基于激光掃描的隧道變形測量與分析研究

苗艷陽

摘 要：近年來，我國隧道工程取得了顯著的成績。相比其他道路工程，隧道工程具有規(guī)模大、施工難度高、安全隱患多等特點，其中隧道變形問題最為突出，一般多采用全站儀、水平儀等傳統(tǒng)檢測方法，但此類檢測方法缺點較多，如測量時間長、自動化程度低等，同時無法做到整體隧道變形測量。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，激光掃描技術(shù)因其速度快、自動化強、無需接觸等優(yōu)勢在隧道變形測量中得到了大量使用與推廣。

關(guān)鍵詞：激光掃描;隧道工程;變形測量

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0101-02

0 引言

作為一種無接觸的新興檢測技術(shù)，激光掃描技術(shù)在空間上，能夠?qū)Ρ粶y物體的表面進行快速掃描，并取得物體各個部位的三維坐標信息，隨后向計算機內(nèi)導入取得的數(shù)據(jù)，從而將被測物體的三維輪廓、形態(tài)特征迅速重構(gòu)出來，相比傳統(tǒng)的點測量法，激光掃描技術(shù)檢測更全面、速度更快。為此，在隧道內(nèi)表面、滑坡體等測量工作中，此類檢測方法具有良好適應性。

1 隧道整體變形與局部變形分析

長期通車運營過程中，隧道工程往往會受到土體擾動、沿線施工等因素的影響，從而引發(fā)隧道變形，為此，做好隧道變形測量工作極為關(guān)鍵。此次將隧道變形分析方法分為兩種，其一為整體收斂變形分析，其二為局部變形分析。

1.1 整體收斂變形分析

由隧道變形機理來分析，收斂變形為隧道的變形形式，后期將逐步向橢圓化發(fā)展，產(chǎn)生橢圓化變形的主要原因在于隧道襯砌上施加的荷載不均勻，從而影響隧道變形的均勻性，此外，因隧道襯砌制約，隧道變形前后基本保持相同的周長，這種情況下，也會產(chǎn)生隧道變形，并呈橢圓形狀。

基于隧道變形機理，伴隨時間的不斷增加，受外載荷作用，隧道截面也將發(fā)生變化，將由標準圓形向較小離心率的橢圓形轉(zhuǎn)變，此時擬合隧道斷面數(shù)據(jù)成橢圓形較為合理。此時，先通過非隧道面數(shù)據(jù)的分離、濾波處理取得的隧道斷面數(shù)據(jù)，隨后做橢圓擬合處理。一般可采用代數(shù)法進行橢圓擬合，根據(jù)橢圓標準方程計算橢圓參數(shù)。此時，可將同一斷面兩期截面數(shù)據(jù)擬合的橢圓長半軸、短半軸計算出來，隨后對不同期次的長半軸差值與短半軸差值進行統(tǒng)計，最終由數(shù)據(jù)分析隧道整體收斂變形情況。

1.2 局部變形分析

隧道局部變形分析一般是指具體分析隧道某一位置的變形狀態(tài)。陳明安研究提出，在0°、90°、180°方向上圓形盾構(gòu)隧道極易產(chǎn)生變形情況。為了保證隧道正常通車運行，應在安全范圍內(nèi)合理控制局部變形情況。基于B樣條插值法，能夠?qū)⑺淼谰植啃畔⒈Ａ粝聛?，為此，本文在此基礎(chǔ)上，基于MDP三維曲面局部變形分析。針對同一坐標下兩期隧道曲面的顯示結(jié)果，假設(shè)，未發(fā)生變形曲面由藍色點云表示，發(fā)生變形曲面由紅色點云表示，以此對曲面變形進行計算，也就是對兩個不同面的點到點的距離進行計算。因為點云數(shù)據(jù)具有很大密集性，為了加快運算速率，能夠盡量減短隧道徑向插值長度。因此，在計算隧道面變形量時，參考曲面可設(shè)為未發(fā)生變形的曲面，隨后對變形曲面到參考曲面的數(shù)據(jù)點與點之間的距離進行一個一個計算，同時，通過MDP方法，將曲面變形量準確計算出來。

2 實驗驗證研究

為驗證激光掃描在隧道變形測量中的效果，決定通過移動式激光掃描技術(shù)進行分析，在隧道徑向方向采用激光傳感器等間距對隧道內(nèi)輪廓進行掃描，掃描起點為隧道口初始位置，在整個區(qū)段內(nèi)掃描線共20條，于此隧道輪廓進行兩期數(shù)據(jù)采集，未發(fā)生變形的原始輪廓掃描數(shù)據(jù)為第一期，發(fā)生變形后的輪廓掃描數(shù)據(jù)為第二期。在隧道頂部發(fā)現(xiàn)塌陷情況;同時，兩側(cè)拱腰位置有一定擴張。結(jié)合實際情況處理采集到兩期數(shù)據(jù)，從而獲取變形信息。

2.1 區(qū)段收斂性分析

采用激光掃描處檢測，針對采集到的隧道斷面數(shù)據(jù)，先剔除非隧道面數(shù)據(jù)，并做濾波處理。隨后進行橢圓形擬合從而取得長、短軸信息，如表1、2所示，通過兩期斷面數(shù)據(jù)進行橢圓長短半軸值擬合。經(jīng)計算，可對隧道K+15～K+65之間的收斂擴張情況進行分析，并通過橢圓度計算來對隧道質(zhì)量狀況進行評價，則計算公式如下：

其中，橢圓度可由θ表示;橢圓長半軸可由a表示;橢圓短半軸可由b表示;標稱半徑可由r表示。

通過表1可見，隧道斷面橢圓擬合長、短半軸之間略有不同，存有差值，這表明進行橢圓形狀擬合具有一定合理性。與第一期橢圓長軸相比，第二期橢圓長軸有所增加，但在短軸方面，則呈減小趨勢，這表明，此區(qū)段隧道頂部收斂，拱腰位置擴張。通過上述數(shù)據(jù)可知，5號斷面為兩期數(shù)據(jù)長半軸最大差，13號斷面為短半軸最大差。伴隨橢圓程度的不斷增加，大多數(shù)斷面橢圓度為1%左右，相比0.6%標準較大，表明K+15～K+65區(qū)間具有較大斷面橢圓變形情況，基于此，需及時采取措施進行處治。

2.2 局部變形分析

通過三維曲面局部變形分析，按圖1將兩個曲面向同一三維坐標系轉(zhuǎn)換，其中第一期斷面數(shù)據(jù)插值結(jié)果由藍色曲面表示，第二期斷面數(shù)據(jù)插值結(jié)果由紅色曲面表示，由此可見，藍色為此區(qū)段隧道頂部，紅色為隧道拱腰，從而能夠?qū)λ淼朗諗?、擴張范圍準確判斷出來，通過分析可知，三維曲面局部變形分析結(jié)果與整體變形分析所得結(jié)果基本相同。在此曲面內(nèi)，選擇圖中紅圈部分的局部區(qū)域，通過三維MDP變形分析法，對曲面變形進行計算，則參考曲面為藍色曲面，從而對紅圈區(qū)域內(nèi)各點與參考曲面之間的距離進行計算，結(jié)果如表2所示。

由此可見，31.84mm為兩期數(shù)據(jù)MDP變形量的平均值，但30mm為實際變形量，因此，可得1.84mm為變形計算誤差值，由此可見，誤差值較小，可滿足要求。

3 結(jié)語

綜上所述，伴隨社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，公路建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴大，越來越多高速公路工程不得不修建在復雜地質(zhì)下，特別是山區(qū)地帶，為了保證施工安全及質(zhì)量，隧道工程應運而生。隧道工程是修建于山體的一種建筑物，是連接公路工程的重要紐帶。然而，因自然災害等因素影響，如暴雨、山體滑坡、地震等均會產(chǎn)生地質(zhì)變形問題，從而引發(fā)隧道初襯砌變形。隧道變形檢測是一種例行檢查工作，通過測量隧道變形情況，可真實了解到隧道的健康狀況，激光掃描是一種新興的、高精度、高速率、主動性強的隧道變形檢測技術(shù)，此檢測技術(shù)的應用，能夠克服傳統(tǒng)檢測的缺陷，可快速獲取變形測量數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準確性。

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