柔性測量技術(shù)在特大斷面隧道試驗中的應(yīng)用

劉鵬宋曙光周昆王康劉紅

(1.山東高速濟萊城際公路有限公司,山東濟南250011；2.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,山東濟南250101；3.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,河北石家莊050043)

0 引言

21世紀(jì)是地下空間資源開發(fā)和利用的時代,隧道作為地下空間利用的基本形式,在鐵路、公路、城市地鐵等交通路網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用。越來越多的單洞三車道、四車道隧道應(yīng)運而生,遇到的巖土及工程地質(zhì)問題也越來越復(fù)雜。研究特大斷面隧道的圍巖變形規(guī)律,對工程安全及災(zāi)害防控具有十分重要的意義[1-4]。地質(zhì)力學(xué)模型試驗是研究隧道施工過程中圍巖變形及其力學(xué)行為的重要手段[5-8]。

隨著模型試驗技術(shù)的不斷發(fā)展,測量環(huán)境和參數(shù)越來越復(fù)雜。現(xiàn)有監(jiān)測方法多采用埋入式傳感器,無法滿足試驗對空間分辨精度及適用性的高要求。柔性測量作為一種靈活智能的實時測量技術(shù),可滿足高精度、高效率以及高適應(yīng)性的測量要求,在巖土工程監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。Motavalli最早提出了視覺傳感器和坐標(biāo)測量機CMM(Coordinate Measuring Machine)集成的測量系統(tǒng),采用視覺傳感器獲取物體表面信息,指導(dǎo)CMM測量,在保證關(guān)鍵點測量精度的基礎(chǔ)上極大地提高了測量效率[9]。Weckenmann提出了1種多傳感器集成系統(tǒng),可測量三維標(biāo)準(zhǔn)幾何特征的形狀和位置、表面形貌和膜厚等[10]。國內(nèi)學(xué)者也進行了大量的研究工作。崔希民基于現(xiàn)代三維工業(yè)測量的需求和應(yīng)用,闡述了8類用于精密定位的三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)及其優(yōu)缺點[11]；郭彤等和魯西等提出了六面體零件作為模板的全局標(biāo)定方法,建立了基于單位四元數(shù)的全局標(biāo)定數(shù)學(xué)模型[12-13]；黃強先等和楊雪榮提出一種CMM與線結(jié)構(gòu)光視覺傳感器集成測量方案和基于可變形模型的光條中心提取方法[14-15]；鐘凱等提出了一種將結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)(SLS)與室內(nèi)全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)相結(jié)合的組合式大尺寸三維測量技術(shù)[16],促進了柔性測量技術(shù)的發(fā)展和進步。

綜上,所述柔性測量技術(shù)在工業(yè)測量方向上取得了長足發(fā)展,但在巖土工程領(lǐng)域起步較晚。文章將柔性測量技術(shù)應(yīng)用到特大斷面公路隧道施工過程模擬物理模型試驗中,分析隧道開挖過程中圍巖的變形,研究該方法的優(yōu)缺點及實際效果。

1 柔性測量技術(shù)原理概述

柔性測量技術(shù)主要采用相位激光測距原理,如圖1所示,利用激光的散射角小、相干性好、功率密度大等優(yōu)點,對連續(xù)的激光進行幅度調(diào)制,調(diào)制光的光強隨時間做周期性變化,通過測量光波運動的相位差間接求解待測距離D,由式(1)表示為

式中:t為激光往返時間,s；c為激光的速度,m/s。

圖1 相位式激光測距原理示意圖

相位式激光測距在傳播距離上的相位波形開展如圖1所示。設(shè)光波頻率為f0,波形為正弦波,波長λ0,加發(fā)射點為A,接收點為A1,可得AB＝BA1,AA1＝2D,光波信號經(jīng)過AA1距離時間為t,起始點A時刻為t0,則發(fā)射端A處光強由式(2)表示為

式中:WL(t)為發(fā)射端A處光強,cd；AL為發(fā)射端信號幅值,m-1；φ0為發(fā)射時刻的初始相位,m。

接收端A1處信號光強由式(3)表示為

式中:WR(t)接收端A1處信號光強,cd；AR為接收信號幅值,m-1。

根據(jù)式(2)、(3)可知,發(fā)射信號與接收信號的相位差φ由式(4)表示為

根據(jù)式(4)可求出激光往返時間t,由式(5)表示為

結(jié)合式(1)、(5)可知,被測距離D由式(6)表示為

2 柔性測量技術(shù)在特大斷面隧道試驗中的應(yīng)用

2.1 模型試驗

為驗證柔性測量系統(tǒng)在模型試驗中對圍巖空間變形的有效性,將其應(yīng)用于特大斷面隧道施工過程圍巖變形規(guī)律模型試驗中。試驗依托三維拼裝式大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架開展,試驗臺架采用單元化拼接組裝完成。拼接單元由厚壁鍍鋅方管及端頭法蘭固定盤組成,通過高強螺栓實現(xiàn)臨近拼接單元的相互固定。試驗臺架拼裝完成后內(nèi)部空間為3800 mm×1200 mm×3400 mm。

試驗選取港溝隧道進口淺埋小凈距段為原型。港溝隧道為雙洞8車道隧道,最大開挖跨度為20.008 m,高度為13.561 m,面積達到219.78 m2,為山東省跨度最大的公路隧道。隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,圍巖自穩(wěn)能力差,且穿越兩條斷層破碎帶,施工難度極大。隧道采用CD法開挖,循環(huán)進尺為4.8 cm。模型試驗選取幾何相似比尺為1∶50,容重相似比尺為1∶1。

2.2 柔性測量技術(shù)在試驗中的應(yīng)用

2.2.1 試驗應(yīng)用的柔性測量系統(tǒng)

根據(jù)柔性測量技術(shù)原理,設(shè)計的柔性測量系統(tǒng)包括激光相位測距系統(tǒng)、空間位置調(diào)整系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),如圖2所示。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 柔性測量系統(tǒng)圖

表1 柔性測量系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

激光相位測距系統(tǒng)包含兩組激光測距傳感器組成,如圖3所示。激光器為半導(dǎo)體激光器,輸出波長為650 nm,最大輸出功率5 mW,結(jié)構(gòu)光為線形。激光測距傳感器最大量程120 mm,精度為20 μm。

空間位置調(diào)整系統(tǒng)的主要作用是將激光相位測距系統(tǒng)位置進行固定和微調(diào)整,為儀器提供精確測量基準(zhǔn)。通過控制減速電機與長度為68 mm的多軸小型絲桿的相互傳動,帶動激光測距系統(tǒng)在0.025 mm范圍三維坐標(biāo)軸內(nèi)移動。由于隧道開挖形狀存在尺寸差別,通過掃描路徑自動規(guī)劃,實現(xiàn)對整個隧道開挖輪廓的完全測量。

圖3 激光相位測距系統(tǒng)及應(yīng)用圖

控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由觸摸屏以及PLC控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸模塊共同構(gòu)成,主要作用是將測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為通用格式,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時存儲、傳輸和處理。

2.2.2 柔性測量系統(tǒng)試驗應(yīng)用流程

柔性測量系統(tǒng)試驗應(yīng)用流程如下:

(1)按順序安裝空間位置調(diào)整系統(tǒng)、安裝控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、激光相位測量系統(tǒng)。

(2)校準(zhǔn)全局坐標(biāo)系。

(3)調(diào)整激光相位測量系統(tǒng)坐標(biāo)歸零。(4)精確布置激光相位測量系統(tǒng)位置。

(5)隧道開挖,同步進行圍巖位移柔性測量。

(6)測量結(jié)束,回收儀器,隧道下一循環(huán)開挖結(jié)束后再次布設(shè)儀器進行測量。

(7)往返循環(huán),直至試驗結(jié)束,導(dǎo)出測量結(jié)果文件。

通過柔性測量系統(tǒng)測量圍巖開挖輪廓隨隧道開挖掘進變化規(guī)律,柔性測量系統(tǒng)在試驗中的應(yīng)用示意圖如圖4所示。

圖4 柔性測量系統(tǒng)在試驗中的應(yīng)用圖

3 試驗結(jié)果與分析

針對柔性測量系統(tǒng)導(dǎo)出的測量數(shù)據(jù),采用基于MATLAB的模型試驗隧道變形數(shù)據(jù)處理軟件進行圍巖變形三維可視化處理與結(jié)果提取。首先對儀器輸出數(shù)據(jù)進行去噪、抽稀、擬合等預(yù)處理,在保證測量精度的前提下降低計算量,減少測量誤差。將預(yù)處理后數(shù)據(jù)擬合隧道開挖輪廓開展三維可視化建模,提取隧道開挖輪廓前后變形數(shù)據(jù)。模型試驗隧道變形數(shù)據(jù)處理軟件運行結(jié)果如圖5所示。柔性技術(shù)實現(xiàn)了三維標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀及位置的精準(zhǔn)測量。

圖5 試驗變形數(shù)據(jù)圖

模型試驗中采用柔性測量技術(shù)測得各關(guān)鍵位置最大位移值見表2。由表2可知,拱頂位置圍巖變形最大,為邊墻位置圍巖變形量的3.87倍,隨測點遠離拱頂,地表沉降值逐漸減??；右洞的拱頂和邊墻位置圍巖最大變形量均大于左洞,分析原因主要因為隧道右洞為先行洞,除自身開挖擾動影響外,隧道左洞開挖時亦會對其產(chǎn)生影響。

柔性測量技術(shù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與隧道CD法開挖的趨勢[17]基本一致。由于CD法對超大斷面隧道圍巖擾動較大,左右洞地表沉降呈現(xiàn)變形差別較大的現(xiàn)象。柔性測量技術(shù)可以較好的反映隧道圍巖在開挖擾動作用下的變形過程。

表2 各測點最大位移值表/mm

4 結(jié)論

針對地質(zhì)力學(xué)模型試驗對圍巖變形監(jiān)測的高精度要求,將柔性測量技術(shù)應(yīng)用到淺埋特大斷面公路隧道施工過程力學(xué)模型試驗中,得到以下結(jié)論:

(1)淺埋特大斷面公路隧道施工過程力學(xué)模型試驗應(yīng)用的柔性測量技術(shù),具有高精度、高效率以及高適應(yīng)性的優(yōu)點,使其實現(xiàn)了三維標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀及位置的精準(zhǔn)測量。

(2)采用柔性測量技術(shù)測得了各關(guān)鍵位置最大位移值,拱頂位置處圍巖變形最大,為邊墻位置處3.87倍,且右洞的拱頂和邊墻位置處圍巖的最大變形量均大于左洞。與隧道CD法開挖的趨勢基本一致,表明柔性測量技術(shù)可以較好的反映隧道圍巖在開挖擾動作用下的變形過程。