基于數字化圖像的引水隧洞超欠挖檢測及其應用技術研究

詹雙橋,杜興武,夏裕棟,陳運財,羅鈺博,陽軍生,張 聰

(1.湖南省水利水電勘測設計研究總院, 湖南 長沙 410007;2.中南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410075;3.中南林業科技大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410004)

引水隧洞是自水源地引水的水工隧洞,是水工建筑物中十分重要的組成部分,其開挖施工質量對后續工程運營起到關鍵性作用。目前,工程上引水隧洞開挖普遍采用鉆爆法,但該工法常因斷面限制和地質條件的影響,致使開挖過程中不可避免地出現超欠挖現象。隧洞超挖將增加施工成本、破壞圍巖的穩定,而欠挖則會增加再次開挖的工序時間及施工成本并造成圍巖二次擾動,延緩施工進度。因此,如何實現小斷面引水隧洞爆破開挖引起的超欠挖高效檢測,是后續爆破開挖優化設計的前提與關鍵。

近年來,隨著計算機技術和智能化測量設備的發展,數字化圖像技術在超欠挖檢測中得到了階段性的應用[1]。許磊等[2]將三維激光點云技術應用于多種隧道類型的超欠挖評價和測量中。韋征等[3]針對三維激光掃描的隧道超欠挖檢測,提出一種基于點云擬合曲面并結合設計面法線的分析方法。葛超等[4]利用激光點云和圖像處理技術對京張鐵路某段進行超欠挖實時監測。李徐然等[5]基于統計的濾波法建立了一種簡便易行的隧道超欠挖方量計算模型。李海波等[6]采用三維激光掃描技術建立了開挖圍巖的三維表面模型,精確測量了洞室開挖圍巖的超欠挖量。Fekete S等[7]將三維激光掃描儀應用于圍巖結構面的識別和超欠挖檢測中。王令文等[8]將三維激光掃描技術應用于杭州某地鐵隧道的變形監測。

目前,數字化圖像技術在交通工程領域超欠挖檢測中已有較多應用,但在小斷面引水隧洞的應用較罕見。為此,本文依托犬木塘水庫大山嶺引水隧洞工程,提出一種基于圖像處理技術的超欠挖檢測方法。利用數碼相機進行快速數據采集,再通過點云重建、曲面重建獲取隧洞實測輪廓模型,將其與設計輪廓進行對比,從而計算隧洞超欠挖結果。研究成果優化了小斷面引水隧洞超欠挖的檢測方法,以期為類似工程提供實例參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

犬木塘水庫工程是解決“衡邵干旱走廊”水資源短缺問題的骨干水利工程,為Ⅱ等大型水利水電工程。工程包含灌區工程與樞紐工程兩部分,其灌區位于“衡邵干旱走廊”湘資分水嶺區域,涉及6處提水泵站、1條總干渠、5條分干渠和11條骨干支渠。干支渠全長223.4 km,灌區渠首設計流量40.0 m3/s,提水泵站總裝機4.96萬kW。設計灌溉面積約7.54萬hm2,年均引水量3.2億m3。

大山嶺引水隧洞為犬木塘水庫工程灌區的一部分,位于總干渠工程段樁號ZG3+476.1—ZG8+765.1。隧洞為城門形無壓隧洞,設計流量36.5 m3/s,建筑物級別為3級。隧洞全長5 289 m,凈斷面尺寸為洞寬5.4 m,洞高5.66 m,頂拱角度為120°,縱坡i=1/3000。掘進開挖斷面:洞寬6.7 m～6.9 m,直墻高4.6 m～4.7 m,拱高2.209 m～2.309 m。根據圍巖分類結果,除進口至設計開口線外,圍巖可分為Ⅲ～Ⅴ類,支護設計為復合式襯砌,初期支護為噴錨支護,初噴C20混凝土厚0.1 m～0.2 m,二次襯砌為C25鋼筋混凝土襯砌,襯砌厚0.2 m～0.55 m。大山嶺隧洞出口航拍圖見圖1,Ⅳ類圍巖斷面支護設計圖見圖2。

圖1 大山嶺出口航拍圖

圖2 Ⅳ類圍巖支護斷面圖

1.2 工程地質情況

根據工程地質勘探,隧洞沿線地層巖性以泥盆系(D)和石炭系(C)的灰巖、泥灰巖為主,部分段夾薄層的砂頁巖。隧洞沿線工程地質條件較復雜,為總干渠隧洞中的重點地段。洞室巖性主要為C1d1灰巖、泥灰巖,中厚～厚層狀,圍巖微風化,巖層產狀N22°E·NW∠20°,洞軸線與巖層走向大角度斜交,傾角平緩,巖溶較發育,地表水系發育,成洞條件較差。隧洞所經地段,地下水位埋藏較淺,多位于洞頂以上。地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水、基巖裂隙水三種類型。除隧洞進出口附近,其他洞段基本都處于地下水位以下,水溫為常溫水,未發現溫泉等。隧洞所過地段大部分為中等～弱透水帶,局部地段受巖溶、構造、節理裂隙及風化等影響,為強透水帶。

1.3 隧洞開挖方法

大山嶺隧洞穿越多種地層,各地層之間差異較大,施工中主要采用的開挖施工方法為爆破法開挖,爆破施工過程中嚴格控制裝藥量,減少炮轟波對圍巖的擾動,達到保護圍巖的目的。大山嶺隧洞圍巖采用全斷面開挖,全斷面光面爆破,采用毫秒延時導爆管雷管和電雷管引爆,光爆炸藥采用2號巖石乳化炸藥,藥卷規格為Ф32-300g[9]。

開挖鉆爆按照“短進尺、弱爆破、少擾動、強支護”的原則施工,Ⅱ～Ⅲ類圍巖每循環進尺按2.5 m,Ⅳ類圍巖每循環進尺2.0 m,Ⅴ類圍巖及不良地質地段每循環進尺按1.5 m控制。掏槽孔采用菱形掏槽,光爆孔采用導爆索起爆,其它孔采用非電毫秒雷管起爆,炸藥類型為乳化炸藥或銨油炸藥,在有地下水時采用乳化炸藥;為便于下一循環周邊鉆孔,周邊孔設計外偏角為3°。周邊孔沿開挖輪廓線布置,孔口位置在設計輪廓線上,鉆孔方向沿縱向向外偏移,孔底位置在設計輪廓線外側距離15 cm以內。Ⅳ類圍巖現場標準爆破孔位圖見圖3,具體爆破參數見表1。

表1 現場爆破參數表

圖3 大山嶺Ⅳ類圍巖爆破孔位圖

由于大山嶺隧洞沿線軟弱圍巖廣布,巖體強度較低,并且斷面較小,整體可利用場地少,導致洞室開挖成型困難,超欠挖量較大。開挖過程雖不斷優化每循環進尺、孔間距等爆破參數,但爆破質量依然不佳,隧洞超欠挖現象仍未得到有效控制。

2 超欠挖檢測技術

圖像三維重建是基于二維圖像恢復場景和目標三維信息的方法,是計算機視覺研究的一個核心且非常熱門的領域,主要分為單目視覺、雙目視覺和多目視覺[10]。本研究采用了一種單目視覺三維重建方法-運動恢復結構(Structure from Motion,SfM)[11],可以從運動相機拍攝的多幅重疊的二維照片中估計相機的運動情況并重建出場景的三維空間信息。基于圖像三維重建的引水隧洞超欠挖檢測方法主要包括照片采集、點云重建、曲面重建、圖像拼接四大步驟,其技術原理見圖4,具體作業流程見圖5。

圖4 基于圖像三維重建的隧洞超欠挖檢測技術原理

圖5 基于圖像三維重建的超欠挖檢測方法作業流程

2.1 圖像數據采集

隧洞圖像采集質量是后期數據處理的關鍵,也是獲得良好三維圖像點云效果的基礎。本超欠挖檢測應用方法使用現場手持相機拍攝的照片對實際開挖輪廓進行三維重建。

為獲得足夠精度和密度的空間點云數據,保證三維重建的完整性,相鄰照片之間的重疊度應不低于50%。使用相機采集圖像數據時,可手持相機站立于隧洞中心線附近,然后按照“先環向后縱向再特寫”步驟采集照片,具體拍攝流程如下:環向拍攝時,以隧洞拱腳起,正對拍攝區域,每拍攝結束一張照片,向隧洞環向方向旋轉相機一定角度,保證與上一張照片重疊度不低于50%,通常可將相機取景中心線旋轉移至上一張照片拍攝時閃光燈最邊緣處即可滿足要求。在相機旋轉至正對隧洞頂部時,從另一側拱腳起,同樣拍攝至隧洞頂部;縱向拍攝時,每結束一環照片拍攝,縱向移動半幅圖像采集寬度(一般為0.5 m～1.0 m),然后進行下一環照片拍攝。

2.2 點云三維重建

本方法基于SFM算法實現隧洞實際開挖輪廓三維點云重建。SFM算法首先由尺度不變特征變換SIFT算法提取圖像特征點,再通過迭代光束平差過程(Iterative Bundle Adjustment Procedure)自動求解場景幾何形態和相機方位等信息,實現隧洞圖像稀疏點云重建[12]。其本質是基于有一定重疊度的圖像之間的同名點構建幾何約束,進而求解相機的內外方位元素,最終將點云恢復到三維空間坐標系中。稀疏點云是圖像數據中的特征點,檢測和匹配極為簡單,具有非常明顯的特征,其成功與否影響著整個三維重建結果。在圖像稀疏點云重建時,利用圖像處理軟件metashape求解出圖像數據中的重疊圖像的相同點,以此作為匹配點,進行圖像配準,估計相機位置,圖6為大山嶺隧洞ZG8+612.5—ZG8+609.6段稀疏點云重建結果圖。然后在已建立的稀疏點云的基礎上進行密集點云重建,通過插值算法,在點云之間增加點,更加細致地重現出拍攝區域。

圖6 ZG8+612.5—ZG8+609.6段稀疏點云重建結果圖

2.3 三維曲面重建

三維點云展示了物體大致輪廓,而三維曲面在三維點云的基礎上以大量的三角面片連接點云,更加真實地反映物體的形狀、輪廓等信息,三角面片越多物體的形狀輪廓信息越趨于真實。輪廓真實度影響著地質展開圖及模型信息的獲取,三維曲面重建是圖像數據處理的一個重要環節。本方法基于Delaunay三角剖分算法對隧洞毛洞進行三維曲面重建[13-14],根據經驗,在曲面重建時以每米十萬個網格(三角面)為宜,過多的網格容易引起模型及保存文件過大,過少的網格則隧道輪廓缺失明顯。具體操作為在圖像處理軟件metashape中,選擇工作流程-生成網格,然后導出曲面模型(實際曲面模型),圖7為大山嶺隧洞ZG8+612.5—ZG8+609.6段三維曲面重建結果圖。

圖7 ZG8+612.5—ZG8+609.6段三維曲面重建結果圖

2.4 圖像拼接展開

為更便于瀏覽和展示引水隧洞工程上的圍巖表觀情況,有必要將三維重建實景展開成二維圖像,將隧道表面圖像矯正拼接制作成全景展開圖。展開全景圖的制作主要涉及到圖像的矯正和拼接,不同的是展開全景圖成圖后需要保證表面圖像的幾何特征的不變形,如面積與真實面積相同,表面平行或垂直線條在拼接后仍能保持平行和垂直。三維重建能恢復出實際場景的空間點云以及相片拍攝時相機的內參以及外參。利用重建出的三維點云確定一個合適的投影面,對相片進行幾何矯正,就能將多視點的圖像拼接問題簡化為非常成熟的平面拼接問題[10]。

具體操作步驟為:在圖像展開拼接軟件Bamboo中先構建隧洞設計曲面,構建時使用隧道設計斷面作為流線,讓其沿隧道設計平縱線進行掃掠,進而可得到隧道設計曲面。其原理如圖8所示。然后將三維重建曲面模型和照片數據導入Bamboo軟件中,以設計曲面模型為矯正模型,對圖像矯正和拼接生成隧洞全景展開圖。

圖8 設計輪廓構建方法原理

3 現場應用

為驗證基于圖像三維重建的超欠挖檢測方法應用于引水隧洞的可行性,選取犬木塘水庫大山嶺隧洞作為試驗對象,試驗有效段選取大山嶺隧洞控制段里程為ZG8+617.6—ZG8+571.1,實測段洞身圍巖為Ⅳ類圍巖,支護類型為C型,巖體為灰巖夾砂巖。采用數碼相機對試驗段循環開挖后毛洞連續拍攝,進行圖像數據采集,見圖9。

圖9 使用單反相機環拍

將各循環段拍攝照片分別導入metashape,進行三維重建以獲得圖像空間信息。利用metashape軟件構建實測輪廓,再通過圖像展開拼接軟件Bamboo構建設計輪廓,通過網格射線法對實測輪廓與設計輪廓進行空間比較分析,從而得到隧道開挖后全面的凈空檢測結果。該技術可直接獲得拍攝段各進尺段各部位的整體超欠挖情況、超欠挖值、超欠挖面積及超欠挖體積量等信息,并經過工程試驗段現場驗證,其超欠挖檢測結果與真實數據誤差為-1.16%左右[15]。應用該方法對犬木塘水庫大山嶺隧洞Ⅳ類圍巖ZG8+614.6—ZG8+580.0段經曲面比較后超欠挖云圖見圖10,ZG8+611.2斷面超欠挖示意圖見圖11。

圖10 ZG8+614.6—ZG8+580.0段曲面比較結果

圖11 ZG8+611.2斷面超欠挖示意圖

應用圖像拼接技術對大山嶺隧洞ZG8+614.6—ZG8+609.6段拍攝的洞壁和掌子面的照片進行矯正拼接,得到掌子面地質展示圖和區間洞壁展開圖分別見圖12(a)和圖13,并可通過圖形處理軟件基于掌子面地質展開圖進行節理素描(見圖12(b)),顯然可見該方法比現有的隧道地質攝影編錄方法的現場拍攝靈活性更大、效率更高,展示效果更好,能為隧道施工設計提供更加直觀的參考。

圖12 大山嶺隧洞ZG8+609.6掌子面地質展開圖及節理素描

圖13 大山嶺隧洞ZG8+614.6—ZG8+609.6段洞壁展開圖

4 結 論

(1) 本研究利用計算機視覺技術中的三維重建、三維曲面估計和圖像拼接技術,應用了一種快速、靈活的引水隧洞圍巖超欠挖檢測和地質展開圖構建的方法,闡述了通過數據采集、點云三維重建、曲面重建等措施建立隧洞開挖輪廓模型的流程。

(2) 基于對隧洞開挖輪廓模型的三維重建,與設計曲面模型比對,可實現對洞室圍巖開挖超欠挖量的精確測量。在此基礎上提出了利用特定圖像拼接軟件進行圖像矯正拼接實現地質全景展開圖的構建方法。

(3) 對在建的犬木塘水庫大山嶺隧洞工程試驗段進行連續的超欠挖檢測應用,應用結果表明:該方法可在不干擾施工條件下實現隧洞超欠挖的精確測量,克服了傳統方法效率低、造價高、操作復雜等問題,利用自動化圖像拼接技術得到的地質展開圖提高了展示圖的效果和效率,證明了其在小斷面引水隧洞工程的可行性。

本研究基于圖像三維重建技術實現了對小斷面引水隧洞超欠挖的精準快速檢測,具有廣闊的應用前景,但該技術目前仍然存在一定的局限性,一方面本技術的圖像采集方法仍偏重于人工手段,另一方面對于海量影像數據的后處理手段較單一且自動化水平一般,仍需進一步開展相關研究。