沙特NEOM隧道項目3D掃描斷面監測關鍵技術研究*

張 健

(中國鐵建國際集團有限公司,北京 100039)

0 引言

近年來,高性能全站儀在隧道施工自動化斷面掃描與結構變形監測方面得到了廣泛應用,已成為目前應用最普遍的斷面監測方法[1]。但受制于只能進行單點測量、以點代面的局限性,全站儀在監測效率和監測質量方面存在明顯的技術瓶頸[2]。在采用挪威法施工的隧道中,由于爆破面和噴混面凹凸不平,利用全站儀進行斷面掃描時很難全面反映斷面的幾何與變形特征[3]。

隨著3D激光掃描技術近年來的不斷發展,目前該技術已經與BIM技術結合在建筑工程領域得到了廣泛應用[4]。在挪威法隧道施工領域,如何快速對點云數據進行斷面分析是爆破設計、臺車鉆孔、超欠挖處理、噴混厚度控制、斷面侵限判定、圍巖支護等一系列工作的原則和基礎[5]。

沙特NEOM隧道支洞項目為中國企業進軍沙特NEOM新城的首批項目,該項目施工技術標準高、工期緊、爆破難度大,對隧道斷面監測的精度與質量提出了較高要求。針對海外項目在施工標準與管理流程方面的不同要求,本文基于挪威法隧道施工工藝特點,建立了一整套高精度3D激光掃描儀進行斷面數據采集、點云生成與斷面數據分析的方法體系,從而可以快速得到隧道施工各階段任意點位的幾何信息。通過與全站儀斷面掃描數據的對比分析進行精度驗證,結合現場施工順序進行流程優化,從而可以精確掌握隧道輪廓的三維信息[6]。經過工程項目的實際檢驗,本文所建立的3D激光斷面掃描方法可取代全站儀法。

1 工程概況

1.1 項目概況

2022年7月25日,沙特政府宣布“The Line”未來新城市計劃,打造NEOM新城。“The Line”項目是一個名副其實的線性城市,全長接近170km,僅有200m寬,建筑物高度超過500m,由兩個平行的墻狀摩天樓構成,中間為開放的空間,外側由鏡面幕墻包裹。內部包含住宅區、商業區、辦公區、學校和公園等,可容納900萬人,高速鐵路和貨運鐵路將貫通整個巨構城市,從城市的一端抵達另一端用時不超過20min。NEOM隧道主線項目包括兩條并行的高速客運鐵路隧道和重型貨運鐵路隧道,單線長度為28.3km。作為主線隧道的先導工程,NEOM隧道支洞項目由中國鐵建國際集團承建,于2021年7月開工建設。

本項目包括6條支洞,總長度8 415m,設計為馬蹄形斷面,斷面尺寸為11.69m×8.62m,采用挪威法工藝,鉆爆法施工。隧道埋深約20～380m,洞身地層主要為元古代花崗巖和寒武系砂巖。

1.2 開挖支護工序分析

根據挪威巖土工程研究所的Q值法將圍巖支護類型分為AD1～AD5幾個等級,單個循環進尺1～5m。其中最常見的AD1～AD3無仰拱,采用全斷面爆破開挖法,單個爆破循環進尺3～5m,主要采用噴射混凝土加注漿錨桿進行支護,混凝土噴射厚度為50～100mm。采用超前地質鉆孔輔以超前地質預報(TSP)方式進行地質預測。每次爆破開挖的單循環時間為20h左右,爆破開挖與支護工序如圖1所示。

圖1 開挖支護工序Fig.1 Excavation and support process

1.3 斷面掃描規范要求

本項目規范要求在爆破處理完超欠挖后、混凝土初噴后和復噴后進行斷面掃描,分別得到開挖輪廓線(E)、初噴輪廓線(P1)和復噴輪廓線(P2),由業主提供控制輪廓線(A)。

初噴和復噴后的斷面掃描報告需及時向監理提交審批,分別作為能否進入下一道工序的依據。規范要求每個掃描斷面的間距不超過1m,每個斷面中監測點的距離不超過500mm。

2 3D掃描隧道監測總體方案

2.1 監測的主要目標

1)E線與A線的斷面對比 可得知超欠挖情況。規范要求每側超挖不得大于500mm,左右兩側超挖量不得大于1 000mm。

2)P1線與E線的斷面對比 可得知初噴厚度。規范中,比較常見的AD2和AD3支護類型初噴厚度不低于50mm。

3)P2線與A線的斷面對比 可判定復噴后是否侵限。規范中,AD2支護類型的預留收斂變形量為25mm,AD3為35mm。因此,在考慮超噴誤差和后期收斂變形后,AD2支護類型P2線與A線的距離應不得小于50mm,AD3不得小于60mm。

4)P2線與E線的斷面對比 可判定復噴后混凝土總厚度是否滿足要求。規范中,比較常見的AD2支護類型混凝土復噴后總厚度不得低于75mm,AD3不得低于100mm,超噴誤差為25mm。

5)點云模型與BIM模型對比 可判定實際模型與設計模型是否相符。

2.2 監測所用的主要軟硬件

利用3D掃描進行監測所用到的主要硬件為掃描儀和計算機,軟件主要為MAGNET-Collage,Revit,Amberg Tunnel和Navisworks,具體如表1所示。

表1 主要軟硬件及作用Table 1 Main software and hardware and their functions

2.3 監測流程

1)處理完超欠挖后進洞進行E線掃描。

2)初噴后進行P1線掃描。

3)對E線和P1線掃描數據進行內業處理,生成E線與A線的斷面對比報告、P1線與E線的斷面對比報告,并提交監理進行審批。

4)復噴后進行P2線掃描。

5)對P2線掃描數據進行內業處理,生成P2線與A線的斷面對比報告、P2線與E線的斷面對比報告,并提交監理進行審批。

6)將3D掃描監測數據與全站儀測量數據進行對比,以相互驗證可靠性。

7)對點云模型與BIM模型進行整合與三維可視化分析。

3 掃描數據采集與處理流程

3.1 掃描數據采集的方法與流程

選用Topcon GLS-2000型高精度掃描儀,該掃描儀100m內三維位置誤差僅為1mm,角精度達到6″。當測距為10m時的點密度最高可達3.1mm,掃描精度與速度可滿足本項目要求。

因隧道內工作環境復雜,無法在掃描儀放置的地面預先建立坐標控制點,因此難以采用后視法建站。同時,后方交匯法需要在掃描儀中現場錄入后視點坐標,會增加現場數據采集時間從而造成關鍵路徑工期的延長。因此,經多次試驗后,最終選用了現場識別標靶后內業錄入標靶坐標的配準方式。

外業數據采集時,需借助全站儀獲取標靶坐標。全站儀與掌子面的距離應比掃描儀與掌子面的距離稍遠,或架設在側方位置,以避免掃描儀在數據采集時全站儀遮擋待測區域。為了避免個別標靶無法識別或誤差過大,標靶以設置4～6個為宜,為了提高后續配準精度,標靶應盡量布置在不同平面上,且標靶中心不應位于一條直線。使用全站儀對標靶的三維坐標進行測量,以用于后續配準時建立點云的空間坐標系統。掃描儀和標靶在隧道中的空間布置如圖2所示。

圖2 掃描儀與標靶布置(俯視)Fig.2 Scanner and targets arrangement (top view)

掃描前,需對掃描儀的各項掃描參數進行配置,打開傾角補償儀進行精確調平以提高掃描質量[7]?；趻呙鑼ο?、距離和精度要求,選取掃描精度為10m處采樣密度12.5mm,所需掃描時間僅為1min50s。

3.2 掃描數據處理的方法與流程

運用MAGNET-Collage可對掃描數據依次進行處理、配準、生成點云、裁剪和導出等[7]。只有經過以上一系列處理后才可得到點云數據導入斷面分析軟件和Navisworks中使用。

1)處理(processscan)

數據處理的主要目的為生成點云并運用各種過濾器提高單個掃描的成像質量[8]。勾選“Colorize Scan from Images”選項對掃描點進行著色。可對生成的點云密度和點云范圍進行適當調整,同時可選擇邊緣噪點和表面平滑過濾器進一步提高點云質量。

2)配準(registration)

將全站儀測得的標靶三維坐標以.csv格式導入后作為控制點,選用“Target Registration &Georeferencing”方式對點云進行配準[9]。將控制點與點云數據中自動識別的標靶進行逐一配對,從而將控制點的真實坐標賦予標靶,以建立整個點云的三維空間坐標系。配準后可以生成誤差報告,從而可以將誤差較大的標靶進行刪除,以進一步提升配準精度。某循環P1點云配準誤差報告如表2所示,根據此報告的結果,可判斷標靶3的誤差最大,因此可將此標靶刪除后重新配準。

表2 配準誤差報告Table 2 Registration error report mm

3.3 點云的裁剪與導出

可在MAGNET-Collage選中不需要的點云進行刪除,以降低導出文件的大小。導出的點云文件可以為多種數據格式。

4 掃描斷面分析與報告生成

4.1 錄入設計曲線與理論斷面

在Amberg Tunnel 中搭建數據結構,新建項目文件為“NEOM隧道支洞項目”,將“工點”設置為單個支洞,“隧道單洞掘進”設置為單個爆破循環,確保項目所有斷面信息可以清晰地進行歸納和分析。

在“中線”目錄中輸入設計平曲線和豎曲線;在“設計”目錄中分別建立E,P1和P2 3個施工階段,并分別錄入理論斷面和理論區間,由開始掘進樁號和結束掘進里程所確定的理論區間需包含本輪爆破進尺所在的里程。理論斷面錄入后如圖3所示。

圖3 理論斷面錄入Fig.3 Theoretical section input

在“測量數據”目錄下將E,P1和P2的點云數據分別導入,利用平面過濾功能刪除多余的里程點云,如圖4所示。

圖4 點云過濾Fig.4 Point cloud filtering

4.2 點云分析

在“分析”目錄下新增點云分析,分別對E線、P1線和P2線點云的響應掘進里程進行處理,得到點云三維視圖和斷面視圖如圖5所示。在點云三維視圖可以用不同的顏色表示出點云數據與理論斷面的差值。同時,還可在此修改點云取樣的分辨率,同時利用剪切線和剪切角功能對點云進行再次過濾。

圖5 點云三維視圖與斷面視圖Fig.5 Point cloud 3D view and section view

4.3 斷面分析

點云分析后選擇起止里程,按照1m間隔的方式導出斷面,根據需要可以選擇按照固定點數或固定間距的方式對同一斷面內的數據進行再次過濾。

在“分析”目錄下分別對“E VS A”“E VS P1”“P2VS A”“E VS P2”進行斷面分析,生成相應的斷面分析報告,具體如圖6所示。對超欠挖情況進行著色,并可對超過一定限值的超欠挖數值進行著色標注。斷面中的每個測點都可得到掘進里程、水平偏移量、豎直偏移量和三維坐標。

圖6 斷面分析報告Fig.6 Section analysis report

5 監測數據對比分析

5.1 掃描儀與全站儀數據對比分析

以4號洞第117個循環(里程570m)的監測數據為例,對掃描儀和全站儀的監測數據進行對比分析,具體如圖7所示。由圖7可知,兩者的數據整體趨勢相同,數據最大差值不超過15%,平均差值達到5%以內,從而進一步驗證了掃描儀監測數據的可靠性。同時,通過數據對比分析可知,掃描儀監測數據更為全面,比全站儀可反映更多斷面細節。

圖7 掃描儀與全站儀監測數據對比分析(單位:m)Fig.7 Comparison of data between scanner and total station(unit:m)

5.2 實測點云數據與設計模型數據對比分析

將由MAGNET-Collage導出的.RCP格式點云文件導入到Navisworks中,與由Revit建立的設計模型進行對比分析,可直觀判斷超限區域,并在三維模型中任意測量超限值,具體如圖8所示。

圖8 點云與BIM模型對比Fig.8 Comparison of point cloud and BIM model

5.3 監測結果評價

利用全站儀和掃描儀同時進行斷面掃描,經過10個循環的對比后,每個循環中掃描儀可以比全站儀平均節省時間30min,并且可以對任意點位進行無接觸式監測,監測效率和監測質量更高。

6 結語

通過在沙特NEOM隧道支洞項目中應用高精度3D掃描技術進行斷面監測,可以得到以下結論。

1)高精度3D掃描在隧道斷面監測中的應用具有足夠的可行性和可靠性。其監測精度較高,可完全滿足挪威法隧道施工的質量控制要求。

2)在挪威法隧道施工中,高精度3D掃描可監測任意點位的斷面信息,形成的點云數據能夠可視化展示和數字化存儲,比傳統監測方法更加高效便捷。

3)3D掃描隧道斷面監測技術應選用合適的軟硬件,制定科學的監測方案和數據對比方法。

4)高精度3D掃描與BIM技術結合運用,在施工質量控制方面具有廣闊的應用前景。

隨著3D掃描與BIM技術的不斷推廣,今后高精度3D掃描不僅會在隧道施工中得到更加廣泛的應用,更會推動整個建筑業施工質量與技術水平的發展[10]。沙特NEOM隧道支洞項目對3D掃描在斷面監測中的探索和創新,不僅有力保證了項目的順利實施,更為今后同類項目的順利實施積累了寶貴經驗。