夏寶前，王列偉，石崢映，黃友群，連捷

（南京派光智慧感知信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019）

1 概述

我國(guó)隧道施工經(jīng)驗(yàn)和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，在圍巖隧道仰拱和下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，受初期支護(hù)尚未閉環(huán)及開(kāi)挖擾動(dòng)等因素影響，較易產(chǎn)生較大沉降或收斂突變，甚至造成關(guān)門(mén)塌方。在建隧道掘進(jìn)方式主要有鉆爆和盾構(gòu)2種。盾構(gòu)方式主要用于地鐵隧道建設(shè)，刀盤(pán)掘進(jìn)、運(yùn)渣、貼管片、鋪設(shè)軌道同時(shí)進(jìn)行，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，成本較高。鐵路隧道鉆爆法建設(shè)，先在掌子面進(jìn)行爆破，爆破后立工字鋼梁并澆筑水泥成為初期支護(hù)；初期支護(hù)區(qū)域的變形速率較大，極易發(fā)生隧道沉降、收斂等病害，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)形變［1-2］。

目前鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)方法包括傳統(tǒng)基于全站儀［3-4］、基于激光測(cè)距［5］和基于三維激光掃描的方法［6-9］等。其中全站儀監(jiān)控量測(cè)方法一般需配合水準(zhǔn)儀、收斂?jī)x等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)隧道的凈空收斂、拱頂沉降等。受采集手段的限制，基于全站儀的隧道監(jiān)控量測(cè)方法存在采集速度慢、采集時(shí)間間隔長(zhǎng)、采集點(diǎn)數(shù)據(jù)量少等缺點(diǎn)，不能全面反映隧道真實(shí)情況等缺陷。許定倫等［5］采用的基于激光測(cè)距的方法是一種自動(dòng)連續(xù)監(jiān)控量測(cè)方法，但基于激光測(cè)距的變形測(cè)量原理僅支持定點(diǎn)結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)的采集。

隨著三維激光掃描儀技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其在精細(xì)三維數(shù)據(jù)建模方面具有數(shù)據(jù)精度高、采集速度快的優(yōu)勢(shì)，已被逐步應(yīng)用到工程測(cè)量的多個(gè)領(lǐng)域。趙麗鳳等［6］將移動(dòng)三維激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，提出一套適用于隧道結(jié)構(gòu)和病害監(jiān)測(cè)的硬件集成方案，研發(fā)一套獲取地下空間結(jié)構(gòu)三維幾何特征的方法。秦炳權(quán)［7］通過(guò)三維激光掃描技術(shù)對(duì)地鐵隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析整體隧道狀態(tài)。目前三維激光測(cè)量法存在設(shè)備成本高、受施工影響較大等問(wèn)題，在鉆爆法施工的隧道中應(yīng)用尚需在結(jié)構(gòu)或硬件方面進(jìn)一步改進(jìn)提升。

通過(guò)上述分析，針對(duì)目前鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)，需研發(fā)一種隧道結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法，能夠方便同時(shí)在運(yùn)營(yíng)隧道和在建隧道中部署，不需在隧道頂部安裝設(shè)備，并能夠?qū)崟r(shí)不中斷地監(jiān)測(cè)隧道全斷面結(jié)構(gòu)形變，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)變形、實(shí)時(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)，在有較大結(jié)構(gòu)變形發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警，且測(cè)量設(shè)備需同時(shí)具備安裝方便、受隧道施工影響小等特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和積累，研究地質(zhì)情況、施工方法、施工參數(shù)等與初支變形間的相關(guān)關(guān)系，為確定變形報(bào)警限值提供參考，可為后續(xù)施工工藝、工法的改進(jìn)及預(yù)留變形量等提供數(shù)據(jù)支撐。

2 隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

針對(duì)傳統(tǒng)在建隧道圍巖變形測(cè)量的確定，設(shè)計(jì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Tunnel Construction Monitoring System，TCMS）。TCMS由監(jiān)測(cè)主站和監(jiān)測(cè)終端組成，通過(guò)將隧道斷面監(jiān)測(cè)終端安裝在掌子面及初期支護(hù)側(cè)壁，在隧道圍巖斷面形成多條完整監(jiān)測(cè)光帶，對(duì)掌子面和側(cè)壁斷面結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在二次襯砌穩(wěn)定區(qū)域側(cè)壁安裝參考監(jiān)測(cè)終端，形成穩(wěn)定的參考點(diǎn)線基準(zhǔn)；通過(guò)在仰拱閉合區(qū)或二次襯砌區(qū)安裝的分析控制主站，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)光帶和參考光帶進(jìn)行非接觸式智能分析和測(cè)量，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖變形的實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)主站和終端在隧道監(jiān)測(cè)區(qū)域的布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)主站和終端在隧道監(jiān)測(cè)區(qū)域的布置示意圖

2.1 變形計(jì)算原理

安裝于隧道被測(cè)量斷面的終端可發(fā)射覆蓋隧道全斷面的線結(jié)構(gòu)光，系統(tǒng)通過(guò)結(jié)構(gòu)光圖像采集和分析對(duì)比，計(jì)算被測(cè)量斷面的變形量。結(jié)構(gòu)光圖像數(shù)據(jù)處理單元利用圖像識(shí)別算法定位結(jié)構(gòu)光區(qū)域及其邊緣。算法首先通過(guò)自適應(yīng)閾值處理方式定位結(jié)構(gòu)光區(qū)域，利用深度學(xué)習(xí)分割網(wǎng)絡(luò)識(shí)別區(qū)域內(nèi)線結(jié)構(gòu)光邊緣，分割網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選語(yǔ)義分割模型。

線結(jié)構(gòu)光的光線在圖像中有一定寬度，需提取線結(jié)構(gòu)光曲線中心線代表結(jié)構(gòu)光每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置，采用重心法進(jìn)行光線中心提取，在預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)光區(qū)域內(nèi)使用OSTU法計(jì)算閾值T，然后將閾值與結(jié)構(gòu)光每個(gè)像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行比較，尋找大于閾值T的像素及坐標(biāo)，進(jìn)行加權(quán)平均得到光線中心坐標(biāo)：

式中：fi為大于閾值T的結(jié)構(gòu)光點(diǎn)像素的灰度值；vi為所有大于閾值T的結(jié)構(gòu)光點(diǎn)的像素坐標(biāo)；M為大于閾值T的像素個(gè)數(shù)。

得到結(jié)構(gòu)光心位置后即可進(jìn)行前后比對(duì)，由于被監(jiān)測(cè)斷面通常位于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定區(qū)域，監(jiān)測(cè)終端本身存在位置變動(dòng)的可能，為消除監(jiān)測(cè)終端自身位移的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備圓形靶點(diǎn)光源的終端，通過(guò)計(jì)算圓形靶點(diǎn)中心水平方向和豎直方向的位移，獲取終端自身位移量，并在計(jì)算隧道截面變形時(shí)予以補(bǔ)償。

隧道數(shù)據(jù)處理單元監(jiān)測(cè)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，區(qū)分是否發(fā)生隧道單截面沉降、收斂，多截面整體沉降等病害。優(yōu)選區(qū)域偏移差值算法，檢測(cè)方法如下：

（1）劃分隧道壁區(qū)間，分為左右側(cè)壁和拱頂部分，左右側(cè)壁檢測(cè)橫向和縱向位移，拱頂檢測(cè)縱向位移。隧道拱頂、側(cè)壁區(qū)域劃分示例見(jiàn)圖2。

圖2 隧道拱頂、側(cè)壁區(qū)域劃分示例

（2）實(shí)時(shí)線結(jié)構(gòu)光曲線中心線與基準(zhǔn)線匹配，優(yōu)選差值計(jì)算算法，比較掩碼圖不同區(qū)間基準(zhǔn)線前后像素偏差，逐個(gè)比較像素橫向或縱向位移變化，每段區(qū)間內(nèi)圖像像素的差值作為1個(gè)序列，采用多項(xiàng)式平滑（SG）［10］濾波對(duì)差值序列進(jìn)行平滑，多項(xiàng)式平滑濾波是移動(dòng)窗口的加權(quán)平均算法，普通的滑動(dòng)窗口平滑算法為：

式中：xk，smooth為元素xk平滑后的值；w為窗口大小；xk+i（i∈(-w，w)）為序列窗口內(nèi)的元素值。

而多項(xiàng)式平滑濾波是卷積平滑，基于最小二乘法原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。隧道拱頂沉降及周邊收斂計(jì)算示例見(jiàn)圖3。

圖3 隧道拱頂沉降及周邊收斂計(jì)算示例

（3）隧道多截面整體沉降監(jiān)測(cè)，優(yōu)選組合線差異算法，結(jié)合隧道前后多條線結(jié)構(gòu)光曲線中心線匹配結(jié)果，其中1條或多條整體下移為隧道多截面整體沉降病害。

（4）沉降量空間映射，通過(guò)像素量化將像素位移轉(zhuǎn)換為空間偏移距離，獲得實(shí)際沉降量，并根據(jù)位移方向?qū)?yīng)病害類型。

2.2 系統(tǒng)工作模式

（1）在隧道初期支護(hù)區(qū)側(cè)壁按固定間隔（5 m）安裝1臺(tái)斷面監(jiān)測(cè)終端，安裝高度為3 m（適當(dāng)提高安裝位置，減少作業(yè)設(shè)施遮擋），各斷面監(jiān)測(cè)終端盡量保持在同一水平面上。

（2）在隧道穩(wěn)定區(qū)域（二次襯砌區(qū)）側(cè)壁適合觀測(cè)位置安裝參考斷面監(jiān)測(cè)終端，保證采集終端可以觀測(cè)到。

（3）在隧道穩(wěn)定區(qū)域（仰拱或二次襯砌）側(cè)壁安裝主站，該主站與斷面監(jiān)測(cè)終端及參考斷面監(jiān)測(cè)終端盡量保持同一水平面附近，與監(jiān)測(cè)終端及參考終端最遠(yuǎn)距離不超過(guò)50 m（典型配置，可定制），保證觀測(cè)效果；超出監(jiān)測(cè)距離的采用級(jí)聯(lián)從站的方式。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)設(shè)計(jì)專用的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬環(huán)境，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能和性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，并在相關(guān)鐵路項(xiàng)目中進(jìn)行了長(zhǎng)期使用測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，解決了設(shè)備防塵、爆破防護(hù)、工程車遮擋等問(wèn)題對(duì)TCMS的影響。

3.1 產(chǎn)品功能檢測(cè)

為測(cè)試TCMS的精度和可靠性，設(shè)計(jì)了標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由標(biāo)定工裝及附屬控制系統(tǒng)組成，在拱頂、側(cè)壁S1、側(cè)壁S2處安裝標(biāo)定工裝，安裝示意見(jiàn)圖4，標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)具有如下功能：

圖4 設(shè)備標(biāo)定檢測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖

（1）標(biāo)定工裝模擬拱頂沉降、側(cè)壁收斂；

（2）將標(biāo)定工裝的模擬沉降/收斂數(shù)據(jù)、TCMS自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證TCMS測(cè)量結(jié)果的精度及可靠性；

（3）根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，對(duì)TCMS進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。

分別將測(cè)量主站安裝于距離工裝19.8、33.5、60.0 m處，對(duì)TCMS的拱頂沉降和側(cè)壁收斂測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)將標(biāo)定工裝分別移動(dòng)10、50、100 mm，由TCMS觀測(cè)并記錄測(cè)量值和測(cè)量誤差。TCMS對(duì)拱頂沉降和側(cè)壁收斂的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2，其中給定位移量為標(biāo)定工裝的位移量，測(cè)量值為自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的位移值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)TCMS拱頂沉降和側(cè)壁收斂誤差在±1.5 mm以內(nèi)。

表1 TCMS拱頂沉降測(cè)量精度檢驗(yàn)結(jié)果 mm

表2 TCMS側(cè)壁S1位置收斂測(cè)量精度檢驗(yàn)結(jié)果 mm

3.2 隧道測(cè)量測(cè)試結(jié)果

TCMS在麗香鐵路長(zhǎng)坪隧道、花椒坡隧道和張吉懷高鐵新華山隧道等項(xiàng)目施工中進(jìn)行了長(zhǎng)期的使用測(cè)試，以某施工環(huán)境較復(fù)雜艱險(xiǎn)隧道為例進(jìn)行結(jié)果分析。2021年6月29日—7月12日，監(jiān)測(cè)該隧道DK3+610拱頂沉降、側(cè)壁收斂情況，對(duì)全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)和TCMS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)2個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的趨勢(shì)相關(guān)性及TCMS的測(cè)量準(zhǔn)確性。

（1）DK3+610拱頂沉降TCMS測(cè)量結(jié)果。2021年7月7日22:41:24—12日14:49:43，共測(cè)量35次，拱頂沉降測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖5 TCMS測(cè)量拱頂沉降數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)

（2）DK3+610拱頂沉降全站儀測(cè)量結(jié)果。高精度全站儀在2021年6月26日—7月11日共測(cè)量30次，拱頂沉降測(cè)量值隨時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 全站儀測(cè)量拱頂沉降數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)

經(jīng)對(duì)比分析，2021年7月7日16:28:39—11日08:44:50，全站儀測(cè)量拱頂累積沉降2.1 mm（7.4-5.6=2.1 mm）；2021年7月7日22:41:24—11日08:44:55，TCMS測(cè)量拱頂累積沉降2.761 mm。拱頂累積沉降量二者測(cè)量結(jié)果差值為0.661 mm。且在此時(shí)間段內(nèi)，TCMS測(cè)量次數(shù)為30次，全站儀測(cè)量次數(shù)為8次，補(bǔ)全了全站儀2次測(cè)量間隔之間的數(shù)據(jù)，為隧道結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)提供了豐富數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)隧道建設(shè)過(guò)程中全站儀監(jiān)測(cè)方式存在監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員因素影響大等缺點(diǎn)研制隧道圍巖變形全自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。TCMS兼?zhèn)淙緝x監(jiān)測(cè)方式的原理性優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有全自動(dòng)智能分析、連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)需安裝反光棱鏡、全斷面監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)多、設(shè)備無(wú)線通信電池供電、易拆卸安裝等明顯優(yōu)勢(shì)。TCMS部署方便，排除人為因素干擾，實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)突發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)研發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證，并在相關(guān)重大鐵路隧道項(xiàng)目施工中進(jìn)行了長(zhǎng)期使用測(cè)試，解決了設(shè)備防塵、爆破防護(hù)、工程車遮擋等問(wèn)題對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響，與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方式相比，TCMS測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、豐富且趨勢(shì)準(zhǔn)確，可對(duì)隧道頂部沉降、周邊收斂、局部沉降、整體沉降等病害進(jìn)行測(cè)量，并在隧道有較大變形時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警。