基于通用設(shè)備的隧道圍巖與結(jié)構(gòu)實(shí)用掃描系統(tǒng)及應(yīng)用

郭建波

(中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司 北京 100040)

1 引言

梨花頂隧道位于北京市東北部，貫穿北京市密云區(qū)大城子鎮(zhèn)和河北承德市六道河鎮(zhèn)，全隧處于山區(qū)。隧道進(jìn)口里程為 D1K85＋116，出口里程為D1K97＋359，全長12 243 m，為單洞雙線隧道。隧道內(nèi)線間距5.0 m，隧道最大埋深為542.77 m。在施工過程中，由于巖體節(jié)理裂隙和爆破擾動的影響，隧道實(shí)際開挖輪廓凹凸起伏，支護(hù)結(jié)構(gòu)也與設(shè)計(jì)有明顯差異。因此，及時、準(zhǔn)確和全面掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)情況對施工質(zhì)量安全管理至關(guān)重要[1-2]。

通常情況下，隧道開挖輪廓主要通過人工尺量或斷面儀掃描的方法進(jìn)行檢測，不僅檢測速度慢，還要經(jīng)常面臨掉塊、坍塌的危險，因而難以頻繁開展。為了快速全面獲取目標(biāo)體的幾何和影像信息，在信息技術(shù)領(lǐng)域開展了長期大量的研究，美國學(xué)者M(jìn)arc Levoy在1994年采用掃描儀與彩色照片相結(jié)合的建模技術(shù)[3]，初步實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)體的幾何信息采集和三維建模[4-5]。近年來隨著三維掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，掃描精度以及對目標(biāo)體的還原程度不斷提高，掃描儀器的靈活度也逐步提高[6-11]，相關(guān)技術(shù)也逐步在隧道工程領(lǐng)域得以嘗試。例如，仇文革等人[12]從前期采用立體坐標(biāo)量測儀，逐點(diǎn)測量并求解了各點(diǎn)物方坐標(biāo)，繪制了隧道的開挖輪廓立體圖，到近年來逐步采用三維數(shù)字圖像掃描技術(shù)分析并提取隧道工程的地質(zhì)條件[13]。許磊等人[14]通過對整座隧道的分站式地面激光掃描，獲取了隧道整體激光點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)了超挖及欠挖部位的自動化檢測。這些方法的共同之處在于，通過車載設(shè)備或地面架設(shè)設(shè)備的方法對開挖輪廓或支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，由于設(shè)備到目標(biāo)體的距離較遠(yuǎn)，而隧道內(nèi)空氣及環(huán)境又比較惡劣，因此對儀器設(shè)備的性能要求很高，這大大限制了這類設(shè)備的推廣應(yīng)用。針對隧道圍巖與結(jié)構(gòu)精細(xì)化掃描存在的上述難題，本文作者研制了一種圍巖與結(jié)構(gòu)實(shí)用掃描系統(tǒng)，通過將掃描設(shè)備貼近圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)表面，從而降低對掃描設(shè)備的性能要求，進(jìn)而降低設(shè)備成本。

2 實(shí)用掃描系統(tǒng)總體方案

實(shí)用掃描系統(tǒng)通過沿隧道縱向和環(huán)向移動掃描設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對圍巖和結(jié)構(gòu)表面的全面覆蓋。如圖1所示，在隧道初期支護(hù)頂部或兩側(cè)安裝縱向滑軌，在縱向滑軌上安裝環(huán)向滑軌，在環(huán)向滑軌上搭載掃描設(shè)備(包括攝像、測距和測溫等設(shè)備)?？v向滑軌采用工字鋼軌道，伺服電機(jī)驅(qū)動；環(huán)向軌道采用硬質(zhì)鋁合金骨架，骨架上安裝高強(qiáng)自潤滑塑鋼齒圈，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，如圖2所示。

通過環(huán)向滑軌及其搭載的掃描設(shè)備在縱向滑軌上沿隧道縱向移動，以及掃描設(shè)備在環(huán)向滑軌上環(huán)向移動，實(shí)現(xiàn)對隧道圍巖和結(jié)構(gòu)表面的全面掃描，收集隧道結(jié)構(gòu)缺陷、隧道超欠挖程度及隧道內(nèi)溫度等信息，并由隧道內(nèi)部通訊系統(tǒng)與隧道外部通訊系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)在隧道外部對隧道施工現(xiàn)場信息的收集、整理與分析。

圖2 實(shí)用掃描系統(tǒng)

3 主要掃描設(shè)備

為了適應(yīng)下一步智能建造的需要，系統(tǒng)主要搭載AR智能眼鏡、激光測距和溫濕度監(jiān)測設(shè)備。

(1)AR智能眼鏡

AR智能眼鏡是一部集處理器模組、顯示模組、供電模組、攝像模組、控制模塊、傳感器模塊、通信模塊于一體的，擁有獨(dú)立操作系統(tǒng)的智能可穿戴設(shè)備。本系統(tǒng)采用炬視科技的C300工業(yè)級智能眼鏡(見圖3)，經(jīng)技術(shù)開發(fā)，可滿足雙軌掃描系統(tǒng)中掃描組件的技術(shù)要求。

圖3 炬視C300工業(yè)級智能眼鏡組成部件

(2)其它輔助設(shè)備

為滿足隧道測距、測溫及病害識別的需要，系統(tǒng)還搭載以下設(shè)備:

①紅外測溫、測距組件:將DS18B20數(shù)字溫度傳感器等技術(shù)與傳統(tǒng)紅外測溫、測距技術(shù)相結(jié)合，對AR智能眼鏡進(jìn)行二次開發(fā)，掃描組件中融入PLC控制與相應(yīng)通訊技術(shù)，確保定位后的精準(zhǔn)測距。

2.2 設(shè)備相關(guān)性因素(device related) 設(shè)備相關(guān)性因素包括:氣管插管、呼吸機(jī)管路及鼻飼管等。插管12 h后，細(xì)菌在氣管插管內(nèi)壁形成一種生物膜，生理鹽水滴注到氣管插管、吸痰、咳嗽、體位改變或重新氣管插管等造成生物膜脫落，同時口咽部分泌物積存于聲門與氣囊上腔隙內(nèi)，引起細(xì)菌生長繁殖。當(dāng)氣囊壓力不足時，分泌物滑過氣囊落入肺部，是VAP難治和反復(fù)發(fā)生的原因之一［11］。ICU危重患者因長期臥床及留置鼻胃管，胃食管括約肌松弛易致反流，胃反射抑制排空延遲、胃腸張力降低易發(fā)生誤吸，研究表明，再次插管及誤吸使VAP發(fā)生增加6倍。此外，呼吸機(jī)管路也是細(xì)菌定植的重要場所［12-13］。

②病害識別組件:該組件功能由工業(yè)級AR智能眼鏡結(jié)合PLC控制技術(shù)進(jìn)行海量圖片信息采集，通過深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

4 通訊方案及掃描系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)

4.1 通訊解決方案

隧道洞內(nèi)外通訊系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 通訊系統(tǒng)架構(gòu)

4.1.1 隧道內(nèi)信息傳輸方案

采用架設(shè)室外無線WiFi AP的方式，進(jìn)行現(xiàn)場的信息傳輸?，F(xiàn)場測試采用華為AP8130DN大功率WiFi AP，接入AP端，可實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場300 m左右范圍內(nèi)無線信號的全面覆蓋。掃描系統(tǒng)通過無線的方式與AP端連接，并在隧道施工現(xiàn)場不同位置根據(jù)信號強(qiáng)弱切換不同AP端，保障信號傳輸順暢，實(shí)現(xiàn)掃描系統(tǒng)處于隧道現(xiàn)場任何位置均可與服務(wù)器之間保持穩(wěn)定、高質(zhì)量的無線信號傳輸。

4.1.2 隧道外信號傳輸方案

由隧道口到隧道外接收端的信號傳輸有基于內(nèi)網(wǎng)的有線傳輸、無線傳輸兩種近距離方案，與一種基于外網(wǎng)的遠(yuǎn)距離無線信息傳輸方案。

(1)內(nèi)網(wǎng)有線傳輸方案

(2)內(nèi)網(wǎng)無線傳輸方案

該方案主要通過網(wǎng)橋與網(wǎng)橋之間的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)網(wǎng)的無線信息傳輸。于隧道洞口處以及隧道外部服務(wù)器端WiFi AP處各架設(shè)一個網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)信號的接收，進(jìn)而傳輸隧道內(nèi)部數(shù)據(jù)。連接方式如圖5所示。

圖5 內(nèi)網(wǎng)無線傳輸方案示意

(3)外網(wǎng)無線遠(yuǎn)距離傳輸方案

借助外網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離實(shí)時傳輸。施工現(xiàn)場人員佩戴智能眼鏡并與攜帶的個人熱點(diǎn)自動連接，實(shí)現(xiàn)智能眼鏡端數(shù)據(jù)的接入與輸出。遠(yuǎn)距離PC端人員登錄PC版系統(tǒng)，現(xiàn)場人員登錄相應(yīng)APP，實(shí)現(xiàn)基于外網(wǎng)(4G信號或互聯(lián)網(wǎng))及云端的信息傳輸。

4.2 掃描系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)

(1)智能眼鏡端掃描方式

采用15 W步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)速約600 rpm，使用10 mm絲桿與軌道系統(tǒng)連接，設(shè)定沿環(huán)向軌道每秒移動25 cm的距離并對圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測距及拍照工作。

(2)后臺系統(tǒng)工作方式

通過使用由炬視科技研發(fā)的與其智能眼鏡系統(tǒng)協(xié)同工作的遠(yuǎn)程可視化系統(tǒng)，將智能眼鏡攝像頭掃描獲取的信息編碼壓縮后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至后端服務(wù)器，用戶使用瀏覽器或者客戶端訪問服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)在PC端或移動智能設(shè)備端獲取現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)功能。

5 實(shí)用掃描系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)與功能

(1)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

通過設(shè)置縱向滑軌和環(huán)向滑軌，使掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)縱向和環(huán)向移動，全面覆蓋隧道圍巖和結(jié)構(gòu)表面。簡單的軌道系統(tǒng)為掃描系統(tǒng)提供了快捷、穩(wěn)定和低成本的定位平臺；由于掃描系統(tǒng)距離被掃描的圍巖和結(jié)構(gòu)表面很近，對掃描系統(tǒng)的分辨率和精度的要求都很低，可以大大降低全息掃描的儀器設(shè)備成本。

(2)技術(shù)指標(biāo)

實(shí)用掃描系統(tǒng)為快速掌握圍巖和結(jié)構(gòu)的狀態(tài)提供了快捷、穩(wěn)定和低成本的定位平臺。其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)

利用本實(shí)用掃描系統(tǒng)，并經(jīng)過相應(yīng)的適應(yīng)性改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)以下功能:①全面收集隧道施工階段圍巖地質(zhì)條件信息；②高效且精準(zhǔn)獲取隧道開挖輪廓；③精細(xì)地支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢查；④有針對性地支護(hù)結(jié)構(gòu)病害檢查；⑤及時地結(jié)構(gòu)質(zhì)量監(jiān)控。

由于掃描系統(tǒng)距離被掃描的圍巖和結(jié)構(gòu)表面很近，對掃描系統(tǒng)的分辨率和精度要求都很低，可以大大降低全息掃描的儀器設(shè)備成本。

6 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)一套雙軌掃描機(jī)構(gòu)，采用通用監(jiān)測設(shè)備，研制了隧道圍巖與結(jié)構(gòu)實(shí)用掃描系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的快速、全面和低成本掃描。

(1)實(shí)用掃描系統(tǒng)通過沿隧道縱向和環(huán)向移動掃描設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的全面覆蓋。

(2)系統(tǒng)搭載AR智能眼鏡和測距、測溫等監(jiān)測檢測設(shè)備，并采用多種通訊模式，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控掃描的遠(yuǎn)程自動化控制。

(3)系統(tǒng)定位精度±1 mm，影像分辨率達(dá)到1 280 P，測距精度±1 cm，測溫精度±0.5℃，滿足施工管理和質(zhì)量安全控制要求，成本低、使用方便。

(4)結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性，說明其在隧道工程中運(yùn)用的可行性。通過其主系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對隧道超欠挖的信息采集，肯定了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于隧道施工過程中的實(shí)際意義。