臧光勇， 楊 旭， 陸詩(shī)磊（.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 00；.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 305）

0 引 言

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，隧道規(guī)模逐漸增大，應(yīng)用場(chǎng)景逐漸復(fù)雜，質(zhì)量和安全要求也在逐漸提高[1]。隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)是評(píng)價(jià)隧道安全性的重要手段，保證了隧道在建設(shè)和運(yùn)行階段的質(zhì)量和安全，是隧道建設(shè)和運(yùn)維的安全保障，對(duì)經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡起到了很好的預(yù)防作用[2]。然而隧道的建設(shè)環(huán)境極其復(fù)雜，在建造和運(yùn)行時(shí)，諸多因素都會(huì)對(duì)其造成變形影響，主要包括：大型施工設(shè)備作業(yè)、隧道下臥土體不均勻沉降、隧道上方的地表堆載、隧道附近的基坑開(kāi)挖、隧道近距離穿越、隧道區(qū)間和車(chē)站的差異沉降、地鐵列車(chē)振動(dòng)等[3]。隧道一旦發(fā)生局部變形，在應(yīng)力集中的狀態(tài)下，局部變形會(huì)迅速擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了隧道的正常施工和運(yùn)行[4]。隧道的測(cè)量和監(jiān)控項(xiàng)目能夠防微杜漸，在隧道建立和運(yùn)行的全過(guò)程中起重要的警戒作用[5]。

隧道的變形監(jiān)測(cè)要求是實(shí)時(shí)的，并且在監(jiān)測(cè)的同時(shí)不能影響軌道交通的正常運(yùn)維，傳統(tǒng)人工測(cè)量并不能滿(mǎn)足隧道變形的監(jiān)測(cè)要求[6]。因此，為提供隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了許多隧道變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法，其中以全站儀測(cè)量機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)最為普遍。通過(guò)全站儀機(jī)器人對(duì)其服務(wù)范圍的定點(diǎn)棱鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，提供龐大而可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)作為隧道變形的檢測(cè)依據(jù)[7]。這種隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法具有實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)、無(wú)人看守、數(shù)據(jù)可靠、不妨礙列車(chē)運(yùn)行、遠(yuǎn)程遙控等優(yōu)點(diǎn)，足以勝任隧道小區(qū)間內(nèi)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作。但其缺點(diǎn)也十分明顯，隨著隧道規(guī)模的日益增大，這種區(qū)間內(nèi)半自動(dòng)的測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)成本高，監(jiān)測(cè)效率低[8]。

為消除隧道變形區(qū)間自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的弊端，探索可移動(dòng)的隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法迫在眉睫。激光測(cè)距儀作為隧道變形人工監(jiān)測(cè)的重要設(shè)備之一，具備測(cè)量原理簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為可移動(dòng)隧道變形監(jiān)測(cè)裝置的核心部件，而激光測(cè)距軌道車(chē)的出現(xiàn)，也讓這種全自動(dòng)隧道變形監(jiān)測(cè)方法嶄露頭角[9]。在軌道上設(shè)立監(jiān)測(cè)卡口，讓激光測(cè)距儀在固定位置、固定方向發(fā)射激光，通過(guò)激光投射至隧道距離的變化，判斷隧道有無(wú)發(fā)生變形。這種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式方便快捷，通過(guò)軌道車(chē)在軌道上的行駛和定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，完成整個(gè)隧道的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)任務(wù)，能夠滿(mǎn)足規(guī)模愈發(fā)增大的大型多段隧道的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)需要[10]。然而目前的激光測(cè)距軌道車(chē)測(cè)量誤差較大，同時(shí)不能準(zhǔn)確提供隧道的變形方向和變形量，尚未進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，提高激光測(cè)距軌道車(chē)的測(cè)量精度，令其能夠?qū)λ淼雷冃芜M(jìn)行定量化表征，一時(shí)成了隧道變形全自動(dòng)監(jiān)測(cè)的研究焦點(diǎn)[11]。

1 激光測(cè)距

激光測(cè)距儀在隧道自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用，其工作原理是利用激光束測(cè)量光的傳播時(shí)間，從而確定距離。將激光測(cè)距儀安裝在隧道內(nèi)部的固定位置，可以連續(xù)測(cè)量特定點(diǎn)的距離。當(dāng)隧道發(fā)生變形時(shí)，這些測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)隨之發(fā)生變化，從而可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測(cè)隧道的變形情況。這種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式可以幫助工程師了解隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況，判斷隧道是否存在任何變形或下沉問(wèn)題。

激光測(cè)距軌道車(chē)是一種用于測(cè)量軌道幾何參數(shù)的專(zhuān)用車(chē)輛。它利用激光測(cè)距技術(shù)對(duì)軌道的高程、水平、曲率等參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量[12]。激光測(cè)距軌道車(chē)通常由激光測(cè)距儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4部分組成。激光測(cè)距儀是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它通過(guò)發(fā)射激光束并接收反射回來(lái)的信號(hào)，利用光學(xué)原理來(lái)測(cè)量軌道的幾何參數(shù)[13]，具有高精度、高速度和遠(yuǎn)距離測(cè)量的能力。慣導(dǎo)系統(tǒng)用于確定軌道車(chē)的位置和姿態(tài)，通常由慣性測(cè)量單元（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）組成。慣導(dǎo)系統(tǒng)可以提供精確的定位信息，為激光測(cè)距儀提供準(zhǔn)確的參考坐標(biāo)系。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)す鉁y(cè)距儀和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，通常包括數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備[14]。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，它接收并處理激光測(cè)距儀和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，通過(guò)算法和模型計(jì)算出軌道的幾何參數(shù)，通常由計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件組成，可以實(shí)時(shí)顯示和記錄測(cè)量結(jié)果[15]。

激光測(cè)距軌道車(chē)在鐵路、地鐵等軌道交通領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。它能夠快速、準(zhǔn)確地獲取軌道的幾何參數(shù)，為軌道修復(fù)和維護(hù)提供重要的參考數(shù)據(jù)。同時(shí)，激光測(cè)距軌道車(chē)還可以用于軌道建設(shè)和監(jiān)測(cè)工作，對(duì)新建軌道的幾何質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)測(cè)。它的應(yīng)用可以提高軌道的安全性、穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，為乘客提供更加舒適和安全的出行體驗(yàn)。

2 光感片的應(yīng)用方式

激光測(cè)距軌道車(chē)在隧道變形監(jiān)測(cè)中具有高速度、大范圍、抗干擾能力強(qiáng)且非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但是目前市場(chǎng)上的激光測(cè)距軌道車(chē)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為激光發(fā)射處至隧道內(nèi)壁的距離，且測(cè)量誤差較大，因此它僅能作為隧道變形的初判設(shè)備，并不能定量表征出隧道的變形方向和變形量，應(yīng)用場(chǎng)景十分有限。

針對(duì)上述技術(shù)難題，本文提供了1種由微型光敏電阻構(gòu)成的光感片，如圖1所示，用來(lái)準(zhǔn)確記錄隧道的變形方向和具體變形量。該光感片為正方形，尺寸為50 mm×50 mm，每個(gè)光感片平均分為100個(gè)小方格，小方格的尺寸僅為5 mm×5 mm，每一個(gè)小方格都含有1個(gè)光敏電阻。在應(yīng)用時(shí)，僅需在軌道的固定監(jiān)測(cè)卡口相應(yīng)的隧道內(nèi)壁上設(shè)置2～8個(gè)光感片，當(dāng)激光照射到光感片時(shí)，光感片上相應(yīng)區(qū)域的光敏電阻就會(huì)受到激發(fā)，產(chǎn)生電信號(hào)，從而準(zhǔn)確記錄該次測(cè)量時(shí)激光的照射位置和照射距離。通過(guò)多次監(jiān)測(cè)激光在光感片上的照射位置以及照射距離的變化，就可以準(zhǔn)確反映該位置隧道的變形方向和變形量。傳統(tǒng)激光測(cè)距軌道車(chē)僅能提供多次監(jiān)測(cè)激光照射至隧道內(nèi)壁的距離變化，而加入光感片后，光感片對(duì)激光的響應(yīng)特征更加強(qiáng)烈，不僅能夠減少激光距離的測(cè)量誤差，同時(shí)還能將激光照射位置的變化以光感片的感應(yīng)位置準(zhǔn)確記錄下來(lái)，其位置變化誤差低至±5 mm。利用光感片，可以將激光照射時(shí)角度的細(xì)微誤差以光感片上激光照射的位置變化準(zhǔn)確表征出來(lái)，大大減少了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備誤差。

圖1 光感片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 首次監(jiān)測(cè)入射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算示意圖

3 隧道變形的定量表征方法

本文提供的帶有光感片的激光測(cè)距軌道車(chē)進(jìn)行隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方法直觀(guān)、簡(jiǎn)單。具體操作步驟主要包含以下幾個(gè)部分：

（1）當(dāng)激光測(cè)距軌道車(chē)行駛至隧道的各個(gè)監(jiān)測(cè)卡口處時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要調(diào)節(jié)其角度控制器，使得激光測(cè)距儀的激光照射到隧道壁及軌道側(cè)面約6～8處。在每個(gè)激光照射處安裝光感片，光感片的安裝具有方向性，安裝時(shí)保證其一條邊平行于軌道，其正方向指向隧道延伸方向。同時(shí)光感片的法線(xiàn)方向即為激光入射方向，這樣可以令激光的發(fā)射位置為局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，以角度為0的激光入射方向?yàn)閤軸正方向，以軌道延伸方向?yàn)閥軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閦軸正方向建立局部空間坐標(biāo)系，記錄此時(shí)每個(gè)光感片對(duì)應(yīng)的控制器角度，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。如：1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，角度30°的光感片為1°～30°，角度60°的光感片為1°～60°。如此，在該局部坐標(biāo)系統(tǒng)中可輕松表征各光感片照射處的空間坐標(biāo)位置。若1°～30°光感片的測(cè)量距離為x11，則可表示1°～30°光感片的位置（x11×cos30°，0，x11×sin30°）。令1°～60°光感片的測(cè)量距離為x12，則1°～60°光感片的位置（x12×cos60°，0，x12×sin60°）。當(dāng)激光發(fā)射位置（N，E，H）在整個(gè)大地坐標(biāo)系統(tǒng)中已知時(shí)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可輕松得出各個(gè)激光感應(yīng)接收片該次監(jiān)測(cè)的激光入射位置的大地坐標(biāo)。

（2）若隧道發(fā)生變形，每個(gè)光感片至激光發(fā)射處的距離xij就會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)光感片上的激光入射位置也會(huì)發(fā)生變化。

（3）隧道整體變形方向和變形量計(jì)算：多次監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)激光發(fā)射位置的坐標(biāo)發(fā)生超過(guò)誤差允許范圍的變化，記錄其坐標(biāo)增量（ΔN，ΔE，ΔH），則在這些異常軌跡范圍內(nèi)，兩側(cè)軌道發(fā)生了整體沉降、抬升（H坐標(biāo)發(fā)生明顯變化）、整體位移（N和E坐標(biāo)發(fā)生明顯變化），不影響后續(xù)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)坐標(biāo)，不影響局部變形量和變形方向的計(jì)算，但進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，需將坐標(biāo)增量加入，影響隧道的整體變形特征。

（4）隧道局部變形方向及變形量計(jì)算：以1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的某個(gè)光感片記錄結(jié)果為例，若首次監(jiān)測(cè)1°～30°光感片時(shí)，激光測(cè)距儀的測(cè)量距離為x11，則首次激光照射點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)為（x11×cos30°，0，x11×sin30°）；第二次監(jiān)測(cè)時(shí)，激光測(cè)距儀的測(cè)量距離為x11（1），則該監(jiān)測(cè)回次時(shí)激光照射點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)為（x11（1）×cos30°，0，x11（1）×sin30°）。由于方形光感片的尺寸（邊長(zhǎng)約50 mm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光發(fā)射點(diǎn)到光感片的距離，可將其視為一個(gè)垂直于激光入射方向的平面，且其一條邊長(zhǎng)平行于隧道延伸方向，方向指向軌道車(chē)的前進(jìn)方向，其相對(duì)坐標(biāo)記為b，另一條邊既垂直于隧道延伸方向，又垂直于激光入射方向，相對(duì)坐標(biāo)記為a。若首次激光入射位置為（a0，b0），下一次監(jiān)測(cè)時(shí)，激光入射位置為（ai，bi），則其在隧道延伸方向（即y軸方向）的坐標(biāo)變化量為b0～bi，在垂直于地面方向（即z軸方向）的坐標(biāo)變化量為（a0～ai）×sin（90°～30°），在平行于角度控制器0°方向（即x軸方向）的坐標(biāo)變化量為（a0～ai）×cos（90°～30°）。因此第二次監(jiān)測(cè)時(shí)，首次照射點(diǎn)的位置變化至{x11（1）×cos30°+（a0～ai）×cos（90°～30°），b0～bi，x11（1）×sin30°+（a0～ai）×sin（90°～30°）}，與首次照射點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)（x11×cos30°，0，x11×sin30°）對(duì)比，2個(gè)坐標(biāo)相連形成的向量的方向即為隧道或軌道該處的相對(duì)變形方向，該向量的長(zhǎng)度即為該處隧道或軌道的變形量。根據(jù)激光發(fā)射處的大地坐標(biāo)（Ni，Ei，Hi），通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化即可得到在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中該向量的方向和長(zhǎng)度，即可獲得大地坐標(biāo)系統(tǒng)中隧道該監(jiān)測(cè)位置的局部變形數(shù)據(jù)。

（5）軌道和隧道的變形特征判別：在整體變形方面，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)多次測(cè)量時(shí)，若激光發(fā)射位置的大地坐標(biāo)發(fā)生超過(guò)誤差范圍的變化，各個(gè)光感片的相對(duì)坐標(biāo)則也發(fā)生相應(yīng)增量的改變。以首次測(cè)量的激光發(fā)射大地坐標(biāo)（N1，E1，H1）作為向量始點(diǎn)，末次測(cè)量的激光發(fā)射坐標(biāo)（Nn，En，Hn）作為向量終點(diǎn)，該向量的方向即為軌道的整體變形方向，向量的長(zhǎng)度即為整體變形量。此時(shí)隧道和軌道發(fā)生整體沉降、抬升或側(cè)向位移。

在局部變形方面，若軌道和隧道上的光感片發(fā)生部分位移，根據(jù)上述計(jì)算方法，即可判斷該處軌道隧道的變形方向和變形量。結(jié)合多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，若隧道前后段光感片的位移方向大體接近，則隧道一段區(qū)域內(nèi)收到的應(yīng)力方向一致，變形量最大處接近受力點(diǎn)；若隧道前后段光感片的位移方向不一致，則隧道受到多個(gè)方向的應(yīng)力，各個(gè)方向變形量最大值處接近該方向應(yīng)力的作用點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

激光測(cè)距儀工作原理簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，是一種非常適合應(yīng)用于隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的核心部件。為解決激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)誤差大的應(yīng)用難題，提供了一種光感片，用于定量表征隧道的變形情況，將激光照射角度的設(shè)備誤差以光感片上光點(diǎn)的位移量準(zhǔn)確記錄下來(lái)，大幅減少了系統(tǒng)誤差，為激光測(cè)距儀在隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了重要幫助和指導(dǎo)。