光感片在隧道自動化變形監(jiān)測中的應(yīng)用

臧光勇， 楊 旭， 陸詩磊（.江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 00；.常州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 305）

0 引 言

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，隧道規(guī)模逐漸增大，應(yīng)用場景逐漸復(fù)雜，質(zhì)量和安全要求也在逐漸提高[1]。隧道監(jiān)測技術(shù)是評價(jià)隧道安全性的重要手段，保證了隧道在建設(shè)和運(yùn)行階段的質(zhì)量和安全，是隧道建設(shè)和運(yùn)維的安全保障，對經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡起到了很好的預(yù)防作用[2]。然而隧道的建設(shè)環(huán)境極其復(fù)雜，在建造和運(yùn)行時，諸多因素都會對其造成變形影響，主要包括：大型施工設(shè)備作業(yè)、隧道下臥土體不均勻沉降、隧道上方的地表堆載、隧道附近的基坑開挖、隧道近距離穿越、隧道區(qū)間和車站的差異沉降、地鐵列車振動等[3]。隧道一旦發(fā)生局部變形，在應(yīng)力集中的狀態(tài)下，局部變形會迅速擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了隧道的正常施工和運(yùn)行[4]。隧道的測量和監(jiān)控項(xiàng)目能夠防微杜漸，在隧道建立和運(yùn)行的全過程中起重要的警戒作用[5]。

隧道的變形監(jiān)測要求是實(shí)時的，并且在監(jiān)測的同時不能影響軌道交通的正常運(yùn)維，傳統(tǒng)人工測量并不能滿足隧道變形的監(jiān)測要求[6]。因此，為提供隧道的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了許多隧道變形的自動化監(jiān)測方法，其中以全站儀測量機(jī)器人實(shí)時監(jiān)測最為普遍。通過全站儀機(jī)器人對其服務(wù)范圍的定點(diǎn)棱鏡進(jìn)行實(shí)時測量，提供龐大而可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)來作為隧道變形的檢測依據(jù)[7]。這種隧道自動化監(jiān)測方法具有實(shí)時觀測、無人看守、數(shù)據(jù)可靠、不妨礙列車運(yùn)行、遠(yuǎn)程遙控等優(yōu)點(diǎn)，足以勝任隧道小區(qū)間內(nèi)的自動化監(jiān)測工作。但其缺點(diǎn)也十分明顯，隨著隧道規(guī)模的日益增大，這種區(qū)間內(nèi)半自動的測量機(jī)器人監(jiān)測成本高，監(jiān)測效率低[8]。

為消除隧道變形區(qū)間自動化監(jiān)測的弊端，探索可移動的隧道變形自動化監(jiān)測方法迫在眉睫。激光測距儀作為隧道變形人工監(jiān)測的重要設(shè)備之一，具備測量原理簡單、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為可移動隧道變形監(jiān)測裝置的核心部件，而激光測距軌道車的出現(xiàn)，也讓這種全自動隧道變形監(jiān)測方法嶄露頭角[9]。在軌道上設(shè)立監(jiān)測卡口，讓激光測距儀在固定位置、固定方向發(fā)射激光，通過激光投射至隧道距離的變化，判斷隧道有無發(fā)生變形。這種自動化監(jiān)測方式方便快捷，通過軌道車在軌道上的行駛和定點(diǎn)監(jiān)測，完成整個隧道的自動化監(jiān)測任務(wù)，能夠滿足規(guī)模愈發(fā)增大的大型多段隧道的自動化監(jiān)測需要[10]。然而目前的激光測距軌道車測量誤差較大，同時不能準(zhǔn)確提供隧道的變形方向和變形量，尚未進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，提高激光測距軌道車的測量精度，令其能夠?qū)λ淼雷冃芜M(jìn)行定量化表征，一時成了隧道變形全自動監(jiān)測的研究焦點(diǎn)[11]。

1 激光測距

激光測距儀在隧道自動化變形監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用，其工作原理是利用激光束測量光的傳播時間，從而確定距離。將激光測距儀安裝在隧道內(nèi)部的固定位置，可以連續(xù)測量特定點(diǎn)的距離。當(dāng)隧道發(fā)生變形時，這些測量數(shù)據(jù)會隨之發(fā)生變化，從而可以及時發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測隧道的變形情況。這種自動化監(jiān)測方式可以幫助工程師了解隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況，判斷隧道是否存在任何變形或下沉問題。

激光測距軌道車是一種用于測量軌道幾何參數(shù)的專用車輛。它利用激光測距技術(shù)對軌道的高程、水平、曲率等參數(shù)進(jìn)行精確測量[12]。激光測距軌道車通常由激光測距儀、慣導(dǎo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)4部分組成。激光測距儀是整個系統(tǒng)的核心部件，它通過發(fā)射激光束并接收反射回來的信號，利用光學(xué)原理來測量軌道的幾何參數(shù)[13]，具有高精度、高速度和遠(yuǎn)距離測量的能力。慣導(dǎo)系統(tǒng)用于確定軌道車的位置和姿態(tài)，通常由慣性測量單元（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）組成。慣導(dǎo)系統(tǒng)可以提供精確的定位信息，為激光測距儀提供準(zhǔn)確的參考坐標(biāo)系。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)す鉁y距儀和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，通常包括數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備[14]。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的大腦，它接收并處理激光測距儀和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，通過算法和模型計(jì)算出軌道的幾何參數(shù)，通常由計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件組成，可以實(shí)時顯示和記錄測量結(jié)果[15]。

激光測距軌道車在鐵路、地鐵等軌道交通領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。它能夠快速、準(zhǔn)確地獲取軌道的幾何參數(shù)，為軌道修復(fù)和維護(hù)提供重要的參考數(shù)據(jù)。同時，激光測距軌道車還可以用于軌道建設(shè)和監(jiān)測工作，對新建軌道的幾何質(zhì)量進(jìn)行評估和監(jiān)測。它的應(yīng)用可以提高軌道的安全性、穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，為乘客提供更加舒適和安全的出行體驗(yàn)。

2 光感片的應(yīng)用方式

激光測距軌道車在隧道變形監(jiān)測中具有高速度、大范圍、抗干擾能力強(qiáng)且非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，但是目前市場上的激光測距軌道車，其監(jiān)測數(shù)據(jù)僅為激光發(fā)射處至隧道內(nèi)壁的距離，且測量誤差較大，因此它僅能作為隧道變形的初判設(shè)備，并不能定量表征出隧道的變形方向和變形量，應(yīng)用場景十分有限。

針對上述技術(shù)難題，本文提供了1種由微型光敏電阻構(gòu)成的光感片，如圖1所示，用來準(zhǔn)確記錄隧道的變形方向和具體變形量。該光感片為正方形，尺寸為50 mm×50 mm，每個光感片平均分為100個小方格，小方格的尺寸僅為5 mm×5 mm，每一個小方格都含有1個光敏電阻。在應(yīng)用時，僅需在軌道的固定監(jiān)測卡口相應(yīng)的隧道內(nèi)壁上設(shè)置2～8個光感片，當(dāng)激光照射到光感片時，光感片上相應(yīng)區(qū)域的光敏電阻就會受到激發(fā)，產(chǎn)生電信號，從而準(zhǔn)確記錄該次測量時激光的照射位置和照射距離。通過多次監(jiān)測激光在光感片上的照射位置以及照射距離的變化，就可以準(zhǔn)確反映該位置隧道的變形方向和變形量。傳統(tǒng)激光測距軌道車僅能提供多次監(jiān)測激光照射至隧道內(nèi)壁的距離變化，而加入光感片后，光感片對激光的響應(yīng)特征更加強(qiáng)烈，不僅能夠減少激光距離的測量誤差，同時還能將激光照射位置的變化以光感片的感應(yīng)位置準(zhǔn)確記錄下來，其位置變化誤差低至±5 mm。利用光感片，可以將激光照射時角度的細(xì)微誤差以光感片上激光照射的位置變化準(zhǔn)確表征出來，大大減少了整個監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備誤差。

圖1 光感片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 首次監(jiān)測入射點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算示意圖

3 隧道變形的定量表征方法

本文提供的帶有光感片的激光測距軌道車進(jìn)行隧道變形自動化監(jiān)測的方法直觀、簡單。具體操作步驟主要包含以下幾個部分：

（1）當(dāng)激光測距軌道車行駛至隧道的各個監(jiān)測卡口處時，根據(jù)監(jiān)測需要調(diào)節(jié)其角度控制器，使得激光測距儀的激光照射到隧道壁及軌道側(cè)面約6～8處。在每個激光照射處安裝光感片，光感片的安裝具有方向性，安裝時保證其一條邊平行于軌道，其正方向指向隧道延伸方向。同時光感片的法線方向即為激光入射方向，這樣可以令激光的發(fā)射位置為局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，以角度為0的激光入射方向?yàn)閤軸正方向，以軌道延伸方向?yàn)閥軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閦軸正方向建立局部空間坐標(biāo)系，記錄此時每個光感片對應(yīng)的控制器角度，并對其進(jìn)行編號。如：1號監(jiān)測點(diǎn)，角度30°的光感片為1°～30°，角度60°的光感片為1°～60°。如此，在該局部坐標(biāo)系統(tǒng)中可輕松表征各光感片照射處的空間坐標(biāo)位置。若1°～30°光感片的測量距離為x11，則可表示1°～30°光感片的位置（x11×cos30°，0，x11×sin30°）。令1°～60°光感片的測量距離為x12，則1°～60°光感片的位置（x12×cos60°，0，x12×sin60°）。當(dāng)激光發(fā)射位置（N，E，H）在整個大地坐標(biāo)系統(tǒng)中已知時，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可輕松得出各個激光感應(yīng)接收片該次監(jiān)測的激光入射位置的大地坐標(biāo)。

（2）若隧道發(fā)生變形，每個光感片至激光發(fā)射處的距離xij就會發(fā)生變化，同時光感片上的激光入射位置也會發(fā)生變化。

（3）隧道整體變形方向和變形量計(jì)算：多次監(jiān)測時，監(jiān)測點(diǎn)激光發(fā)射位置的坐標(biāo)發(fā)生超過誤差允許范圍的變化，記錄其坐標(biāo)增量（ΔN，ΔE，ΔH），則在這些異常軌跡范圍內(nèi)，兩側(cè)軌道發(fā)生了整體沉降、抬升（H坐標(biāo)發(fā)生明顯變化）、整體位移（N和E坐標(biāo)發(fā)生明顯變化），不影響后續(xù)測量結(jié)果的相對坐標(biāo)，不影響局部變形量和變形方向的計(jì)算，但進(jìn)行大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時，需將坐標(biāo)增量加入，影響隧道的整體變形特征。

（4）隧道局部變形方向及變形量計(jì)算：以1號監(jiān)測點(diǎn)的某個光感片記錄結(jié)果為例，若首次監(jiān)測1°～30°光感片時，激光測距儀的測量距離為x11，則首次激光照射點(diǎn)相對坐標(biāo)為（x11×cos30°，0，x11×sin30°）；第二次監(jiān)測時，激光測距儀的測量距離為x11（1），則該監(jiān)測回次時激光照射點(diǎn)相對坐標(biāo)為（x11（1）×cos30°，0，x11（1）×sin30°）。由于方形光感片的尺寸（邊長約50 mm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光發(fā)射點(diǎn)到光感片的距離，可將其視為一個垂直于激光入射方向的平面，且其一條邊長平行于隧道延伸方向，方向指向軌道車的前進(jìn)方向，其相對坐標(biāo)記為b，另一條邊既垂直于隧道延伸方向，又垂直于激光入射方向，相對坐標(biāo)記為a。若首次激光入射位置為（a0，b0），下一次監(jiān)測時，激光入射位置為（ai，bi），則其在隧道延伸方向（即y軸方向）的坐標(biāo)變化量為b0～bi，在垂直于地面方向（即z軸方向）的坐標(biāo)變化量為（a0～ai）×sin（90°～30°），在平行于角度控制器0°方向（即x軸方向）的坐標(biāo)變化量為（a0～ai）×cos（90°～30°）。因此第二次監(jiān)測時，首次照射點(diǎn)的位置變化至{x11（1）×cos30°+（a0～ai）×cos（90°～30°），b0～bi，x11（1）×sin30°+（a0～ai）×sin（90°～30°）}，與首次照射點(diǎn)的相對坐標(biāo)（x11×cos30°，0，x11×sin30°）對比，2個坐標(biāo)相連形成的向量的方向即為隧道或軌道該處的相對變形方向，該向量的長度即為該處隧道或軌道的變形量。根據(jù)激光發(fā)射處的大地坐標(biāo)（Ni，Ei，Hi），通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化即可得到在大地坐標(biāo)系統(tǒng)中該向量的方向和長度，即可獲得大地坐標(biāo)系統(tǒng)中隧道該監(jiān)測位置的局部變形數(shù)據(jù)。

（5）軌道和隧道的變形特征判別：在整體變形方面，同一監(jiān)測點(diǎn)多次測量時，若激光發(fā)射位置的大地坐標(biāo)發(fā)生超過誤差范圍的變化，各個光感片的相對坐標(biāo)則也發(fā)生相應(yīng)增量的改變。以首次測量的激光發(fā)射大地坐標(biāo)（N1，E1，H1）作為向量始點(diǎn)，末次測量的激光發(fā)射坐標(biāo)（Nn，En，Hn）作為向量終點(diǎn)，該向量的方向即為軌道的整體變形方向，向量的長度即為整體變形量。此時隧道和軌道發(fā)生整體沉降、抬升或側(cè)向位移。

在局部變形方面，若軌道和隧道上的光感片發(fā)生部分位移，根據(jù)上述計(jì)算方法，即可判斷該處軌道隧道的變形方向和變形量。結(jié)合多個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果，若隧道前后段光感片的位移方向大體接近，則隧道一段區(qū)域內(nèi)收到的應(yīng)力方向一致，變形量最大處接近受力點(diǎn)；若隧道前后段光感片的位移方向不一致，則隧道受到多個方向的應(yīng)力，各個方向變形量最大值處接近該方向應(yīng)力的作用點(diǎn)。

4 結(jié) 語

激光測距儀工作原理簡單，抗干擾能力強(qiáng)，是一種非常適合應(yīng)用于隧道變形自動化監(jiān)測的核心部件。為解決激光測距儀監(jiān)測誤差大的應(yīng)用難題，提供了一種光感片，用于定量表征隧道的變形情況，將激光照射角度的設(shè)備誤差以光感片上光點(diǎn)的位移量準(zhǔn)確記錄下來，大幅減少了系統(tǒng)誤差，為激光測距儀在隧道變形自動化監(jiān)測中的應(yīng)用提供了重要幫助和指導(dǎo)。