許燁璋，張 煒，符蓓蕾，屠鐵威，丁國章

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院） ，浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；3.紹興市曹娥江流域中心，浙江 紹興 312099）

0 引 言

隧道施工期間，周圍地質(zhì)情況的復(fù)雜性以及施工過程中巖土力學(xué)行為不斷變化等因素會(huì)對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生綜合影響，從而使隧道發(fā)生變形。因此，隧道的變形監(jiān)測是隧道施工安全控制的重要環(huán)節(jié)[1]。隧道外部變形是其內(nèi)在受力的外部表現(xiàn)，常規(guī)單點(diǎn)的監(jiān)測方法無法全面描述監(jiān)測物體的表面信息[2-4]。采用攝影測量方法獲取監(jiān)測物體的三維模型，其圖像采集精度受觀測條件影響較大，后期處理繁瑣且穩(wěn)定性不高[5-6]。傳統(tǒng)的洞室、隧道變形監(jiān)測方法是：開挖期間，在墻體內(nèi)部預(yù)埋收斂計(jì)、位移計(jì)等傳感器以及巴賽特收斂系統(tǒng)[7]、光纖Bragg光柵傳感技術(shù)[8-9]等，其局限性在于預(yù)埋的傳感器只能監(jiān)測每隔一定距離的特定部位斷面的幾何信息，而無法進(jìn)行整體變形量監(jiān)測以及三維可視化。

三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取被測物體表面大量的、連續(xù)的、密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠全面地反映被測物體的幾何外形信息[10-11]。近年來三維激光掃描技術(shù)不斷被運(yùn)用到各類工程的變形監(jiān)測中，取得了良好的應(yīng)用效果[12-14]。

文章介紹了在浙江省某抽水蓄能電站的水工隧洞在掘進(jìn)施工過程中采用三維激光掃描儀自由設(shè)站法用于隧洞變形監(jiān)測的方法。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 掃描儀器

本次隧洞三維激光掃測采用德國Z+F Imager 5016相位式三維激光掃描儀，其主要參數(shù)見表1。

表1 Z+F Imager 5016三維激光掃描儀主要參數(shù)

1.2 公共點(diǎn)布設(shè)

為進(jìn)一步針對性地監(jiān)測隧洞在施工期間的變形情況，選擇隧洞內(nèi)20 m長的一段距離進(jìn)行掃描試驗(yàn)，在隧洞頂部4個(gè)角落里布設(shè)固定不動(dòng)的掃描靶球作為公共基準(zhǔn)點(diǎn)，見圖1。4個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)的作用主要有2個(gè)，一是給每一期掃描的各測站點(diǎn)云提供公共配準(zhǔn)點(diǎn)，二是給前后用作變形分析的二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供變形分析的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖1 現(xiàn)場靶球圖（公共點(diǎn)）

1.3 自由設(shè)站實(shí)現(xiàn)

選取隧道中軸線斷面里程距50~70 m段作為本次變形監(jiān)測研究段，在該段范圍上沿著隧洞的中軸線均勻布設(shè)3站掃描位置，每站的位置大致位于20 m長中軸線的等分點(diǎn)上，且每站掃描位置都能夠掃測到4個(gè)靶球。掃描儀每次只需要架設(shè)在3個(gè)等分點(diǎn)附近位置處即可實(shí)現(xiàn)對該斷隧道的自由設(shè)站式掃描，設(shè)站位置布設(shè)見圖2。

圖2 隧洞掃描設(shè)站示意圖

每站掃描時(shí)均將掃描儀掃描參數(shù)設(shè)置為最高精度和最高分辨率模式，目的是采集到分辨率和精度都最高的隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)以便于后期變形分析和建模處理。掃描作業(yè)現(xiàn)場見圖3 a）和3 b）。

圖3 掃描作業(yè)現(xiàn)場圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)原理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的目的是將每期掃測的3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及二期掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下，由于二期掃描的3個(gè)測站都同時(shí)掃測到了布設(shè)在隧道頂部的4個(gè)靶球，因此4個(gè)靶球球心點(diǎn)可以作為每期各個(gè)測站之間和二期之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算的公共點(diǎn)。公共點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)按照公式（1）進(jìn)行。

式中：（X，Y，Z）為轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)；（x，y，z）為轉(zhuǎn)換前坐標(biāo)；μ為尺度因子；α、β、γ分別為x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的旋轉(zhuǎn)角度；（x0，y0，z0）為3個(gè)平移參數(shù)。

2.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)施

具體流程為先將第一期第2和第3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到第一期第1站點(diǎn)云坐標(biāo)系中形成第一期隧洞整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對第二期隧洞3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)作相同操作。靶球點(diǎn)云處理采用天寶Realworks軟件，通過球面點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出球心的空間三維坐標(biāo)，靶球擬合效果見圖4，隧洞掃測第一期3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)好后整體點(diǎn)云見圖5，點(diǎn)云配準(zhǔn)數(shù)學(xué)精度見表2。

圖4 靶球擬合效果圖

圖5 隧洞第一期3站點(diǎn)云配準(zhǔn)后整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

表2 點(diǎn)云配準(zhǔn)數(shù)學(xué)精度表

2.3 二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

將完成配準(zhǔn)后的二期隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用天寶Realworks軟件進(jìn)行三維建模處理，具體采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模功能模塊。首先選擇一期隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軟件會(huì)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用三角網(wǎng)法自動(dòng)構(gòu)建隧洞表面三維模型，二期點(diǎn)云建模結(jié)果見圖6~7。

圖6 隧洞第一期點(diǎn)云建模效果圖（中間黃色連續(xù)區(qū)域）

圖7 隧洞第二期點(diǎn)云建模效果圖（中間藍(lán)色連續(xù)區(qū)域）

為了直觀地顯示建模的精度和效果，將每期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建好的模型和參與對應(yīng)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起顯示，見圖8~9，其中紅色離散點(diǎn)代表掃測點(diǎn)云數(shù)據(jù)，黃色及藍(lán)色連續(xù)區(qū)域代表對應(yīng)點(diǎn)云所建模型。

圖8 隧洞第一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型疊加效果圖

圖9 隧洞第二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型疊加效果圖

2.4 基于三維模型的變形分析

采用天寶Realworks軟件的監(jiān)測/檢測圖分析工具對二期拱頂模型進(jìn)行疊置分析以顯示及提取洞室的三維整體變形量，根據(jù)變形值進(jìn)行賦色渲染，二期三維模型疊置分析變形顯示效果見圖10。

圖10 隧洞二期三維模型疊置分析變形圖

由圖10可知，顏色偏紅也即變形量值大的變形點(diǎn)多集中在靠近隧洞掘進(jìn)開挖方向的一側(cè)，其變形數(shù)值最大約為5 mm，由于隧洞在掘進(jìn)施工中多采用爆破方式，爆破產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)給整個(gè)隧洞帶來一定影響，因此變形的結(jié)果也與施工情況相符合。

利用軟件的查詢工具可以查詢顯示指定位置處的變形信息，包括變形點(diǎn)的變形數(shù)值，變形值在三維坐標(biāo)系中的變形分量等。變形信息查詢顯示效果見圖11。

圖11 三維變形信息查詢圖

3 結(jié) 論

本文采用德國Z+F Imager 5016三維激光掃描儀分兩期掃描了處于掘進(jìn)施工中的水工隧洞，通過自由設(shè)站法采集二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Realworks軟件實(shí)現(xiàn)了基于三維模型的變形分析及顯示，得到以下主要結(jié)論：

1）三維激光掃描儀自由設(shè)站法具備靈活高效且無需建造固定觀測墩的優(yōu)點(diǎn)，十分適用于工況環(huán)境復(fù)雜多變的監(jiān)測環(huán)境，因此該方法具備一定的推廣性。

2）水工隧洞等大型地下工程在施工過程中需要高頻率地了解其變形狀況，三維激光掃描技術(shù)以其自動(dòng)化程度高，配套軟件功能齊全等優(yōu)勢十分適用于此類地下工程的變形監(jiān)測。

3）三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅可以用于變形監(jiān)測，還可以將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算出施工與設(shè)計(jì)的偏差情況。