鉆孔置入式地下空洞三維激光(聲吶)掃描技術研究與應用

丁 朋，付 華，鄒宇杰，杜興忠

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

隨著城市地下空間、城市地下綜合管廊、海綿城市、西部水電項目和新能源等工程建設項目的蓬勃發(fā)展，溶洞、塌陷區(qū)、采空區(qū)等對市政、交通、水利水電、礦山等工程安全造成威脅，精確探測地下空洞對于工程地質勘察、地質災害防治、巖溶洞穴綜合利用等具有重要意義。

地下空洞具有隱蔽性和不確定性，通過地質鉆探或人工開挖對其進行探測，存在成本高、效率低等弊端；地質雷達、層析成像、瞬變電磁等傳統(tǒng)工程物探方法，能夠圈定出地下空洞的大致位置，但無法精確探測出地下空洞的形態(tài)、規(guī)模和走向。國內已大量應用激光掃描技術掃描隧洞、箱涵、采空區(qū)等大型洞室，所用設備主要為國外產品，一般通過人體背負掃描裝置進入待測洞室或者使用連接杠將掃描裝置置入待測洞室以開展現場工作。但這種技術價格昂貴，體積也較大[1-4]，尺寸普遍大于一般地質鉆孔的直徑(75～150 mm)，且連接桿連接方式及球形掃描方式易導致卡孔現象，因此不適宜鉆孔置入式應用場景；此外，由于水對激光的吸收效果顯著，導致激光穿透距離有限，因此這種技術主要應用在無水環(huán)境中。對于充水空洞，國內已有相關單位利用聲吶技術進行了采空區(qū)掃描測量的應用研究，所用設備多數為改裝的現有國外產品[5]，由于體積較大，也無法通過常規(guī)地質鉆孔置入。

為解決上述問題，本文采用激光和聲吶掃描技術，開展了鉆孔置入式地下空洞三維掃描技術及設備研究，該設備掃描探頭能利用電纜通過常規(guī)地質鉆孔，順暢置入待測地下空洞，利用激光和聲吶掃描技術分別實現地下空洞水上和水下部分的快速、精確掃描測量。工程項目的應用實踐證明了該方法的可行性，具有良好的推廣應用價值。

1 技術原理

激光具有定向發(fā)光、亮度極高、單色性和相干性好等優(yōu)點。國內外普遍采用激光掃描技術進行各類洞室的三維掃描，但由于水對激光的吸收效果導致激光穿透距離有限，尤其對于小型激光測距模塊，其體積小、發(fā)射能量也小，因此激光掃描技術主要應用在無水環(huán)境中。

聲波屬于機械波，其在水下的能量損耗較小、穿透能力強、傳播距離遠，是水下信息傳輸的重要載體。聲吶利用了超聲波方向性好和穿透性強等優(yōu)點。超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中，能在水中傳播足夠遠的距離，因此聲吶掃描技術主要應用在充水環(huán)境中[6-8]。

該鉆孔置入式地下空洞三維掃描儀利用激光和聲吶測距模塊，測量井下探頭到洞壁之間的距離，測距原理如圖1所示：激光(聲吶)測距模塊向洞壁發(fā)射窄束激光(超聲波)脈沖，激光(聲吶)測距模塊會根據脈沖從發(fā)出到經被測洞壁表面反射回來所用的飛行時間，計算出發(fā)射點到洞壁之間的距離。此外，該產品還集成了步進電機和三維電子羅盤，其中三維電子羅盤與測距模塊安裝固定在同一個構件上，在步進電機的驅動下進行旋轉掃描：測距模塊實時測量發(fā)射點到洞壁的距離，三維電子羅盤實時測量測距模塊的發(fā)射方向。

注：d為探頭到洞壁的距離；c為激光(超聲波)脈沖的傳播速度；t為脈沖從發(fā)射到反射回發(fā)射點的時間。圖1 激光與聲吶測距原理Fig.1 Principle of laser and sonar ranging

2 鉆孔置入式地下空洞三維激光(聲吶)掃描設備

2.1 總體設計思路

分別設計了用于無水環(huán)境、采用激光掃描技術和用于充水環(huán)境、采用聲吶掃描技術的兩種設備。對于半充水空洞，需要兩套設備配合使用，整套設備均由地上部分和地下部分組成。由于需要掃描測量出地下空洞的三維形態(tài)和走向，因此，每種設備應至少具備旋轉掃描、測距、測方位、數據保存和可視化操控等基本功能?？紤]到推桿下放掃描探頭容易卡孔，且隨著下放深度的增加，孔內裝置(探頭+推桿)的總體重量會越來越重，因此，設計方案采用了絞車電纜收放掃描探頭的方式。

考慮到地下空洞的隱蔽性和不確定性，為防止掃描過程出現卡?，F象，所設計產品只支持水平旋轉掃描，不支持垂直旋轉，即利用二維掃描技術，在單個掃描平面內取得直觀的掃描輪廓成果資料，最后利用逐層掃描出的所有二維輪廓構建出三維形態(tài)，如圖2所示。

圖2 掃描測量方式Fig.2 Scanning method

2.2 設備工作方法

兩種設備均由地面采集主機、掃描探頭、絞車、導向滑輪等組成，如圖3所示。

圖3 設備組成及工作示意Fig.3 Schematic diagram of equipment composition and work

在進行實際測量作業(yè)時，地面采集主機向井下掃描探頭發(fā)出掃描指令，井下掃描探頭收到指令后，驅動激光(聲吶)測距模塊向洞壁發(fā)射窄束激光(超聲波)脈沖，并計算出發(fā)射點到洞壁之間的距離，之后讀取三維電子羅盤，獲取脈沖的發(fā)射方位信息，再將測量距離和方位信息組合成數據幀，發(fā)回至地面采集主機，則該方位洞壁的空間信息測量完畢。設備在步進電機的驅動下，自動旋轉探頭到下一個方位位置，繼續(xù)測量下一個方位洞壁的空間信息，如此循環(huán)，直至探頭旋轉一圈將整個斷面掃描一周；地面采集主機會實時顯示出掃描輪廓；操作地面采集主機，將掃描獲取的整圈輪廓數據保存，至此整個斷面的掃描工作完成。通過絞車將井下探頭放置到下一個位置，啟動新一輪斷面輪廓掃描，如此循環(huán)，直至整個地下空洞逐層掃描完成。最后，利用相關三維處理軟件處理所有二維斷面輪廓掃描成果，構建出地下空洞的三維形態(tài)模型，進而計算出地下空洞的大小、規(guī)模和展布，如圖4所示。

圖4 工作流程Fig.4 Workflow of equipment

2.3 設備主要模塊及研發(fā)技術要點

(1) 掃描探頭。在采集主機的指令控制下，實現對水平斷面輪廓的360°全周掃描，并將掃描生成的點云數據傳回至采集主機。掃描探頭集成了激光(聲吶)測距模塊、三維電子羅盤、導電滑環(huán)、步進電機、控制電路板(設置有STM32處理器)等諸多部件，需要設計金屬外殼對內部器件進行保護和封閉防水。對于激光掃描探頭，設計則較為簡單，所有部件全部內置于金屬殼體內部，只有激光測距模塊所處的位置設計有一圈高透光的防水玻璃罩，激光測距模塊和三維電子羅盤利用步進電機在殼體的內部進行360°旋轉；對于聲吶掃描探頭，聲吶測距模塊必須裸露在水中進行360°旋轉，因此需要設計較為復雜的動密封結構。為盡可能適用于更小內徑的鉆孔，探頭外徑均應盡量小，因此內部器件只能采用縱向布置的設計方式，且內部器件均需小型化選配。

(2) 采集主機。用于數據采集、斷面輪廓顯示、數據管理等。主機軟件運行于ARM處理器中，通過RS485通信方式發(fā)送指令給井下掃描探頭，井下探頭根據指令做出相應動作，如校準三維電子羅盤、掃描斷面輪廓等，并將處理結果反饋給采集主機。

(3) 絞車。收放探頭，并實現采集主機與探頭之間的通信連接。

(4) 導向滑輪。改變絞車電纜線運行方向。

3 設備試驗與結果分析

基于上述設計思路和設計方案，成功研制出鉆孔置入式地下空洞三維激光(聲吶)掃描儀，其中，鉆孔置入式地下空洞三維激光掃描儀如圖5所示。

圖5 鉆孔置入式地下空洞三維激光掃描儀Fig.5 Equipment for three-dimensional scanning through borehole into underground cavity

為測試產品性能，開展了系列試驗。對鉆孔置入式地下空洞三維激光掃描儀的部分試驗如下。

(1) 測量精度評估試驗。該設備所選用的三維電子羅盤航向精度0.8°，分辨率0.1°；所選用的激光測距模塊測距范圍0.01～30.0 m，精度1.5 mm，分辨率1 mm。試驗過程中，各測量4組方向和距離值，最終的試驗對比結果如表1所示。由于測試環(huán)境和對比測量器具的限制，試驗結果與理想實驗室的測試結果存在差距，但是可以作為評估該設備測量精度的依據。通過表1可知：方向角絕對差值在1.5°以內，距離絕對差值在3 mm以內，均大于所標稱的精度，但其精度已完全滿足掃描地下空洞內部結構的要求。

表1 設備測量值與人工測量值的對比

(2) 輪廓掃描試驗。利用該設備對一個簡易紙箱的內部輪廓進行掃描。為驗證掃描的精度，在紙箱的角落里構建了一個有微小弧度的弧形面，如圖6所示。最終的掃描輪廓見圖7左上角，與實物的內部輪廓在形狀上完全一致，且弧形輪廓清晰可見；后實測結果表明其走向、輪廓大小也與實物一致，驗證了利用該設備探測空腔內部輪廓的可行性。本次試驗僅環(huán)繞一周掃描了100個點，即掃描步距角為3.6°(360°/100)；對掃描文件中100個掃描點數據進行分析，結果表明：相鄰掃描點方向角間距平均值3.6°，最小值2.8°，最大值4.3°，其中第一個掃描點的方向角(Heading)為115.7°，最后一個掃描點的方向角為112.1°，兩者相差3.6°，進一步驗證了該設備方向測量的準確性。

圖6 測試模型Fig.6 Test model

圖7 測試結果Fig.7 Test results

4 工程應用

貴州省北盤江流域某水電站開展防滲帷幕灌漿前物探工作。在鉆孔SCWM-ZK-9施工過程中發(fā)生落鉆5 m現象。為進一步研究落鉆區(qū)域巖溶發(fā)育特征，采用該地下空洞三維掃描裝置進行了掃描測量，掃描成果如圖8所示，溶洞整體呈“胃”狀，發(fā)育高度4～6 m，寬度4～7 m，長度6～8 m，近東西向，且東小西大、東高西低，體積約為150 m3，后經開挖揭露(圖9)，該三維掃描成果與實際吻合，溶洞的掃描精度完全滿足要求。

圖8 鉆孔SCWM-ZK-9巖溶段三維掃描成果Fig.8 3D scanning result of karst section of borehole SCWM-ZK-9

圖9 開挖后溶洞內現場勘查Fig.9 Exploration in the karst cave after excavation

貴州省烏江流域某水庫開展大壩滲漏分析與處理的工程物探測試工作。在鉆孔ZK6的全景數字成像成果中，能明顯看到2個巖溶空腔，為了追蹤巖溶空腔的規(guī)模、形狀和走向，采用三維掃描技術對巖溶空腔進行掃描測量，其中，鉆孔ZK6底部溶洞的三維掃描成果如圖10(b)所示，溶洞發(fā)育高度1.7 m左右，最大直徑近5 m，體積約8 m3，與圖10(a)的全景數字成像成果揭示的溶洞高度、走向等一致；鉆孔ZK5-ZK6-ZK7之間的電磁波CT探測成果也揭露出該溶洞所處的位置，如圖10(c)所示。上述綜合物探成果相互驗證，為后期巖溶滲漏處理提供了準確的基礎資料。

圖10 鉆孔ZK6底部巖溶綜合物探成果Fig.10 Comprehensive geophysical exploration results of karst at the bottom of borehole ZK6

5 結 論

為通過一般地質鉆孔將掃描裝置置入地下空洞內部，對其進行精確掃描測量和構建三維數字化成果，利用激光和聲吶掃描技術，研制出了通過逐層掃描二維輪廓構建三維形態(tài)的鉆孔置入式地下空洞三維掃描成套設備，并通過工程應用得到以下結論。

(1) 利用激光和聲吶掃描技術，結合方位測量技術，能夠實現對地下空洞三維形態(tài)、規(guī)模和走向的準確測量，為工程設計和施工提供重要的基礎數據。

(2) 根據本文設計思想，可研發(fā)出多套不同測距精度和探頭直徑的設備，最小探頭直徑已縮小至51 mm，能通過一般地質鉆孔順利置入地下空洞進行三維掃描測量，并結合激光和聲吶掃描技術，解決了無水空洞、充水空洞、半充水空洞難以通過狹窄鉆孔置入設備進行自動化掃描測量的難題，具有較好的普適性。

(3) 與鉆探探測、傳統(tǒng)物探以及人工開挖測量相比，在精確探測地下空洞空間展布方面，該掃描設備擁有快速、安全、高精度、全數字特征、成本低和應用范圍廣等顯著優(yōu)勢，具有良好的推廣應用價值。