落鉆區(qū)域巖溶發(fā)育特征，采用該地下空洞三維掃描裝置進行了掃描測量，掃描成果如圖8所示，溶洞整體呈“胃”狀，發(fā)育高度4～6 m，寬度4～7 m，長度6～8 m，近東西向，且東小西大、東高西低，體積約為150 m3，后經(jīng)開挖揭露(圖9)，該三維掃描成果與實際吻合，溶洞的掃描精度完全滿足要求。

圖8 鉆孔SCWM-ZK-9巖溶段三維掃描成果Fig.8 3D scanning result of karst section of borehole SCWM-ZK-9

圖9 開挖后溶洞內(nèi)現(xiàn)場勘查Fig.9 Exploration in the karst cave after excavation

貴州省烏江流域某水庫開展大壩滲漏分析與處理的工程物探測試工作。在鉆孔ZK6的全景數(shù)字成像成果中，能明顯看到2個巖溶空腔，為了追蹤巖溶空腔的規(guī)模、形狀和走向，采用三維掃描技術(shù)對巖溶空腔進行掃描測量，其中，鉆孔ZK6底部溶洞的三維掃描成果如圖10(b)所示，溶洞發(fā)育高度1.7 m左右，最大直徑近5 m，體積約8 m3，與圖10(a)的全景數(shù)字成像成果揭示的溶洞高度、走向等一致；鉆孔ZK5-ZK6-ZK7之間的電磁波CT探測成果也揭露出該溶洞所處的位置，如圖10(c)所示。上述綜合物探成果相互驗證，為后期巖溶滲漏處理提供了準確的基礎(chǔ)資料。

圖10 鉆孔ZK6底部巖溶綜合物探成果Fig.10 Comprehensive geophysical exploration results of karst at the bottom of borehole ZK6

5 結(jié) 論

為通過一般地質(zhì)鉆孔將掃描裝置置入地下空洞內(nèi)部，對其進行精確掃描測量和構(gòu)建三維數(shù)字化成果，利用激光和聲吶掃描技術(shù)，研制出了通過逐層掃描二維輪廓構(gòu)建三維形態(tài)的鉆孔置入式地下空洞三維掃描成套設(shè)備，并通過工程應(yīng)用得到以下結(jié)論。

(1) 利用激光和聲吶掃描技術(shù)，結(jié)合方位測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對地下空洞三維形態(tài)、規(guī)模和走向的準確測量，為工程設(shè)計和施工提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2) 根據(jù)本文設(shè)計思想，可研發(fā)出多套不同測距精度和探頭直徑的設(shè)備，最小探頭直徑已縮小至51 mm，能通過一般地質(zhì)鉆孔順利置入地下空洞進行三維掃描測量，并結(jié)合激光和聲吶掃描技術(shù)，解決了無水空洞、充水空洞、半充水空洞難以通過狹窄鉆孔置入設(shè)備進行自動化掃描測量的難題，具有較好的普適性。

(3) 與鉆探探測、傳統(tǒng)物探以及人工開挖測量相比，在精確探測地下空洞空間展布方面，該掃描設(shè)備擁有快速、安全、高精度、全數(shù)字特征、成本低和應(yīng)用范圍廣等顯著優(yōu)勢，具有良好的推廣應(yīng)用價值。