冷 彪,仇文革,王 剛,張 列

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

隧道施工開挖過程中，為了實時掌握隧道的地質(zhì)狀況，通常會對出露的掌子面、圍巖等進(jìn)行分析。對隧道掌子面而言，隧道開挖過程中形成的掌子面隨地質(zhì)情況不同而不同，其中蘊含的信息量巨大，然而要提取出其中的有用信息并加以分析利用卻并不容易。施工現(xiàn)場受各種因素的制約，通常不允許在施工現(xiàn)場逗留太多時間對隧道掌子面進(jìn)行觀測和分析。另外，受技術(shù)條件限制，很多情況下仍然通過技術(shù)人員，根據(jù)既定的記錄格式，進(jìn)行實錄填寫。如填寫人員無實際經(jīng)驗，往往造成填寫漏項或出現(xiàn)失誤，而導(dǎo)致圍巖分級的判斷不正確或出現(xiàn)失誤。

因此，如何快速、可靠、客觀地取得隧道掌子面地質(zhì)數(shù)據(jù)變得至關(guān)重要。隧道掌子面數(shù)據(jù)主要包含節(jié)理裂隙信息。針對巖體節(jié)理裂隙的自動提取，一些學(xué)者如T.R.Reid、F.Lemy、王衛(wèi)星等人[1-6]基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對巖體節(jié)理裂隙的自動提取算法進(jìn)行了研究。根據(jù)已經(jīng)提取出的節(jié)理裂隙，吳志勇、胡剛等人[7-9]進(jìn)一步分析了能夠用于評價巖體的量化特征參數(shù)。另外，一些學(xué)者[10-13]根據(jù)已經(jīng)提取出巖體節(jié)理裂隙等，研究了建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)字模型的算法。

目前，針對隧道掌子面巖體進(jìn)行的分析評價較為少見，大部分研究都是直接圍繞巖體展開，不具有針對性?；诖?，本論文對利用數(shù)碼相機采集隧道掌子面圖像以及利用圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)處理掌子面圖像進(jìn)行了分析研究，分別從以下幾方面來論述。

2 掌子面圖像采集時間選擇

為了分析整個掌子面的地質(zhì)情況，需要采集完整的掌子面圖像。然而在實際施工過程中，幾乎所有工序都圍繞掌子面展開，很難采集到完整的掌子面圖像。以隧道采用光面爆破開挖為例，圍繞掌子面的施工工序有：掌子面爆破鉆孔→裝藥→爆破→出渣→掌子面排險→放樣→襯砌支護(hù)。其中爆破鉆孔、裝藥、爆破、出渣等工序均有施工人員圍繞掌子面進(jìn)行，且受工程進(jìn)度制約，一般工序安排非常緊湊，使得在這幾道工序之間沒有時間也無法采集完整的掌子面數(shù)字圖像。在掌子面排險完成后至襯砌支護(hù)前這段時間，不會對掌子面進(jìn)行施工。只有此時可以采集到完整的掌子面地質(zhì)圖像。因此，選擇在這段時間內(nèi)在施工單位的配合下，對掌子面進(jìn)行圖像采集。

3 比例尺設(shè)置

在采集隧道掌子面地質(zhì)圖像時，掌子面兩側(cè)靠近邊墻部位各設(shè)置一個標(biāo)記點，用鋼卷尺測量兩標(biāo)記點間的實際距離，如圖1所示。

圖1 隧道掌子面地質(zhì)圖像上兩點間的距離測量

可按下式計算出圖像與實際尺寸的比例

(1)

式中，λ為圖像比例轉(zhuǎn)換系數(shù)，pixel/cm；(x1，y1)、(x2，y2)為隧道掌子面地質(zhì)圖像中兩標(biāo)記點的像素坐標(biāo)；D為施工現(xiàn)場兩標(biāo)記點間的實際距離，cm。

對隧道掌子面上左右邊墻靠近底面部分取近似水平兩點，測量這兩點間的實際距離D。同時，在隧道掌子面圖像中測量這兩點的像素距離d，則此時圖像與實際掌子面比例轉(zhuǎn)換系數(shù)為d/D。

每次隨施工進(jìn)度采集到的掌子面圖像與實際掌子面比例不一定完全相同，為了便于對所有掌子面圖像統(tǒng)一分析，須將所有圖像通過放大或縮小達(dá)到某一給定的比例轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4 掌子面圖像分析

利用圖像處理技術(shù)提取出掌子面圖像中的結(jié)構(gòu)面邊界線，可用于統(tǒng)計分析掌子面特征參數(shù)和生成地質(zhì)素描圖，另外根據(jù)各相鄰掌子面上對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面邊界線，可建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，預(yù)測掌子面前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，計算各結(jié)構(gòu)面的巖層產(chǎn)狀。

4.1 結(jié)構(gòu)面邊界線提取

巖體結(jié)構(gòu)面的成因非常復(fù)雜，加上后期又經(jīng)歷了不同性質(zhì)、不同時期構(gòu)造運動的改造和表生演化，造成了結(jié)構(gòu)面自然特征的千差萬別。在隧道開挖過程中，對巖體結(jié)構(gòu)面的現(xiàn)狀亦即自然特征的研究十分重要。

(1)掌子面圖像預(yù)處理

首先通過常用的圖像處理算法[14]，調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量，達(dá)到圖像增強的目的，如直方圖變換、亮度/對比度調(diào)節(jié)、色相/飽和度調(diào)節(jié)、灰度折線變換等。圖2為隧道掌子面原始圖像，圖3為按式(1)對圖像亮度和對比度調(diào)節(jié)的結(jié)果。其中，圖像亮度增加了39、對比度增加了20。亮度/對比度調(diào)節(jié)按下式進(jìn)行計算

(2)

式中，C表示對比度增加值；B表示圖像亮度增加值；p和P分別表示原始像素灰度值和經(jīng)亮度、對比度調(diào)整后的像素灰度值。

圖2 掌子面原始圖像

圖3 掌子面圖像亮度/對比度調(diào)節(jié)結(jié)果

(2)邊緣檢測及邊界提取

在掌子面圖像中，由巖層層理、節(jié)理、裂隙等形成的結(jié)構(gòu)面通常為脈沖狀或階梯狀邊緣，如圖4、圖5所示。

圖4 脈沖狀邊緣

圖5 階梯狀邊緣

應(yīng)用傳統(tǒng)的Prewitt、Sobel、高斯-拉普拉斯算子等圖像卷積模板對圖像進(jìn)行卷積操作，盡管能夠起到一定邊緣檢測效果，但這些算子主要的特點是對噪聲敏感，邊緣定位精度低。經(jīng)綜合比選，確定采用Canny算子[15，16]，檢測圖像邊緣。

圖6中，所有的白色邊界線并非單像素寬，為了最終提取出里面的邊界線，需要經(jīng)過圖像細(xì)化形成單像素寬邊界，然后采用特定的邊界連接算法[17]查找邊界，并將不連續(xù)的邊界線連接起來，最終提取出結(jié)構(gòu)面邊界，如圖7所示。

圖6 Canny算子邊緣檢測結(jié)果

圖7 邊界提取結(jié)果

在掌子面上，可能存在人工挖掘的痕跡，同時受掌子面附近粉塵較大，拍攝光線較暗淡等因素的影響，使掌子面圖像上可能存在一定的圖像噪聲，影響了結(jié)構(gòu)面邊界的提取，故需要加入一定的人工干預(yù)，使最終得到的邊界線能夠真正與實際的結(jié)構(gòu)面邊界相吻合。

4.2 地質(zhì)素描

在地質(zhì)素描中，通常會包含節(jié)理組數(shù)、平均裂隙間距、產(chǎn)狀、地質(zhì)素描圖等信息。若在施工現(xiàn)場對掌子面直接量測，則將耗費許多的人力、物力，且危險性較大。而利用掌子面圖像量測則非常容易。

(1)節(jié)理組數(shù)：指組成交叉節(jié)理系統(tǒng)的節(jié)理組數(shù)目。將產(chǎn)狀大致相同的節(jié)理劃分為一組。根據(jù)對實際隧道掌子面上節(jié)理的分析，將視傾角之差小于10°的節(jié)理劃分為一組。

(2)平均裂隙間距：結(jié)構(gòu)面間距指結(jié)構(gòu)面間的垂直距離，通常指一個節(jié)理組的平均的或最常見的間距。結(jié)構(gòu)面間距是反映巖體完整程度和巖石塊體大小的重要指標(biāo)。公式如下

(3)

(3)產(chǎn)狀：利用已測得的位于結(jié)構(gòu)面的三個點的空間坐標(biāo)，計算出結(jié)構(gòu)面的平面方程，進(jìn)而得出平面法線方程，法線與水平面間夾角的余角，即為結(jié)構(gòu)面的傾角；由法線在水平面上的投影向量計算出結(jié)構(gòu)面傾向。

如圖8所示，設(shè)巖層節(jié)理L1和L2分別在兩相鄰掌子面上，且為同一結(jié)構(gòu)面上的對應(yīng)節(jié)理，已知L1的兩端點為A(XA，YA，ZA)、B(XB，YB，ZB)，L2的兩端點為C(XC，YC，ZC)，D(XD，YD，ZD)。建立全局坐標(biāo)系OXYZ，其中X為正東方向，Y指向正北方向，Z軸垂直于水平面指向上方。oxyz為結(jié)構(gòu)面ABDC上的局部坐標(biāo)系，其中y軸在水平面與結(jié)構(gòu)面ABDC的交線上，x軸垂直于y軸且在水平面上。

圖8 結(jié)構(gòu)面傾向、傾角示意

根據(jù)點A、B、C可建立結(jié)構(gòu)面的平面方程

(4)

式(4)經(jīng)變換可得如下方程

aX+bY+cZ+d=0(5)

其中，

則該平面方程的法線N的方向數(shù)為a，b，c，設(shè)結(jié)構(gòu)面的傾向為α，傾角為β，則可以得到如下方程組

(6)

由方程組(6)可計算出該結(jié)構(gòu)面的傾向α和傾角β。

在實際計算時，根據(jù)掌子面在空間中的實際位置對掌子面圖像中的結(jié)構(gòu)面邊界線端點進(jìn)行坐標(biāo)定位，從而計算得到結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角。

(4)地質(zhì)素描圖：利用對掌子面圖像結(jié)構(gòu)面邊界線提取結(jié)果加入一定的人工干預(yù)，可形成掌子面地質(zhì)素描圖，如圖9和圖10所示。

圖9 掌子面原始圖像

圖10 邊界提取后形成的地質(zhì)素描圖

綜合提取出的掌子面特征參數(shù)和地質(zhì)素描圖，加入埋深、地下水狀態(tài)等相關(guān)信息，可形成最終的地質(zhì)素描。

4.3 建立隧道三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

掌子面上通常結(jié)構(gòu)面比較復(fù)雜，可根據(jù)隧道各相鄰掌子面上主要結(jié)構(gòu)面邊界線的對應(yīng)關(guān)系，建立隧道三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，通過模型展示出隧道開挖區(qū)域的巖層結(jié)構(gòu)面，并根據(jù)已知結(jié)構(gòu)面平面向前延伸，可形成掌子面前方未開挖區(qū)域的結(jié)構(gòu)面預(yù)測結(jié)果，如圖11、圖12所示。

圖11 結(jié)構(gòu)面三維示意

圖12 隧道掌子面、結(jié)構(gòu)面及預(yù)測結(jié)果

5 結(jié)論

隧道掌子面上含有大量的地質(zhì)信息，然而要充分利用卻并不容易。論文利用隧道掌子面圖像對掌子面地質(zhì)信息進(jìn)行了初步分析，實現(xiàn)了以下功能：

(1)通過數(shù)字圖像處理技術(shù)自動提取隧道掌子面上的結(jié)構(gòu)面邊界線；

(2)根據(jù)掌子面上的結(jié)構(gòu)面邊界線的統(tǒng)計分析和處理，得到平均裂隙間距、節(jié)理組數(shù)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地質(zhì)素描圖等信息，最終形成地質(zhì)素描；

(3)根據(jù)掌子面上的主要結(jié)構(gòu)面邊界線的對應(yīng)關(guān)系，建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并對地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型前方的結(jié)構(gòu)面分布情況作出預(yù)測。

由于掌子面本身十分復(fù)雜，受地域、施工等因素的影響，掌子面圖像也千差萬別，故利用數(shù)字圖像處理技術(shù)自動提取結(jié)構(gòu)面邊界線難以在各種情況下都達(dá)到理想的結(jié)果，這對后續(xù)地質(zhì)素描和建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型勢必產(chǎn)生影響，故還需要對自動提取結(jié)構(gòu)面邊界線的算法作進(jìn)一步的研究。

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