三維激光掃描儀自由設(shè)站法在施工期水工隧洞變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

許燁璋，張 煒，符蓓蕾，屠鐵威，丁國(guó)章

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院） ，浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；3.紹興市曹娥江流域中心，浙江 紹興 312099）

0 引 言

隧道施工期間，周?chē)刭|(zhì)情況的復(fù)雜性以及施工過(guò)程中巖土力學(xué)行為不斷變化等因素會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生綜合影響，從而使隧道發(fā)生變形。因此，隧道的變形監(jiān)測(cè)是隧道施工安全控制的重要環(huán)節(jié)[1]。隧道外部變形是其內(nèi)在受力的外部表現(xiàn)，常規(guī)單點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方法無(wú)法全面描述監(jiān)測(cè)物體的表面信息[2-4]。采用攝影測(cè)量方法獲取監(jiān)測(cè)物體的三維模型，其圖像采集精度受觀測(cè)條件影響較大，后期處理繁瑣且穩(wěn)定性不高[5-6]。傳統(tǒng)的洞室、隧道變形監(jiān)測(cè)方法是：開(kāi)挖期間，在墻體內(nèi)部預(yù)埋收斂計(jì)、位移計(jì)等傳感器以及巴賽特收斂系統(tǒng)[7]、光纖Bragg光柵傳感技術(shù)[8-9]等，其局限性在于預(yù)埋的傳感器只能監(jiān)測(cè)每隔一定距離的特定部位斷面的幾何信息，而無(wú)法進(jìn)行整體變形量監(jiān)測(cè)以及三維可視化。

三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取被測(cè)物體表面大量的、連續(xù)的、密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠全面地反映被測(cè)物體的幾何外形信息[10-11]。近年來(lái)三維激光掃描技術(shù)不斷被運(yùn)用到各類(lèi)工程的變形監(jiān)測(cè)中，取得了良好的應(yīng)用效果[12-14]。

文章介紹了在浙江省某抽水蓄能電站的水工隧洞在掘進(jìn)施工過(guò)程中采用三維激光掃描儀自由設(shè)站法用于隧洞變形監(jiān)測(cè)的方法。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 掃描儀器

本次隧洞三維激光掃測(cè)采用德國(guó)Z+F Imager 5016相位式三維激光掃描儀，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Z+F Imager 5016三維激光掃描儀主要參數(shù)

1.2 公共點(diǎn)布設(shè)

為進(jìn)一步針對(duì)性地監(jiān)測(cè)隧洞在施工期間的變形情況，選擇隧洞內(nèi)20 m長(zhǎng)的一段距離進(jìn)行掃描試驗(yàn)，在隧洞頂部4個(gè)角落里布設(shè)固定不動(dòng)的掃描靶球作為公共基準(zhǔn)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。4個(gè)公共基準(zhǔn)點(diǎn)的作用主要有2個(gè)，一是給每一期掃描的各測(cè)站點(diǎn)云提供公共配準(zhǔn)點(diǎn)，二是給前后用作變形分析的二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供變形分析的基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)靶球圖（公共點(diǎn)）

1.3 自由設(shè)站實(shí)現(xiàn)

選取隧道中軸線斷面里程距50~70 m段作為本次變形監(jiān)測(cè)研究段，在該段范圍上沿著隧洞的中軸線均勻布設(shè)3站掃描位置，每站的位置大致位于20 m長(zhǎng)中軸線的等分點(diǎn)上，且每站掃描位置都能夠掃測(cè)到4個(gè)靶球。掃描儀每次只需要架設(shè)在3個(gè)等分點(diǎn)附近位置處即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該斷隧道的自由設(shè)站式掃描，設(shè)站位置布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 隧洞掃描設(shè)站示意圖

每站掃描時(shí)均將掃描儀掃描參數(shù)設(shè)置為最高精度和最高分辨率模式，目的是采集到分辨率和精度都最高的隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)以便于后期變形分析和建模處理。掃描作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3 a）和3 b）。

圖3 掃描作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)原理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的目的是將每期掃測(cè)的3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及二期掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下，由于二期掃描的3個(gè)測(cè)站都同時(shí)掃測(cè)到了布設(shè)在隧道頂部的4個(gè)靶球，因此4個(gè)靶球球心點(diǎn)可以作為每期各個(gè)測(cè)站之間和二期之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算的公共點(diǎn)。公共點(diǎn)計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)按照公式（1）進(jìn)行。

式中：（X，Y，Z）為轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)；（x，y，z）為轉(zhuǎn)換前坐標(biāo)；μ為尺度因子；α、β、γ分別為x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的旋轉(zhuǎn)角度；（x0，y0，z0）為3個(gè)平移參數(shù)。

2.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)實(shí)施

具體流程為先將第一期第2和第3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到第一期第1站點(diǎn)云坐標(biāo)系中形成第一期隧洞整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)第二期隧洞3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)作相同操作。靶球點(diǎn)云處理采用天寶Realworks軟件，通過(guò)球面點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算出球心的空間三維坐標(biāo)，靶球擬合效果見(jiàn)圖4，隧洞掃測(cè)第一期3站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)好后整體點(diǎn)云見(jiàn)圖5，點(diǎn)云配準(zhǔn)數(shù)學(xué)精度見(jiàn)表2。

圖4 靶球擬合效果圖

圖5 隧洞第一期3站點(diǎn)云配準(zhǔn)后整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

表2 點(diǎn)云配準(zhǔn)數(shù)學(xué)精度表

2.3 二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

將完成配準(zhǔn)后的二期隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用天寶Realworks軟件進(jìn)行三維建模處理，具體采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模功能模塊。首先選擇一期隧洞點(diǎn)云數(shù)據(jù)，軟件會(huì)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用三角網(wǎng)法自動(dòng)構(gòu)建隧洞表面三維模型，二期點(diǎn)云建模結(jié)果見(jiàn)圖6~7。

圖6 隧洞第一期點(diǎn)云建模效果圖（中間黃色連續(xù)區(qū)域）

圖7 隧洞第二期點(diǎn)云建模效果圖（中間藍(lán)色連續(xù)區(qū)域）

為了直觀地顯示建模的精度和效果，將每期點(diǎn)云數(shù)據(jù)建好的模型和參與對(duì)應(yīng)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起顯示，見(jiàn)圖8~9，其中紅色離散點(diǎn)代表掃測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，黃色及藍(lán)色連續(xù)區(qū)域代表對(duì)應(yīng)點(diǎn)云所建模型。

圖8 隧洞第一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型疊加效果圖

圖9 隧洞第二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型疊加效果圖

2.4 基于三維模型的變形分析

采用天寶Realworks軟件的監(jiān)測(cè)/檢測(cè)圖分析工具對(duì)二期拱頂模型進(jìn)行疊置分析以顯示及提取洞室的三維整體變形量，根據(jù)變形值進(jìn)行賦色渲染，二期三維模型疊置分析變形顯示效果見(jiàn)圖10。

圖10 隧洞二期三維模型疊置分析變形圖

由圖10可知，顏色偏紅也即變形量值大的變形點(diǎn)多集中在靠近隧洞掘進(jìn)開(kāi)挖方向的一側(cè)，其變形數(shù)值最大約為5 mm，由于隧洞在掘進(jìn)施工中多采用爆破方式，爆破產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)給整個(gè)隧洞帶來(lái)一定影響，因此變形的結(jié)果也與施工情況相符合。

利用軟件的查詢工具可以查詢顯示指定位置處的變形信息，包括變形點(diǎn)的變形數(shù)值，變形值在三維坐標(biāo)系中的變形分量等。變形信息查詢顯示效果見(jiàn)圖11。

圖11 三維變形信息查詢圖

3 結(jié) 論

本文采用德國(guó)Z+F Imager 5016三維激光掃描儀分兩期掃描了處于掘進(jìn)施工中的水工隧洞，通過(guò)自由設(shè)站法采集二期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用Realworks軟件實(shí)現(xiàn)了基于三維模型的變形分析及顯示，得到以下主要結(jié)論：

1）三維激光掃描儀自由設(shè)站法具備靈活高效且無(wú)需建造固定觀測(cè)墩的優(yōu)點(diǎn)，十分適用于工況環(huán)境復(fù)雜多變的監(jiān)測(cè)環(huán)境，因此該方法具備一定的推廣性。

2）水工隧洞等大型地下工程在施工過(guò)程中需要高頻率地了解其變形狀況，三維激光掃描技術(shù)以其自動(dòng)化程度高，配套軟件功能齊全等優(yōu)勢(shì)十分適用于此類(lèi)地下工程的變形監(jiān)測(cè)。

3）三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅可以用于變形監(jiān)測(cè)，還可以將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與工程設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算出施工與設(shè)計(jì)的偏差情況。