基于實(shí)景模型的板巖公路隧道超欠挖控制研究*

朱海明,王順超,方佳龍,古成建,韋 杰,陳維亞

(1.中海建筑有限公司貴州分公司,貴州 貴陽(yáng) 550081;2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn),隧道工程建設(shè)在我國(guó)蓬勃發(fā)展,公路隧道發(fā)展尤為迅速。在全國(guó)公路隧道總里程中(見(jiàn)圖1),在保持公路總里程逐年增長(zhǎng)的情況下,全國(guó)公路網(wǎng)密度也有著顯著增長(zhǎng)[1]。在國(guó)家“十四五”規(guī)劃中公路的發(fā)展和建設(shè)也是頭等大事,同時(shí)需推動(dòng)綠色發(fā)展,促進(jìn)人與自然和諧共生,協(xié)同推進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)。國(guó)家期待新的綠色高效的應(yīng)用于公路建設(shè)的方法和技術(shù)。

圖1 全國(guó)公路隧道長(zhǎng)度

在如此大規(guī)模的隧道工程施工中,測(cè)量工作是對(duì)隧道施工進(jìn)行監(jiān)測(cè)、指導(dǎo)和及時(shí)反饋的重要保障,而基于隧道測(cè)量的超欠挖控制則是提升隧道施工水平迫切需解決的難題[2]。在隧道工程測(cè)量工作中,采用全站儀進(jìn)行位移測(cè)量、水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量及斷面儀進(jìn)行斷面測(cè)量等測(cè)量方法已廣泛應(yīng)用于施工測(cè)量、超欠挖檢測(cè)、竣工測(cè)量及隧道變形監(jiān)測(cè)等工作中[3],然而針對(duì)隧道超欠挖的分析仍缺少高精度、自動(dòng)化的流程和方法,限制了隧道工程施工效能的進(jìn)一步提升,國(guó)內(nèi)也缺少基于超欠挖量進(jìn)行施工管理調(diào)度的工作體系[4]。因此,更精準(zhǔn)的超欠挖量檢測(cè)和分析方法是當(dāng)前需要解決的問(wèn)題。

1 工程及技術(shù)背景

1.1 工程背景

根據(jù)《國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)(貴州)實(shí)施方案》《推進(jìn)交通運(yùn)輸生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施方案》《關(guān)于貴州省實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》(黔交建設(shè)〔2017〕134號(hào))等文件,貴州省于2020年新增設(shè)雷山—榕江高速公路,且納入了《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(加密規(guī)劃)》。該項(xiàng)目起于雷山縣城東,經(jīng)大塘、桃江、永樂(lè)、平永,止于榕江縣城北的忠誠(chéng)樞紐互通,接劍河—榕江高速公路。如圖2所示,該工程包括若干隧道,其中最長(zhǎng)的一條為穿越雷公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的雷公山隧道。由于貴州特殊的地質(zhì)條件,工程有接近80%的橋隧比,當(dāng)下使用較多的鉆爆法施工中存在的超欠挖問(wèn)題影響也被放大。本文依托雷公山隧道,對(duì)在板巖地區(qū)的超欠挖現(xiàn)象進(jìn)行分析研究,并提出一種可高效控制施工中超欠挖量的方法。

圖2 雷榕高速公路項(xiàng)目背景

1.2 技術(shù)背景

三維激光掃描技術(shù)興起于20世紀(jì)90年代,在21世紀(jì)初加速發(fā)展,繼GPS(GNSS)定位技術(shù)后在測(cè)繪科學(xué)領(lǐng)域掀起又一輪技術(shù)應(yīng)用革命[5]。作為一種新興的空間數(shù)據(jù)采集技術(shù),該技術(shù)運(yùn)用激光測(cè)距原理,在空間內(nèi)自動(dòng)化、高密度、快速、高精度測(cè)量空間實(shí)體表面三維空間坐標(biāo)信息,應(yīng)用其采集的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體的“實(shí)景復(fù)刻”。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,三維激光掃描技術(shù)已日趨成熟,通過(guò)三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含空間實(shí)體表面位置坐標(biāo)、反射率及RGB 色彩等信息。由于激光掃描的高精度和采集的高效率,并且已有大量針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的算法和軟件,基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)字化數(shù)據(jù)處理方案及應(yīng)用領(lǐng)域拓展迅速[6]。將基于設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)模型和基于三維激光掃描的實(shí)景模型進(jìn)行重合與對(duì)比,是本文實(shí)現(xiàn)超欠挖可視化控制的主要研究思路。

2 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 項(xiàng)目重難點(diǎn)

2.1.1隧道占比高,地質(zhì)復(fù)雜

雷榕高速公路項(xiàng)目中橋隧比較高,隧道工程是該項(xiàng)目中的主要工程,其中包括4條超長(zhǎng)隧道,總長(zhǎng)>16km。 并且隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,褶曲局部發(fā)育,巖層界限及產(chǎn)狀局部地段存在變化,施工難度極大。

2.1.2板巖區(qū)域超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重

在雷公山隧道中,在板巖層狀地質(zhì)中使用鉆爆法施工工藝造成的超欠挖現(xiàn)象不容忽視。板結(jié)構(gòu)面連接能力薄弱,在自重或外力作用下易造成層間錯(cuò)動(dòng)。板巖是地殼表面分布最廣的一種層狀巖石,層狀巖石主要特征為施工過(guò)程中其圍巖穩(wěn)定性控制較困難,拱頂由于受爆破振動(dòng)影響易發(fā)生離層、斷裂和彎折現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)易發(fā)生塌方等重大危險(xiǎn)事故[7]。另外,板巖結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度對(duì)洞室成型有明顯影響,結(jié)合程度越差,拱頂和邊墻處巖體破壞范圍越大,更易形成超挖[8]。

2.1.3超欠挖影響大

過(guò)度超挖會(huì)增加整段工序的出渣量,增加在初期支護(hù)過(guò)程中的混凝土用量,在增加建設(shè)成本的同時(shí)使整體的施工進(jìn)度滯后,影響整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)效益[9]。同時(shí),超挖也會(huì)造成圍巖不穩(wěn)定,易造成應(yīng)力集中,產(chǎn)生安全隱患[10]。

2.2 技術(shù)路線

針對(duì)當(dāng)前公路隧道超欠挖控制這一難點(diǎn),本文基于激光掃描技術(shù)和BIM技術(shù)提出一種基于實(shí)景模型的超欠挖檢測(cè)和控制方法。本方法主要包括以下步驟:激光掃描儀掃描,云端模型處理,超欠挖分析,掌子面分區(qū)塊管理。其中,BIM模型在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)一次性由圖紙人工生成,而其他階段除了現(xiàn)場(chǎng)的激光掃描外,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)流程的軟件化和自動(dòng)化。用于超欠挖控制的主要技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

3 數(shù)據(jù)采集與模型處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

使用徠卡RTC360激光掃描儀對(duì)雷公山鉆爆公路隧道某掌子面進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集,具體步驟如下:在隧道鉆爆掘進(jìn)過(guò)程中,爆破形成掌子面且人工排險(xiǎn)后,初支濕噴混凝土前,在掌子面中央2m位置處,架設(shè)激光掃描儀進(jìn)行仰角90°、俯角65°的激光掃描,得到該具體斷面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[11],同時(shí)記錄該掌子面在隧道整體中的絕對(duì)位置坐標(biāo),方便之后模型對(duì)齊。

3.2 模型處理

3.2.1點(diǎn)云模型處理

掌子面實(shí)景模型是通過(guò)激光掃描儀掃描所得點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)格化而來(lái),包含了豐富的隧道掌子面斷面信息[12]。其豐富性在于不僅包含了點(diǎn)云模型具有每個(gè)點(diǎn)的毫米級(jí)位置信息和其屬性,同時(shí)還經(jīng)歷了由點(diǎn)成面、由面成體的過(guò)程,增加了每個(gè)點(diǎn)的局部法線。同時(shí),在實(shí)用性上,實(shí)景模型由于經(jīng)過(guò)了點(diǎn)云輕量化,所占用的存儲(chǔ)空間更少,處理和操作時(shí)效率更高。從原始的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)到形成最終的網(wǎng)格模型的技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 模型處理技術(shù)路徑

對(duì)于原始掃描點(diǎn)云的處理,首先利用專(zhuān)業(yè)的點(diǎn)云處理軟件(本文使用的是徠卡激光掃描儀配套的處理軟件Cyclone),對(duì)得到的掌子面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括且不限于去除噪點(diǎn)、點(diǎn)云抽稀、點(diǎn)云平滑補(bǔ)充等步驟,形成初步處理的xyz文件,為之后的網(wǎng)格化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[13],最終處理后的點(diǎn)云模型如圖5所示。

圖5 掌子面點(diǎn)云

然后,利用專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)格化處理軟件(本文使用的是Geomagic Wrap 2017),對(duì)之前初步處理的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理,包括但不限于去除噪點(diǎn)及孤點(diǎn)、點(diǎn)云平滑等步驟,將后處理后的點(diǎn)云模型網(wǎng)格化并進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)形成最終完整且順滑的網(wǎng)格模型,最后獲得毫米級(jí)精度的隧道掌子面實(shí)景網(wǎng)格模型[14]。模型網(wǎng)格化前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 掌子面網(wǎng)格化前后對(duì)比

3.2.2BIM模型處理

BIM模型是指通過(guò)隧道的建筑圖紙進(jìn)行最高深度為L(zhǎng)OD400的設(shè)計(jì)模型建模,包括全場(chǎng)隧道的主線隧道襯砌、洞口處鋼拱架、錨桿、鋼筋等的數(shù)量、尺寸、外觀、位置等參數(shù)。

利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)設(shè)計(jì)階段的隧道圖紙進(jìn)行深度為L(zhǎng)OD400BIM的建模(本文使用的是Revit,Dynamo),建模內(nèi)容主要包括主線隧道整體、局部、走向、長(zhǎng)度等,以及主線隧道襯砌、洞口處鋼拱架、錨桿、鋼筋等,使用Dynamo程序建立隧道BIM參數(shù)化模型,生成局部平面圖和三維圖,最后形成隧道BIM模型[15]。

BIM模型處理完成后,選取BIM模型最外層的隧道殼作為爆破后掌子面圍巖的設(shè)計(jì)面,此時(shí)是最理想的掌子面爆破結(jié)果,其超欠挖值為0。將該設(shè)計(jì)面與實(shí)景模型進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)下的對(duì)比便可得出實(shí)際的超欠挖值[16]。

4 超欠挖分析及管理

4.1 超欠挖量計(jì)算

由于設(shè)計(jì)模型是由設(shè)計(jì)圖紙?zhí)幚矶鴣?lái),其具有標(biāo)準(zhǔn)的大地坐標(biāo)系,實(shí)景模型是由點(diǎn)云模型處理而來(lái),其具有的坐標(biāo)系是三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系。建立整體數(shù)字孿生模型需在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行,所以坐標(biāo)系統(tǒng)間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換是進(jìn)行超欠挖計(jì)算前的必需環(huán)節(jié)[17]。隧道設(shè)計(jì)模型與實(shí)景模型坐標(biāo)系調(diào)整前后結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 模型坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

超欠挖量的計(jì)算思路是一個(gè)從模型線值計(jì)算到截面面積計(jì)算再到整體體積計(jì)算的線面體展開(kāi)過(guò)程。其計(jì)算思路流程如圖8所示。

圖8 超欠挖量計(jì)算思路

4.1.1超欠挖量線值計(jì)算

通過(guò)檢索計(jì)算比較網(wǎng)格實(shí)體模型的定點(diǎn)到實(shí)景網(wǎng)格模型三角形面的距離實(shí)現(xiàn)超欠挖量的顯示和計(jì)算。技術(shù)路徑如圖9所示。

圖9 線值計(jì)算路徑

在數(shù)學(xué)公式中表示如下:給定平面Ax+By+Cz+D=0, 平面外一點(diǎn)(x0,y0,z0)到平面的距離為:

(1)

在模型中表示如下:2號(hào)三角形面片是設(shè)計(jì)模型中的一個(gè)三角形面片,1號(hào)點(diǎn)是可投影在2號(hào)三角形內(nèi)的實(shí)景模型頂點(diǎn),針對(duì)所選取的2號(hào)三角形,計(jì)算出所有投影在2號(hào)三角形內(nèi)的實(shí)景模型頂點(diǎn),計(jì)算出點(diǎn)到面的距離d并取最小值dmin,該值即表示在該三角形面片抑或該點(diǎn)的超欠挖量距離[18]。而設(shè)計(jì)模型的三角面的法向信息則用來(lái)判斷距離值的正負(fù),若法向方向朝點(diǎn)則距離取正值,表示為超挖;若法向方向背離點(diǎn)則距離取負(fù)值,表示為欠挖,如圖10所示。

圖10 計(jì)算示意

在代碼實(shí)現(xiàn)中表示如下:在計(jì)算中首先從BIM模型中提取出所有三角形,然后遍歷計(jì)算三維實(shí)景模型中的每個(gè)點(diǎn)和建筑信息模型中的每個(gè)三角形,確認(rèn)每個(gè)點(diǎn)的投影點(diǎn)在三角形內(nèi),再取出絕對(duì)值最小的距離作為該點(diǎn)的超欠挖量。

4.1.2超欠挖量截面面積計(jì)算

在4.1.1節(jié)的基礎(chǔ)上,通過(guò)在掌子面的平行方向取截面[19],計(jì)算設(shè)計(jì)模型與截面各交點(diǎn)的超欠挖線值并積分實(shí)現(xiàn)截面超欠挖量的計(jì)算。技術(shù)路徑為:取截面→得交點(diǎn)→線值計(jì)算→截面積分→截面超欠挖量。

首先加入一個(gè)垂直于隧道掘進(jìn)方向的平面表示當(dāng)前被選擇的截面。再根據(jù)截面位置判斷三角形是否有1個(gè)點(diǎn)在截面的一邊,2個(gè)點(diǎn)在截面的另外一邊。如果符合此條件,那么這個(gè)三角形穿過(guò)截面,可進(jìn)行下一階段計(jì)算。

如果截面穿過(guò)了三角形,那么絕大部分情況應(yīng)該是2條邊穿過(guò)了截面。根據(jù)公式:若存在兩點(diǎn) A(a,b), B(c,d),則兩點(diǎn)構(gòu)成的直線表示y=[(d-b)/(c-a)]x+(cb-ad)/(c-a)便可計(jì)算出2個(gè)交點(diǎn)。

對(duì)所有的交點(diǎn)進(jìn)行超欠挖線值計(jì)算,便可得到在截面處的每個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超欠挖量。對(duì)計(jì)算的超欠挖量進(jìn)行分段顏色梯度轉(zhuǎn)換便形成了單一截面的超欠挖量的顏色梯度圖[20]。

最后再將所有交點(diǎn)的截面水平方向的單一極小值取微分,將計(jì)算得到的超欠挖量進(jìn)行積分計(jì)算求出該平面的總的超欠挖量。具體計(jì)算如下:

(2)

式中:S表示該截面面積下的超欠挖量;n表示該截面下的實(shí)景模型交點(diǎn)數(shù)量;l表示相鄰交點(diǎn)間的距離;d表示交點(diǎn)處的超欠挖量。

模型分析結(jié)果及表示該截面超欠挖量的顏色梯度如圖11所示。

圖11 超欠挖可視化

4.1.3超欠挖量整體體積計(jì)算

在4.1.1節(jié)和4.1.2節(jié)的基礎(chǔ)上,對(duì)截面超欠挖量在掌子面的進(jìn)深方向取微分,并以爆破開(kāi)挖面上下臺(tái)階進(jìn)尺作為上下限求積分,可得最后整體的超欠挖體積。具體計(jì)算如下:

(3)

式中:V表示該鉆爆開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺d中的超欠挖量整體體積;h表示在鉆爆開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺方向上的單個(gè)采樣距離,一般取值0.1m[21];n表示采樣超欠挖截面面積數(shù)量,n=d/h+1;S表示單個(gè)超欠挖量截面面積。技術(shù)路徑與4.1.2節(jié)類(lèi)似。

4.2 超欠挖控制

對(duì)于未使用鑿巖機(jī)的鉆爆隧道,掌子面爆破孔洞的開(kāi)挖依靠人力,2人一組操作風(fēng)槍,在狹窄的操作空間內(nèi),昏暗的光照下,惡劣的施工環(huán)境中,對(duì)幾十上百個(gè)有著特定參數(shù)的鉆爆孔洞進(jìn)行人工開(kāi)鑿。人工誤差在多重不良因素下被放大,技術(shù)層面對(duì)掌子面爆破孔洞的調(diào)整由于人工誤差的存在難以落到實(shí)處,因此超欠挖現(xiàn)象得不到控制[22]。

從管理的角度出發(fā),將對(duì)超欠挖影響較大的掌子面爆破周邊孔進(jìn)行分區(qū),依照工人的工作臺(tái)架的工作面將隧道上臺(tái)階掌子面分為6個(gè)區(qū)域,并在超欠挖量截面計(jì)算和體積計(jì)算中分區(qū)計(jì)算,將計(jì)算到的結(jié)果與6個(gè)區(qū)域不同的施工人員或班組及管理人員進(jìn)行綁定,根據(jù)每個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的分區(qū)超欠挖量對(duì)施工工人的工作效能進(jìn)行評(píng)價(jià),從而實(shí)現(xiàn)在超欠挖結(jié)果上對(duì)施工工人的逆向管理,減少下一次爆破循環(huán)進(jìn)尺中因人工誤差造成的超欠挖量。其根據(jù)工作臺(tái)架進(jìn)行的掌子面周邊孔分區(qū)和施工人員綁定如圖12所示,分區(qū)可視化如圖13所示。

圖12 掌子面分區(qū)塊管理示意

圖13 掌子面分區(qū)可視化示意

4.3 超欠挖值計(jì)算驗(yàn)證

隧道超欠挖量是指在隧道開(kāi)挖單一循環(huán)進(jìn)尺中實(shí)際開(kāi)挖斷面與不同圍巖等級(jí)下設(shè)計(jì)輪廓線間的體積?？紤]到隧道超欠挖部分和初支設(shè)計(jì)部分都需用混凝土回填,施工現(xiàn)場(chǎng)噴射的混凝土量在一定程度上便反映了隧道的超欠挖量[23]。而超欠挖算法計(jì)算的理論體積包括隧道超欠挖部分和初支設(shè)計(jì)部分,因此,可將扣除回彈量的噴射混凝土量即實(shí)際澆筑量作為參考指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,分別采用施工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)測(cè)量計(jì)算和超欠挖算法計(jì)算這2種方法進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

選取雷公山隧道ZK11+551.7—ZK11+555.2、桃江隧道ZK14+74.8—ZK14+78.8、桃江隧道ZK14+72.4—ZK14+74.8、白竹山隧道YK18+233.5—YK18+237.1 4段開(kāi)挖進(jìn)尺,依照手動(dòng)測(cè)量計(jì)算方法和基于該方法的隧道超欠挖計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖14所示。

圖14 平均超欠挖厚度偏差

在多個(gè)截面下,基于該方法對(duì)比實(shí)際澆筑量計(jì)算得出的整體進(jìn)程平均超欠挖厚度的偏差值和波動(dòng)小于手動(dòng)測(cè)量方法。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本文依托的雷公山隧道工程所存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn),本文從數(shù)字化角度提供了一種解決傳統(tǒng)隧道問(wèn)題的思路。

該研究將處于工業(yè)精細(xì)化領(lǐng)域的實(shí)景模型方法應(yīng)用到建筑粗放型領(lǐng)域,利用激光掃描技術(shù)獲取精準(zhǔn)的實(shí)景模型,利用隧道圖紙轉(zhuǎn)變成設(shè)計(jì)模型,將兩者對(duì)齊在同一個(gè)平臺(tái)中展示設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)并進(jìn)行量化的超欠挖分析,由原來(lái)的靠人工經(jīng)驗(yàn)的粗放型生產(chǎn)管理方式升級(jí)為精益建造型的生產(chǎn)管理方式,將隧道超欠挖情況進(jìn)行直觀展示,并結(jié)合超欠挖量計(jì)算提供分區(qū)管理[24]。另外,基于實(shí)景模型和設(shè)計(jì)模型對(duì)掌子面進(jìn)行施工區(qū)域劃分,責(zé)任到人,可通過(guò)精準(zhǔn)獲取的超欠挖數(shù)據(jù)綜合考核評(píng)估各責(zé)任人的工作成果,通過(guò)可視化手段有效提升管理效率。在提高管理效率的同時(shí)也帶來(lái)各種正面效益。在經(jīng)濟(jì)效益上,降低了物料、物流等施工成本,其中超欠挖增加的費(fèi)用可節(jié)省30%,同時(shí)也提高了工程質(zhì)量和安全管理水平[25]。同時(shí),該思路方法的運(yùn)用還會(huì)帶來(lái)施工管理上的改進(jìn),為隧道工程中科學(xué)技術(shù)水平的提高添磚加瓦,促進(jìn)科學(xué)技術(shù)水平提高與生產(chǎn)力水平提高的良性循環(huán)。