基于三維激光掃描的地下洞室危巖體識別與監(jiān)測技術(shù)

鄧人文，周家文，韓進奇，李海波，侯奇東

(1.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 四川 成都 610065；2.中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 成都 610081；3.四川大學 水利水電學院， 四川 成都 610065)

危巖體是指在多組結(jié)構(gòu)面切割，在自身重力、差異性風化、地應(yīng)力、巖爆開挖等多種因素作用下形成的穩(wěn)定性較差，逐漸與母巖分離，直致完全脫離母巖的巖體[1]。洞室危巖體常發(fā)生在斷層破碎帶、不整合接觸面及巖體結(jié)構(gòu)面不利組合地段，洞室開挖后圍巖由構(gòu)造應(yīng)力作用蓄集的能量得到釋放，使巖體碎片化造成掉落或彈射，其孕育具有漸進性、失穩(wěn)具有突發(fā)性，對洞室穩(wěn)定和施工人員安全造成極大威脅[2]。貓?zhí)铀募壱丛贙0+92—K0+109m區(qū)段沿結(jié)構(gòu)面形成17 m×9 m×7 m的掉落；青藏線關(guān)角隧道通過11條斷層帶,巖體掉落達60多次,最長達5 m,方量為1 500 m3；漁子溪、映秀灣電站在施工中也曾因圍巖掉落引起人身事故和支護物破壞[3]。

徐進軍等[4]將三維激光掃描技術(shù)引入到庫區(qū)滑坡變形監(jiān)測與分析中；Lemy 等[5]將三維激光掃描技術(shù)用于開挖隧洞圍巖襯砌變形測量中；董秀軍等[6]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高陡邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的測量研究中；劉昌軍等[7]將三維激光掃技術(shù)投入到高邊坡危巖體的識別與分類研究中。以上研究雖然將三維激光技術(shù)應(yīng)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域，但對地下洞室危巖體的調(diào)查研究卻較少，傳統(tǒng)的高邊坡危巖體勘察通過調(diào)查人員實地走訪和觀察，其調(diào)查直觀方便、實用性強，在多年的巖土工程勘察工程中發(fā)揮了不可或缺的作用[8]。

本文以白鶴灘左岸地下洞室為依托，其尺寸規(guī)模巨大、采光困難、面臨的工程地質(zhì)條件更為復(fù)雜隱蔽。造成統(tǒng)計危巖體的信息不全面、人工排查危巖體困難、難以解釋危巖體形成區(qū)域與洞室位置地質(zhì)情況的內(nèi)在聯(lián)系等問題。三維激光掃描技術(shù)基于遙感技術(shù)快速(5 min/次)、高密度(10 mm/點距)、高密度(mm級)獲取巖體表面信息[9]。準確記錄危巖體表面的三維坐標，對區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精準定位；激光掃描克服受光照條件影響；識別所在區(qū)域節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，建立危巖體與地質(zhì)條件的相互關(guān)聯(lián)。

1 基于三維掃描的危巖體監(jiān)測技術(shù)

1.1 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù) (Terrestrial Laser Scanning) 又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)新突破。它采用光電測距原理，發(fā)射并接收反射回來的激光脈沖信號，來確定物體表面點與掃描儀的相對空間位置關(guān)系，通過激光飛行時間(TOF)來計算每個反射點與儀器中心點的斜距ρ，儀器同時記錄水平向掃描角度α和垂直向掃描角度值θ，再根據(jù)空間幾何關(guān)系即可計算出每個反射點在位于儀器中心的笛卡爾坐標系(X-Y-Z)中的X、Y和Z坐標值。如圖1所示。

三維激光掃描技術(shù)可以在短時間內(nèi)捕獲測量區(qū)表面數(shù)千萬甚至數(shù)億個點的三維位置，以創(chuàng)建測量對象正確的三維幾何“圖像”。所獲得的空間點群稱為點云，可用于創(chuàng)建精確的三維表面模型或數(shù)字高程模型(DEM)，用于測繪、工程測量或進一步的巖土工程分析。

圖1 三維激光掃描測量原理件

三維激光掃描的另一個重要應(yīng)用是變化測量，通過對比同一個測量對象不同時刻的高精度三維模型，可計算出該物體在特定時間段內(nèi)的變化情況，如表面變形、凹陷、堆積、脫落等等。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.2.1 測站點設(shè)置

三維激光掃描通過主動發(fā)射激光脈沖信號來完成測量工作，不受環(huán)境光照的影響，因此可在黑暗的地下洞室中正常工作，如圖2所示。地下洞室一般都是狹長線性結(jié)構(gòu)，受掃描角度限制，需要沿洞軸線布置多個掃描站點，依次掃描。

圖2 三維激光掃描儀在隧洞中工作

掃描站點間距的設(shè)置直接影響掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量。掃描間距越小，掃描越精細，點云密度也越高，但是所需掃描時間就越長；反之掃描間距越大，點云就越稀，但過大的掃描間距會導致點云質(zhì)量大幅下降。這是由于掃描點云精度與激光入射角有關(guān)，入射角越大，激光越發(fā)散，精度也越低[10]。掃描間距越大，激光入射角越大，則點云密度越低，精度也越差，過稀的點云密度甚至會導致物體表面幾何信息的失真。合適的掃描間距是確保掃描質(zhì)量的關(guān)鍵，研究表明，當最大入射角θmax>65°時，點云誤差開始急劇上升[11]。本研究中，根據(jù)劉紹堂等[12]的建議，取掃描間距為1倍洞徑，這時最大入射角θmax=45°，滿足精度要求。

1.2.2 點云除噪

三維激光對地下洞室的掃描中，不可避免的受到機械設(shè)備、施工機械、電纜線、腳手架等設(shè)備的干擾，使得掃描的點云產(chǎn)生噪點，對洞室的變形監(jiān)測產(chǎn)生嚴重干擾,需要將其剔除。

其具體過程如下：將洞室點云切分為無數(shù)斷面，通過改進的最小二乘法橢圓擬合，解算出精確的斷面方程與斷面中心點，利用二次樣條曲線插值得出洞室中軸線[13]。基于地下洞室擬合的中軸線到洞壁的距離以及不同種類物體反射率的差異，將非洞室邊壁的點云提取出來并進行分類，最終集中剔除。中軸線法擬合下的噪點提取及分類過程見圖3。

圖3 噪點提取及分類

1.2.3 點云配準

點云配準，即站點拼接，將處在不同局部坐標系下的點云通過坐標轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到同一坐標系下形成一個三維整體的過程[14]。

目前常用的配準方式主要有無靶標的基于臨近點的ICP算法和有靶標的計算旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T的轉(zhuǎn)換算法兩類，但ICP 算法迭代耗時較長，且對初值選取要求高，一旦選取不慎，收斂速度會很慢或不收斂[15]。靶標配準是基于靶心作同名點[16]，根據(jù)配準算法，計算R與T，通過R與T的變換將所有點云統(tǒng)一到同一坐標系下。靶標配準原理見圖4。在三維空間內(nèi)，旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移矩陣T可以表示為：

(1)

T=(tXtYtZ)T

(2)

其中α、β、γ表示沿X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角，tX，tY，tZ表示位移量。

對于要匹配的兩個空間點云集合A={ai}，B={bi}，i=1,2,3……,n(見圖4)，目標即找到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)矩陣R與平移矩陣T，使函數(shù)

(3)

的值最小即可[16]。

圖4 靶標配準原理

1.3 危巖體監(jiān)測原理

最短距離測量法在變形監(jiān)測中非常有效，因為它允許檢測垂直、水平、傾斜的差異，而不是只有高度上的變化。正的SD數(shù)據(jù)中的點云位于參考點的上方或前面，負的SD數(shù)據(jù)中的點云位于參考點的下方或后面。在洞室變形監(jiān)測中，正的SD解釋為向巖體內(nèi)部變形，也可以解釋為巖崩引起的掉落；負的數(shù)據(jù)解釋為向臨空面變形，也可以解釋為卸荷回彈引起的外鼓。

在Riscanpro中，兩個連續(xù)點云之間的差異被計算為SD。對于數(shù)據(jù)點云的每個點i[Xi.data，Yi.data，Zi.data]。SD算法在參考點云中搜索最鄰近點j[Xj.ref,Yj.ref,Zj.ref]，計算兩個點云之間的SD向量Vi。

(4)

因此，SD算法不僅生成了連續(xù)數(shù)據(jù)集中最近點間的距離，還生成了SD向量vi的三維方向[17]。地下洞室基于圍巖剝落的SD向量見圖5。

圖5 基于圍巖剝落的SD向量

連續(xù)表面模型在特定時期內(nèi)的差異以可視化方式呈現(xiàn)，如變形量、變形區(qū)域、變形特征，因此可用作定量監(jiān)測。

2 白鶴灘大型地下廠房危巖體監(jiān)測

2.1 地下廠房基本情況

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第二個梯級電站。其左、右兩岸地下廠房內(nèi)部布置基本相同。主副廠房洞斷面尺寸為：長438 m，高88.7 m，巖錨梁以下寬為31.0 m，以上寬為34.0 m，是世界迄今為止最大的水電站地下洞室工程。其左岸的地下洞室三維模型見圖6。因此，白鶴灘地下廠房屬于典型的超大型地下洞室，采用三維激光掃描技術(shù)對其危巖體風險進行識別和監(jiān)測極有必要。

2.2 危巖體監(jiān)測結(jié)果

2.2.1 危巖體位置分布及體積

白鶴灘左岸地下洞室掃描時間跨度為2017年3月至2018年12月。以2017年3月、2017年8月、2017年12月、2018年3月分別作第1、2、3、4期。四次掃描歷時近12個月，圖7反映第一期與第四期變形情況。①區(qū)域是由現(xiàn)場施工條件干擾導致的數(shù)據(jù)缺失。②區(qū)域為由開挖卸荷引起的回彈及應(yīng)力重分布變形；③漸變層區(qū)域是危巖體區(qū)域，巖體朝圍巖方向凹陷，已發(fā)生破壞；④漸變層區(qū)域向臨空面鼓起，是潛在危巖體掉落區(qū)域，及時監(jiān)測并支護此區(qū)域以預(yù)防新一輪掉落。A、B、D、E區(qū)域為危巖體區(qū)域，C為潛在危巖體掉落區(qū)域。

圖6 地下洞室三維模型

圖7 洞室特定時期內(nèi)變形量

圖7顯示危巖體分布整體較為分散，一號機組至安裝間定位五個危巖體發(fā)育部位。為便于分析危巖體形成機理，同時顯示了主要斷層和層內(nèi)錯動帶(f表示斷層，LS表示層內(nèi)錯動帶)與危巖體的相對位置。

A區(qū)在左廠K0+000斷面附近一號機組處頂拱靠近上游邊墻處，其危巖體較集中，體積約23 m3。B區(qū)危巖體在二號機組處頂拱靠近下游邊墻處，沿主廠房軸線方向呈長條形分布，長度范圍跨越40余米，體積約619.2 m3。C區(qū)是洞室中部潛在危巖體掉落區(qū)域，在頂拱近上下游端均有分布，塊體整體厚度在2 cm以上，沿廠房軸線方向長度約90 m。D、E區(qū)均位于安裝間頂拱部分。D區(qū)危巖體最為集中，體積約114.9 m3。E區(qū)體積約123.8 m3，厚度不大，約10 cm。表1為危巖體分布區(qū)域統(tǒng)計情況。

2.2.2 圍巖變形監(jiān)測

C區(qū)域為樁號K1+180—K1+260區(qū)段，主要巖性為斜斑玄武巖，同時發(fā)育f717陡傾斷層及T720、T721陡傾硬性結(jié)構(gòu)面裂隙。圖8為C區(qū)域垂直廠房軸線剖面圖。

表1 危巖體分布區(qū)域概況

圖8 C區(qū)域垂直廠房軸線截面

由圖8可以看出，在C區(qū)域頂拱附近的變形并不顯著，為10 mm左右；主要的變形集中在側(cè)拱兩邊，約為30 mm，且越接近邊墻方向變形量越大。

圖9為三維激光基于反射率模式掃描下獲取的部分結(jié)構(gòu)面識別和此區(qū)域的節(jié)理分布。從圖9可以看出，節(jié)理優(yōu)勢發(fā)育方向為N80°E,發(fā)育條數(shù)集中在6 條～12 條，節(jié)理總體較發(fā)育。

圖9 K1+180—K1+260結(jié)構(gòu)面識別及節(jié)理分布

現(xiàn)將C區(qū)域上游側(cè)拱肩位置沿著平行于廠房軸線引一條直線取8個點，變形結(jié)果反映見圖10。

圖10 巖體表面變形監(jiān)測

由圖10可知變形由西向東逐級遞增，1、2期數(shù)據(jù)量級在0～10 mm量級，1、3期數(shù)據(jù)量級在0～15 mm量級，1、4期數(shù)據(jù)在0～25 mm量級，變形逐級遞減呈收斂趨勢。

洞室的穩(wěn)定性基本沿用材料力學的思路，以應(yīng)力與強度為中心以及其關(guān)系；來評定巖石所處狀態(tài)，而大量實踐證明這種應(yīng)力體系的理論在應(yīng)用中因巖體過于復(fù)雜而遭遇阻力。但不管隧道的作用機理如何復(fù)雜, 其經(jīng)受各種作用后的反應(yīng)可以用位移體現(xiàn)出來[18]。一般來說，洞室圍巖的卸荷回彈變形經(jīng)過一段時間達到一定數(shù)值后將趨于穩(wěn)定，這種在不會導致圍巖破壞情況下的最大變形，稱為圍巖的允許變形[19]。但在實際工程中由于地質(zhì)條件復(fù)雜及后期支護延遲導致巖體失穩(wěn)破壞對人員和工程造成安全隱患，故允許變形的確定是巖體失穩(wěn)的必要條件[20]。通過現(xiàn)場的測點變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，A、D、E的三個破壞區(qū)域(B區(qū)資料缺失)，發(fā)生臨界破壞狀態(tài)前大部分的平均變形達到50 mm左右，本文將此處的允許變形確定為50 mm(D允=50)。同時為了應(yīng)對圍巖破壞帶來的損害，對達到30 mm左右的巖體大變形區(qū)域提出預(yù)警預(yù)報(D預(yù)=30)，同時加強激光掃描的監(jiān)測頻率并觀察變形速率是否出現(xiàn)收斂跡象，對位移速率加大的位置進行破碎巖體的清除與支護[21]。

2.2.3 危巖體形態(tài)特征

圖11為洞室危巖體區(qū)域四組垂直廠房截面方向的危巖體形態(tài)，分別為板狀、楔形體狀、片狀、駝峰狀。圖11(a)板狀危巖體其厚度約為10 mm，此處節(jié)理裂隙較少且相對較小，對區(qū)域穩(wěn)定影響不大。但在開挖過程中由施工振動導致的裂隙延展，增多。形成的結(jié)構(gòu)面與巖層面切割，最后脫落形成板狀危巖體。圖11(b)楔形體狀破壞是危巖體中一種常見模式，又稱“V”字破壞，是由兩組及以上的結(jié)構(gòu)面與臨空面組合形成不穩(wěn)定楔形體。堅硬巖層受兩組交錯面斜節(jié)理切割，沿緩傾角結(jié)構(gòu)面下滑，兩側(cè)破壞的同時上部失衡崩塌出現(xiàn)“V”字形破壞。圖11(c)片狀巖體出現(xiàn)在側(cè)拱附近，開挖后圍巖出現(xiàn)垂直于臨空面方向的較高壓應(yīng)力，同時受斷層帶的切割影響，使斷層與臨空面間的圍巖被分割成薄層狀，在自身重力擾動下，巖體從巖層面層層剝落。圖11(d)駝峰形圍巖在側(cè)拱近邊墻附近，臨空面卸荷回彈及與巖層面平行的一對主應(yīng)力σ1共同擠壓作用下，部分巖體表現(xiàn)出外鼓，在后期的持續(xù)作用下最終掉落。

3 危巖體形成機理與演化討論

3.1 地下洞室基本地質(zhì)條件

3.1.1 地層巖性

左岸地下洞室揭露的巖性主要為P2β31層斜斑玄武巖、角礫熔巖、杏仁狀玄武巖以及隱晶質(zhì)玄武巖。巖質(zhì)堅硬，微新、無卸荷狀，巖體以次塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)。頂拱圍巖以Ⅲ1類為主，占91%，其余為Ⅱ類圍巖，占9%。邊墻圍巖類別主要為Ⅲ1類，上下游側(cè)邊墻Ⅲ1類圍巖均占90%，少量Ⅱ類及Ⅳ巖體，分別4%、6%。圖12為左岸地下廠房地質(zhì)縱剖面圖。

3.1.2 結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況

主要發(fā)育斷層f717,f720,f721等，寬度2 cm～20 cm，帶內(nèi)物質(zhì)以節(jié)理化構(gòu)造巖、構(gòu)造角礫巖為主，巖塊巖屑為A型。層間錯動帶C2沿P2β24層凝灰?guī)r中部發(fā)育，產(chǎn)狀為N42°～45°E，SE∠14°～17°，錯動帶厚度10 cm～60 cm，平均厚度約20 cm，泥夾巖屑型，遇水即軟化。層內(nèi)錯動帶LS3152發(fā)育P2β31層頂部，帶寬2 cm，帶內(nèi)為角礫化構(gòu)造巖。

左岸地下洞室優(yōu)勢節(jié)理分為三組：① N35°～60°W，SW，∠75°～85°；② N24°～55°E，SE，∠68°～78°；③ N35°～ 50°E，SE，∠15°～22°，三組裂隙與洞室洞軸線的赤平投影圖，如圖13所示。

圖11 危巖體截面形態(tài)特征

圖12 左岸地下廠房地質(zhì)縱剖面

圖13 優(yōu)勢裂隙與廠房軸線赤平面投影

3.1.3 地應(yīng)力

受喜山期運動(NW-NWW方向的區(qū)域擠壓)的影響，白鶴灘水電站左岸地下洞室圍巖的應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，為典型的“駝峰狀”應(yīng)力分布形式。洞軸線方向為N20°E，第一和第二主應(yīng)力基本水平，第三主應(yīng)力大致垂直。σ1方向為N40°W左右，傾角5°～13°，量值約在19 MPa～23 MPa；σ2量值在13 MPa～16 MPa；σ3在6.7 MPa～8.7 MPa之間，方向變化大，傾角多 50°～75°。巖石強度應(yīng)力比為(Rb/σ1)為3.22～5.89，局部應(yīng)力集中可達30 MPa以上，總體上屬于高應(yīng)力區(qū)。

3.2 危巖體發(fā)育機理

B區(qū)域為四塊危巖體區(qū)域中體積最大(619.2 m3)、分布最集中的一塊,現(xiàn)以B區(qū)域為例分析其危巖體形成到掉落過程，簡要揭示危巖體發(fā)育機理。B區(qū)圍巖主要由P2β23和P2β31層隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、角礫熔巖等組成。此區(qū)域危巖體的形成受幾個方面影響。施工震動方面：表層巖體受施工擾動作用，在剪切破壞作用下通過巖體裂紋向深部傳遞并釋放圍巖應(yīng)力，深層巖部開始形成松動區(qū)。結(jié)構(gòu)面方面：結(jié)構(gòu)面的切割使連接兩側(cè)部位的巖體在表面逐漸松動，巖體上部膠結(jié)住母巖，更易使得上部在重力作用下拉裂。應(yīng)力方面：與臨空面方向平行的切向應(yīng)力σ1顯著增加，卸荷方向的法向應(yīng)力σ3急劇下降，兩個方向應(yīng)力的巨大反差導致平行于卸荷方向的張性裂隙迅速擴張。張性裂隙破壞巖體的完整性，使巖體結(jié)構(gòu)更加松弛。同時應(yīng)力重分布下集中應(yīng)力接近原來三倍，產(chǎn)生塑性屈服變形，受最大主應(yīng)力σmax方向和洞周輪廓線大角度相交的位置關(guān)系影響[22-23]，圍巖易發(fā)生脆性破壞。圖14為最大主應(yīng)力下圍巖破壞狀態(tài)。其他因素方面：盡管開挖面為弱風化區(qū)，但f721斷層和LS3254和LS3253層內(nèi)錯動帶使得裂隙在此交錯分布，空氣、溫度、地下水等風化營力通過其楔入深部巖體[24]，在表層和深部巖體接觸部位形成差異性風化。受上述因素綜合影響，使得巖體變形模量和承載力急劇降低，張性裂縫連續(xù)貫通，長期受自重及擾動影響從巖層掉落。

圖14 最大主應(yīng)力下圍巖破壞狀態(tài)

4 結(jié) 論

通過總結(jié)三位激光技術(shù)在白鶴灘左岸地下洞室危巖體調(diào)查中的應(yīng)用，獲得以下幾點認識：

(1) 三維激光技術(shù)在白鶴灘左岸地下洞室中實現(xiàn)了對危巖體區(qū)域精準定位，同時展示了危巖體的形態(tài)特征。

(2) 三維激光技術(shù)對圍巖變形監(jiān)測可以做到及時捕捉，有利于現(xiàn)場人員及時加強支護，有效降低了洞室工作人員的傷亡風險。

(3) 三維激光技術(shù)在地下洞室危巖體的應(yīng)用尚在開端，因其自動排查，便利高效，在未來的地下空間地理信息監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊前景。