近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法應(yīng)用研究

鄧 俊

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

隨著我國公路建設(shè)水平的不斷發(fā)展，隧道工程正在不斷建設(shè)。隧道工程質(zhì)量控制主要包括隧道圍巖收斂及拱頂沉降等內(nèi)容，可以最直觀的了解隧道力學(xué)動(dòng)態(tài)變化，是保障隧道施工質(zhì)量和安全的重要手段。隨著數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，近景攝影測(cè)量取得了跨越式發(fā)展，與傳統(tǒng)的三維測(cè)量方法相比，近景攝影測(cè)量采用非接觸式量測(cè)手段，可獲得大量物方監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的位移變形情況，在隧道工程質(zhì)量控制領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。國內(nèi)許多專家學(xué)者對(duì)近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制進(jìn)行相關(guān)研究，吳世棋等通過使用國產(chǎn)攝影經(jīng)緯儀進(jìn)行攝影測(cè)量，需要專業(yè)設(shè)備和布設(shè)固定控制點(diǎn)。賀躍光等對(duì)數(shù)字近景攝影測(cè)量進(jìn)行深入研究，開發(fā)了攝影測(cè)量系統(tǒng)并應(yīng)用于地礦測(cè)量中。王國輝等、田勝利等通過改進(jìn)P-H算法對(duì)隧道圍巖收斂和拱頂沉降變形進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，不布設(shè)固定控制點(diǎn)，可自由設(shè)站。Satoru M等采用布置大量控制點(diǎn)結(jié)合攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行隧道圍巖收斂和拱頂沉降變形測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難較大。綜上所述，基于隧道工程質(zhì)量控制的特殊性和重要性，非常有必要對(duì)近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法進(jìn)行深入研究，可極大的豐富隧道質(zhì)量控制方法，有效保障隧道工程質(zhì)量和施工安全。

1 近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法

近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法包含了單向攝影和線性變換等算法，通過采用單張影像在一個(gè)平面內(nèi)檢測(cè)隧道圍巖收斂及拱頂沉降變形值的方法，根據(jù)不同時(shí)段圍巖變形前后影像計(jì)算待測(cè)點(diǎn)變形量。

1.1 單向攝影

單向攝影采用數(shù)碼相機(jī)居中拍攝，左右兩側(cè)垂直立起標(biāo)準(zhǔn)桿的方式，采用獨(dú)立坐標(biāo)系下的距離相對(duì)控制方法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。使用單向攝影方法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)變形值時(shí)，首先應(yīng)通過焦距f和攝影距離H的比值(或者待測(cè)物實(shí)際長(zhǎng)度L與像方長(zhǎng)度l的比值)來計(jì)算成像比例尺?？捎上率酱_定變形值

(1)

式中:Δxi、Δyi為點(diǎn)在像平面內(nèi)的位移，H為拍攝距離，f為攝影機(jī)焦距。

標(biāo)準(zhǔn)桿應(yīng)具有明顯的刻度，假定標(biāo)準(zhǔn)桿上的一點(diǎn)為單向攝影平面控制點(diǎn)，可通過上式計(jì)算其他平面控制點(diǎn)坐標(biāo)，再采用線性變換算法計(jì)算隧道圍巖收斂及拱頂沉降觀測(cè)點(diǎn)物方坐標(biāo)。

1.2 線性變換

單向攝影平面與物方平面之間的投影轉(zhuǎn)化關(guān)系可通過線性變換實(shí)現(xiàn)。線性變換基本關(guān)系式為

(2)

首先需求解4個(gè)控制點(diǎn)，再來解算l系數(shù)近似值，解得l系數(shù)后，聯(lián)立所有像點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)方程計(jì)算相應(yīng)的物方平面坐標(biāo)(X,Y)近似值。設(shè)單向攝影平面坐標(biāo)量測(cè)值改正數(shù)為(vx,vy)，當(dāng)單向攝影平面控制點(diǎn)多于4個(gè)時(shí)，可得到如下關(guān)系式

(3)

相應(yīng)的誤差方程式為

(4)

式中

V=[vxvy]T

L=[l1l2l3l4l5l6l7l8]T

A=l7X+l8Y+1

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的像片不少于1張時(shí)，可得出如下誤差方程式

(5)

線性變換方法計(jì)算出該待測(cè)點(diǎn)在單向攝影平面物方坐標(biāo)后，通過不同時(shí)段圍巖變形前后影像計(jì)算待測(cè)點(diǎn)變形量?？捎上率接?jì)算變形值

(6)

2 工程應(yīng)用

本次實(shí)驗(yàn)以義烏至武義公路隧道工程為依托，對(duì)近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。每個(gè)隧道斷面布設(shè)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別觀測(cè)4個(gè)時(shí)段，隧道斷面檢測(cè)點(diǎn)分布見圖1。隧道單向攝影時(shí)數(shù)碼相機(jī)居中拍攝，數(shù)碼相機(jī)安放在距離隧道檢測(cè)斷面約10～15 m左右范圍內(nèi)。同時(shí)保持?jǐn)?shù)碼相機(jī)單向攝影位置不變，每斷面同一時(shí)段拍攝6張影像，采用其中最清晰的影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 隧道斷面檢測(cè)點(diǎn)分布圖

圖1中點(diǎn)3為拱頂沉降檢測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)1與點(diǎn)2的連線為測(cè)線L1-2，……，其它測(cè)線依此類推。根據(jù)隧道圍巖等級(jí)及設(shè)計(jì)要求，以不同的間隔距離設(shè)置檢測(cè)斷面。在隧道質(zhì)量控制中，測(cè)點(diǎn)監(jiān)控拱頂沉降，測(cè)線描述收斂變形。

采用近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法計(jì)算出的圍巖收斂及拱頂沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)分別見表1和表2。表2中測(cè)線H2-3代表拱頂沉降檢測(cè)點(diǎn)3到圍巖收斂檢測(cè)點(diǎn)2的高差，其它測(cè)線依此類推；時(shí)段1、2、3、4表示不同時(shí)段的檢測(cè)數(shù)據(jù)；假定時(shí)段1的收斂變形值和拱頂沉降值為零，則其它時(shí)段的圍巖收斂及拱頂沉降變形值為該時(shí)段變形值與時(shí)段1變形值的差值。

表1 圍巖收斂數(shù)據(jù)表/mm

表2 拱頂沉降數(shù)據(jù)表/mm

由表1和表2可知，采用近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法對(duì)相同測(cè)線不同時(shí)段的圍巖收斂及拱頂沉降變形量進(jìn)行量測(cè)，各測(cè)線和測(cè)點(diǎn)變形量總體趨勢(shì)保持一致，與隧道施工過程中的圍巖變形規(guī)律基本相符，同時(shí)隨著隧道圍巖變形趨于穩(wěn)定后，隧道圍巖變形范圍在0.5～1 mm之間，能夠滿足隧道工程質(zhì)量控制和設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

為驗(yàn)證該質(zhì)量控制方法精度，采用全站儀法進(jìn)行可靠性分析，即利用全站儀觀測(cè)不同距離校核數(shù)的實(shí)際長(zhǎng)度，并假定該實(shí)際長(zhǎng)度為真值。表3為該質(zhì)量控制方法不同距離校核數(shù)可靠性驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

表3 不同距離校核數(shù)可靠性驗(yàn)證數(shù)據(jù)

由表3可知，通過不同距離校核數(shù)可靠性驗(yàn)證，距離相對(duì)精度達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期，表明該質(zhì)量控制方法具有較高可靠性；距離校核數(shù)越多，距離相對(duì)精度越高，可靠性越高。

3 結(jié) 論

該文對(duì)近景攝影測(cè)量隧道工程質(zhì)量控制方法進(jìn)行深入研究，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果表明該質(zhì)量控制方法準(zhǔn)確可靠，具有較高可靠性，可極大的豐富隧道質(zhì)量控制方法，有效保障隧道工程質(zhì)量和施工安全。該質(zhì)量控制方法不僅在隧道施工中有廣泛的應(yīng)用，還可以推廣到其它土木工程建設(shè)施工中，如橋梁施工線形測(cè)量、沉降觀測(cè)，同時(shí)在高速鐵路建設(shè)中也有廣泛應(yīng)用前景。