陳 柱 商長君 楊建超 陳昊喆 凌 鵬 解 勇

(1.中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006; 2.成都天佑智隧科技有限公司,成都 610031)

隨著我國交通事業(yè)快速發(fā)展,隧道開挖的安全性越來越受關(guān)注和重視,隧道施工階段的變形監(jiān)測環(huán)節(jié)顯得尤為重要。已有學(xué)者對復(fù)雜圍巖變形等地質(zhì)隧道施工監(jiān)測中常用的監(jiān)測技術(shù)手段進行研究:許子揚等認(rèn)為測量機器人自動化水平高、操作較為簡單、精度高,但存在受制于監(jiān)測斷面間距,難以反映相鄰斷面間地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形情況[1];劉紹堂等也指出測量機器人在隧道自動變形監(jiān)測的應(yīng)用雖然已經(jīng)進入實用階段,但由于成本和功能的局限,其大規(guī)模的廣泛應(yīng)用還需進一步研究[2];楊松林等認(rèn)為,傳統(tǒng)圍巖變形監(jiān)測采用鋼尺收斂計接觸量測,與施工相互干擾,且人為因素對量測精度影響較大[3];沈?qū)幍仍谒淼蓝幢谏下裨O(shè)固定點,利用全站儀、水平儀、收斂儀等對其測量,從而得到幾何變形情況[4]。不難看出,傳統(tǒng)方法在監(jiān)測前需要設(shè)置測點,會導(dǎo)致監(jiān)測初始值獲取時間較晚。且監(jiān)測斷面間距較大(5～10m),不能全面反映施工期隧道全斷面變形情況。另外,在隧道監(jiān)控預(yù)警方面,特殊隧道常出現(xiàn)假預(yù)警頻發(fā)問題,無法有效指導(dǎo)隧道施工[5-6]。

三維可視化激光掃描技術(shù)突破傳統(tǒng)監(jiān)控量測單點式測量的局限性,具有效率高、非接觸式、高精度、全息化等特點[7-8]。以彌勒至楚雄國家高速公路玉溪至楚雄段勘察試驗段項目齊云隧道作為試點,通過對比三維激光掃描儀與全站儀兩種監(jiān)測方式在該隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢,驗證全息變形監(jiān)測技術(shù)的可靠性。結(jié)合隧道實際情況,在監(jiān)測預(yù)警方面引入加速度及變形速率的預(yù)警方式,完善監(jiān)控量測預(yù)警體系,有效指導(dǎo)隧道開挖施工。

1 三維可視化激光掃描技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)獲取原理

三維激光掃描儀的核心技術(shù)主要是激光測距技術(shù),可分為相位測距法、脈沖測距法、激光三角法、脈沖-相位式測距法4種類型[9]。

其中,脈沖測距法的基本原理是,三維激光掃描儀利用其內(nèi)的激光脈沖發(fā)射器發(fā)射激光到被測物體表面,然后通過探測器接收激光反射回來的信號,利用激光來回時間來計算儀器到被測物的距離[10]。

三維激光掃描儀獲得點云距離S后,內(nèi)置的鐘編碼器會在同一時間測出每條脈沖的水平角θ,豎直角φ,通過相應(yīng)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式,就可以得到掃描點云相對掃描儀的三維坐標(biāo)[11],見圖1。

圖1 點云空間位置坐標(biāo)

1.2 全息變形監(jiān)測外業(yè)操作

在隧道內(nèi)使用三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時,首先架設(shè)標(biāo)靶并對中整平掃描儀、全站儀,然后使用三維激光掃描儀對設(shè)置的標(biāo)靶進行掃描,并對隧道進行全景掃描。采集得到已施作完成初期支護結(jié)構(gòu)的三維點云數(shù)據(jù),然后將其轉(zhuǎn)化到大地坐標(biāo)系中。利用三維建模軟件建立基于現(xiàn)場支護結(jié)構(gòu)的三維模型。

在進行全息變形監(jiān)測掃描工作時,由于初期支護表面平整度較差,同時點云數(shù)據(jù)容易受到入射角的影響,掃描工作中每次放置儀器的位置應(yīng)基本保持一致。全息變形監(jiān)測外業(yè)操作流程見圖2。

圖2 掃描儀外業(yè)工作流程

1.3 數(shù)據(jù)后處理原理

完成外業(yè)采集后,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也是三維激光掃描技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。通過TK-PCAS軟件可以自動化快速處理大批量的三維點云測量數(shù)據(jù),并生成精確的定量分析報告與三維可視化模型,多次作業(yè)還可實現(xiàn)斷面沉降、收斂監(jiān)測。

TK-PCAS全息變形監(jiān)測模塊分為線路管理、橫斷面管理、工程坐標(biāo)注冊、截取分析里程等。其中線路與橫斷面管理主要作用是對橫縱斷面進行三維建模。工程坐標(biāo)傳遞是進行點云絕對定位的關(guān)鍵,通過輸入若干個已知物體的絕對坐標(biāo)建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的矩陣關(guān)系,從而將外業(yè)采集的相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為需要的絕對坐標(biāo)。內(nèi)業(yè)工作流程見圖3。

圖3 全息變形監(jiān)測內(nèi)業(yè)流程

參考《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[12],本次全息變形監(jiān)測項目為凈空變形監(jiān)測、下沉監(jiān)測。

量測頻率根據(jù)三維激光掃描儀測站距開挖面距離確定(見表1),出現(xiàn)異常情況時應(yīng)增大監(jiān)控量測頻率。

表1 監(jiān)測頻率

1.4 技術(shù)指標(biāo)和使用要求

為保證隧道三維激光可視化掃描全息變形監(jiān)測工作質(zhì)量,三維激光掃描儀的測距最低精度以及全站儀測角精度和坐標(biāo)最低精度見表2。

2 工程實例

2.1 工程概況

齊云隧道為玉(溪)楚(雄)高速公路勘察試驗段中的一座特長隧道,全長4.53km,雙線六車道,設(shè)計速度100km/h。隧道單幅開挖斷面最大為168m2。隧道穿越斷層帶,圍巖軟弱,具有大變形特質(zhì),被地質(zhì)專家稱為“見水就軟、遇風(fēng)就散”,存在開挖坍塌、涌水突泥以及大變形坍塌等風(fēng)險。設(shè)計圍巖級別為Ⅳ級～Ⅴ級,在初步設(shè)計階段安全風(fēng)險評估中,將隧道坍塌、大變形評估為Ⅲ級安全風(fēng)險項目。

施工進口段圍巖級別為Ⅳ3,襯砌類型為Ⅴb,圍巖為淺灰色泥質(zhì)砂巖,中風(fēng)化,裂隙發(fā)育,巖體破碎-較破碎,層間結(jié)合差,開挖時呈雨狀出水。進口段采用三臺階方式開挖,在施工過程中持續(xù)發(fā)生較大變形。初期支護開裂,工字鋼壓潰,二襯底板開裂隆起,邊墻混凝土壓潰,表現(xiàn)出大變形特征(見圖4),原設(shè)計采用“強支硬頂+預(yù)留較大變形量”的支護方案。

圖4 齊云隧道大變形

隧道大變形相關(guān)病害發(fā)生后,采取大剛度、強支護的方案進行治理,使得施工成本激增、進度減慢。之后轉(zhuǎn)變支護理念,采用柔性支護方案。首先選取監(jiān)測斷面,并采用三維激光全息變形監(jiān)測新手段開展隧道監(jiān)測。并且得到的有效監(jiān)測數(shù)據(jù)作為依據(jù),施作試驗段。

2.2 監(jiān)測方案設(shè)計

在云南玉楚高速公路齊云隧道進口段,采用全息變形監(jiān)測以及傳統(tǒng)監(jiān)控量測2種監(jiān)測方式進行對比分析。

隧道工程監(jiān)測時,首先應(yīng)對隧道地質(zhì)信息、施工情況等進行綜合分析。還需要結(jié)合理論研究和相關(guān)經(jīng)驗,確立隧道監(jiān)測方案;同時,在斷面尺寸變化地段應(yīng)增設(shè)代表性觀測斷面,在隧道代表性地段(代表性圍巖類別、斷層帶附近、大變形地段)圍巖中設(shè)置多點位移計監(jiān)測斷面等相應(yīng)原則[13]。

在測試段落,按照圖5的位置安裝變形監(jiān)測的測點,隧道中一般采用反光片作為監(jiān)控量測的標(biāo)靶。隧道采用三臺階方式開挖,除拱頂沉降監(jiān)測,根據(jù)開挖步驟,分別在拱腰、拱腳及邊墻處設(shè)置收斂測線。監(jiān)控量測斷面間距按表3的要求布置。通過三維激光掃描技術(shù),可以獲得隧道每一處的變形量。在TK-PCAS中,可以查看云圖中任意位置變形情況。為與傳統(tǒng)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,選擇與圖5中監(jiān)測點位相同的位置導(dǎo)出變形曲線。

圖5 拱頂下沉及周邊位移測點布置示意

表3 必測項目監(jiān)控量測斷面間距

3 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測儀器采用Trimble SX-10掃描儀,掃描場景見圖6,測角精度1″,測距精度±(1mm+1.5ppm×D),其中,D為測距邊長。監(jiān)測隧道為齊云隧道右幅,監(jiān)測里程段為DK33+448～DK33+452。

圖6 現(xiàn)場掃描場景

在TK-PCAS中得到的沉降與收斂點云展開見圖7。橫坐標(biāo)為里程,縱坐標(biāo)為將隧道斷面展開的相應(yīng)坐標(biāo)。0為拱頂位置,兩側(cè)數(shù)值代表斷面展開圖上點云到拱頂?shù)木嚯x。其中,豎軸正負(fù)號代表監(jiān)測斷面展開圖上隧道兩側(cè)點云到拱頂?shù)姆较蚣?“+”號為隧道右側(cè),“-”號為隧道左側(cè)。從沉降云圖可以看出,黃色表示拱頂隆起,藍(lán)色表示拱頂下沉。整個斷面在相對下沉的同時也在進行整體沉降;從收斂云圖可以看出,黃色表示是隧道逐漸向外收斂,藍(lán)色表示逐漸向內(nèi)收斂。整個斷面拱頂收斂較小,兩側(cè)收斂較大。軟件中點擊任意位置,即可顯示該位置處的沉降數(shù)據(jù)或者收斂數(shù)據(jù);變形云圖可以快速反映掃描范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)變形情況。

圖7 沉降(左)與收斂(右)點云展開

3.1 拱頂沉降

以上臺階拱頂?shù)奶卣鼽c為例,通過TK-PCAS處理得到其收斂與沉降規(guī)律,見圖8,通過回歸分析可以在一定程度上預(yù)測變形。

圖8 拱頂處沉降及回歸分析

拱頂最大沉降累計值為34.6mm,最大沉降速度發(fā)生在5月23日到5月24日,最大沉降速度為8mm/d,說明圍巖并不穩(wěn)定,判斷是由于隧道開挖產(chǎn)生的擾動,造成變形量增大。

3.2 拱腰收斂

以上臺階拱腰的特征點為例,通過TK-PCAS處理得到其收斂規(guī)律(見圖9)。

圖9 拱腰處水平位移及回歸分析

對于拱腰的水平收斂,共監(jiān)測21d,總共20次數(shù)據(jù)。最大收斂累計值為30.4mm,最大收斂發(fā)生在5月23日到5月24日,最大收斂速度為5.5mm/d,受開挖施工影響,收斂值有上升趨勢并在6月5日前后有波動式變化。

由回歸分析可知,前期監(jiān)測值有波動變化,后期已基本趨于穩(wěn)定?；谶@種情況,在隧道拱部初期支護完成后,拱頂下沉和拱腰位移觀測值呈線性變化,說明隧道圍巖內(nèi)部應(yīng)力處于調(diào)整期,應(yīng)加強監(jiān)測,監(jiān)測頻率宜控制在(1～2次)/d。

3.3 拱腳收斂

以中臺階的特征點為例,通過TK-PCAS處理得到其收斂規(guī)律變化結(jié)果:拱腳的水平收斂,監(jiān)測從5月25日到6月11日,共18d/14次數(shù)據(jù)。最大收斂累計值為39.6mm,日最大收斂發(fā)生在5月26日到5月27日,最大收斂速度為7.5mm/d,見圖10。

圖10 拱腳水平收斂

由圖10可知,由于中臺階開挖施工導(dǎo)致收斂變形速度上升,拱腳收斂累計曲線在6月9日至監(jiān)測結(jié)束,有下降趨勢。表明中臺階施工完成后,圍巖變形逐步趨于穩(wěn)定。

3.4 邊墻收斂

以下臺階邊墻的特征點為例,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)處理得到以下結(jié)果:監(jiān)測從6月5日到6月11日(共7d,總共14次數(shù)據(jù)),至今最大收斂累計值為15.3mm,最大收斂發(fā)生在6月6日到6月7日,最大收斂速度為5.5mm/d,見圖11。

圖11 邊墻水平收斂

收斂累計值、收斂速度在下臺階開挖時有明顯上升,監(jiān)測后期收斂速度處于平穩(wěn)發(fā)展。說明下臺階邊墻受施工擾動影響,前期開挖上升,后期開挖工序結(jié)束趨于平穩(wěn),屬于正常變形狀態(tài)。

3.5 對比分析

為驗證三維可視化激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測中的可行性,采用全站儀對K33+450斷面進行拱頂沉降與邊墻收斂監(jiān)測(見圖12)。截至到6月11日,全站儀監(jiān)測的拱頂最大累計沉降為28mm,小于掃描儀監(jiān)測的30mm。5月24日進行中臺階的開挖,沉降速率發(fā)生突變,判斷由于開挖施工擾動造成。初支施作完成后,全站儀測量的數(shù)據(jù)較掃描儀測量的數(shù)據(jù)少2mm,之后兩種不同的測量方式監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。

圖12 拱頂沉降數(shù)據(jù)對比

截至6月11日,全站儀監(jiān)測的拱腳最大累計收斂為36mm,小于掃描儀監(jiān)測的39.1mm。整體變形趨勢基本一致,下臺階開挖時間段(6月3日前后),兩種不同監(jiān)測方式監(jiān)測的數(shù)據(jù)均發(fā)生一定的偏移(見圖13)。

圖13 拱腳收斂數(shù)據(jù)對比

通過后期分析和自查,兩者數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異偏移的時間分別為中臺階開挖與下臺階開挖,由于開挖完成后噴射混凝土?xí)斐梢延谐踔Ъ雍?導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)差異。需要及時記錄噴射混凝土的量來計算預(yù)估厚度,后期及時修正監(jiān)測結(jié)果,以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4 全息變形監(jiān)測預(yù)警

4.1 加速度及變形速率預(yù)警

預(yù)警方法在監(jiān)控量測中扮演著重要的角色。一方面,不同的預(yù)警指標(biāo)表征圍巖變形的不同特性,比如變形量表征圍巖從開始變形到某個時間節(jié)點的累積變形,變形速率表征圍巖變形的快慢;另一方面,預(yù)警指標(biāo)的量值大小表征圍巖變形所處的狀態(tài),如加速度的大小表明圍巖變形是否處于加速階段[14]。

三維激光全息變形監(jiān)測結(jié)果是基于變形“紅、黃、綠”三色預(yù)警體系,再結(jié)合加速度及變形速率進行監(jiān)測預(yù)警[15]。

變形加速度及變形速率預(yù)警的基本定義為:假定第i天累計變形為ui,則第i天的變形速度為vi,加速度為ai;第j天累計變形為uj,則第j天變形速度為vj,有

(1)加速度ai為負(fù),表明變形逐漸變緩,故變形暫時正常,為綠色警情;當(dāng)變形速度vi大于2倍或以上,空間速率控制標(biāo)準(zhǔn),若存在侵限則為紅色預(yù)警;反之可考慮預(yù)警等級降一級(為黃色預(yù)警)。

(2)加速度ai為正,表明變形逐漸加快,這時需結(jié)合變形速度vi綜合考慮,當(dāng)變形速度vi大于2倍或以上空間速率控制標(biāo)準(zhǔn),為紅色預(yù)警;小于對應(yīng)空間速率控制標(biāo)準(zhǔn),為綠色警情。

(3)其他措施為黃色預(yù)警。

預(yù)警體系流程見圖14。

圖14 基于變形加速度的支護安全性評估流程

5月24日中臺階開挖后,拱頂沉降在5月25日變形速度加快,中臺階支護完成后沉降速度減緩;6月2日下臺階開挖后存在施工擾動,拱頂沉降在6月3日變形速度略有增加,支護完成后沉降速度減小。

拱腳收斂在中臺階開挖后,5月27日收斂速度有一個較大增幅,后收斂速度趨于穩(wěn)定;6月2日下臺階開挖后,收斂速度有一個較小的加快,后收斂速度逐漸減小。

拱頂、拱腳變形速度增加多與施工開挖擾動有關(guān),開挖完成后速度處于減緩平穩(wěn),屬于正常變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)(見圖15、圖16)。

圖15 拱頂沉降速度與加速度時程曲線

圖16 拱腳收斂速度與加速度時程曲線

由圖15、圖16可以看出,拱頂沉降與拱腳收斂在監(jiān)測過程中基本處于綠色正常狀態(tài),僅拱頂沉降在5月25日出現(xiàn)黃色預(yù)警。

4.2 預(yù)警對比

玉楚高速齊云隧道變形總量預(yù)警等級和變形速率預(yù)警等級見表4、表5。

表4 變形總量預(yù)警等級 mm

表5 變形速率預(yù)警等級 mm/d

加速度預(yù)警與變形總量、變形速率預(yù)警相比,由于隧道變形較小,除拱頂沉降在5月25日速度加速度預(yù)警和變形速率預(yù)警出現(xiàn)黃色預(yù)警外,其余監(jiān)測時段均為綠色預(yù)警。

通過分析預(yù)警的方式以及結(jié)合現(xiàn)場之前的監(jiān)測預(yù)警結(jié)果,變形總量預(yù)警在變形累計值較大后會出現(xiàn)預(yù)警且預(yù)警無法消除。先期隨著施工過程中開挖工序的進行,隧道變形呈現(xiàn)先快后慢的變形趨勢,先期變形速率較快的時段隧道速率預(yù)警可能經(jīng)常出現(xiàn)“假警”。但在隧道變形速率的基礎(chǔ)上引入加速度控制標(biāo)準(zhǔn),通過加速度來分辨隧道變形的情況,加速度為正時說明隧道變形速度正在加快,需加強隧道的變形監(jiān)測,加速度為負(fù)時說明隧道變形正在減速,雖然仍有變形速率較快的情況出現(xiàn),但考慮變形速率逐漸減小,說明隧道處于安全可控的情況。

因此,在變形速率預(yù)警中引入加速度來進行判斷隧道變形的具體情況,可避免速率預(yù)警中出現(xiàn)的“假警情況”,保障隧道的施工安全。

5 結(jié)論

依托玉楚高速公路齊云隧道施工項目,對三維可視化激光掃描技術(shù)以及其在隧道監(jiān)測中的實際應(yīng)用展開研究。通過與傳統(tǒng)監(jiān)控量測、傳統(tǒng)監(jiān)控預(yù)警方式進行相關(guān)數(shù)據(jù)對比分析得到以下結(jié)論。

(1)三維可視化激光掃描技術(shù)監(jiān)測具有可視化程度高、監(jiān)測數(shù)據(jù)量大等優(yōu)勢。與傳統(tǒng)單點式監(jiān)控量測相比,在隧道縱向與環(huán)向方向上,監(jiān)測信息更全面,能更有效地對施工安全性進行評價,對施工進行指導(dǎo)。

(2)采用三維激光內(nèi)業(yè)處理軟件TK-PCAS進行變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理時,其回歸分析功能對隧道后續(xù)的變形趨勢有一定的預(yù)測作用,可以為后續(xù)施工的開展提供參考。

(3)全站儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)與掃描儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)在量值與發(fā)展趨勢狀態(tài)上基本一致。拱頂沉降監(jiān)測平均差為1.8mm,方差為2.15mm2,拱腳收斂監(jiān)測平均差為2.29mm,方差為2.83mm2,相差較小,變形速率基本一致。說明采用三維可視化激光技術(shù)進行變形監(jiān)測具有可行性。

(4)在掃描成果的基礎(chǔ)上,采用加速度及變形速率的預(yù)警方式,可有效避免在監(jiān)測后期累計量較大時變形總量預(yù)警和變形速率預(yù)警中出現(xiàn)“假警”。在后期觀測中,加速度及變形速率預(yù)警和隧道施工工序擬合效果較好,說明加速度及變形速率預(yù)警體系在隧道變形監(jiān)測預(yù)警中有較好的使用效果。