李滿宏

（中鐵七局蘭渝指揮部，甘肅 岷縣 748400）

引言

在隧道前期勘探中，受各種條件的限制，對(duì)隧道圍巖地質(zhì)狀況勘探精度要求一般較低，而且勘探的范圍也不能夠覆蓋整個(gè)隧道，因此在施工過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)見的工程事故，如坍塌、涌水等，給隧道施工質(zhì)量和施工進(jìn)度造成很大的影響，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，在施工過程中，對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況作出準(zhǔn)確、及時(shí)的預(yù)報(bào)是非常重要的。

目前對(duì)掌子面進(jìn)行分析的傳統(tǒng)方法是人工地質(zhì)素描，這種方法的分析結(jié)果因分析人員的經(jīng)驗(yàn)、學(xué)識(shí)等的不同而不盡相同，獲得的數(shù)據(jù)缺乏一致性和可比性，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果較差。在此背景下，本論文以貴陽(yáng)市貴金線（金陽(yáng)段）3號(hào)隧道為工程依托，對(duì)數(shù)碼攝影圖像處理技術(shù)及其在隧道地質(zhì)判釋中的應(yīng)用進(jìn)行研究，形成圖像處理系統(tǒng)，以期研究成果進(jìn)一步完善和豐富隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段。

1 依托工程概況

貴金線3號(hào)隧道位于貴陽(yáng)市主城區(qū)北部黔靈公園西側(cè)廠黃壩鄉(xiāng)境內(nèi)，其起點(diǎn)與貴金線黔靈橋相接，終點(diǎn)距已建金馬路約400m。該隧道按小凈距分離式設(shè)計(jì)，上、下行道路中線間距約23.90～30.10m，左線全長(zhǎng)970m，右線全長(zhǎng)980m。

根據(jù)鉆探成果及地表調(diào)查，隧道經(jīng)過地段地層，按地層新老關(guān)系自上而下依次為第四系覆蓋層（Q）、三疊系上統(tǒng)二橋、三橋組（T3s+e）、三疊系中統(tǒng)改茶組（T2gc）、三疊系中統(tǒng)楊柳井組（T2y1），地面道路通過地段按地層自上而下依次為第四系覆蓋組（Q）、三疊系中統(tǒng)楊柳井組（T2y1）及三疊系中統(tǒng)松子坎組（T2sz）地層。除第四系覆蓋層（Q）與下伏三疊系（T）地層為不整合接觸外，其余為整合接觸。

2 掌子面圖像數(shù)據(jù)采集

隧道掌子面圖像數(shù)據(jù)采集具體操作步驟如下所示:

（1）用全站儀測(cè)掌子面上的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)

當(dāng)對(duì)全斷面采用分步開挖時(shí)，對(duì)當(dāng)前開挖形成的掌子面，在掌子面上作一標(biāo)記點(diǎn)，采用全站儀測(cè)得掌子面上標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

圖1 分步開挖掌子面數(shù)碼成像示意圖

（2）掌子面圖像采集方法、要點(diǎn)

圖像采集時(shí)，數(shù)碼相機(jī)位于開挖通道的中間位置，攝影方向垂直于掌子面。掌子面圖像采集示意圖如圖1所示。設(shè)掌子面按照1、2、3、4的順序分步開挖，當(dāng)開挖至第2掌子面區(qū)域時(shí)，對(duì)第2塊掌子面區(qū)域進(jìn)行如圖所示的圖像數(shù)據(jù)采集。

3 掌子面圖像分析技術(shù)

以貴金線3#隧道 DK4+245里程實(shí)際數(shù)碼成像得到的左上斷面及右上斷面的掌子面圖像為例，對(duì)圖像分析技術(shù)進(jìn)行說明。

3.1 圖像調(diào)整技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)字圖像受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、相機(jī)等各種因素的干擾，使得實(shí)際圖像通常亮度低、對(duì)比度低，難以滿足圖像處理的需要，故需要對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。如圖2中，圖2 (a)為DK4+245左上斷面原始采集圖像，圖2(b)為圖像調(diào)整結(jié)果?？梢钥闯?，經(jīng)調(diào)整后的圖像亮度及對(duì)比度均得到明顯提高，使圖像更適合于人眼觀察，便于分析和處理。

圖2 DK4+245左上斷面圖像調(diào)整

3.2 掌子面局部圖像拼接技術(shù)

貴金線3#隧道DK4+245里程左上斷面及右上斷面的掌子面圖像分別如圖3、圖4所示。

圖3 貴金隧道3#線DK4+245里程左上斷面圖像

圖4 貴金隧道3#線DK4+245里程右上斷面圖像

（1）首先根據(jù)圖像中標(biāo)尺的實(shí)際刻度以及在圖中的像素距離的比例關(guān)系，將圖3及圖4中的圖像設(shè)置為相同比例尺a=1∶1（像素:cm），即表示1像素距離的實(shí)際長(zhǎng)度為1cm。

（2）已知標(biāo)記點(diǎn)1和2利用全站儀測(cè)得的三維坐標(biāo)為:(46158.9912， 67991.2955， 1212.8856) 和 （46154.868，67988.3272，1212.8856），利用坐標(biāo)點(diǎn)間距離公式得標(biāo)記點(diǎn)1和2間的距離D=410cm。

（3）標(biāo)記點(diǎn)1、2間的圖像距離:

由標(biāo)記點(diǎn)1、2的三維坐標(biāo)知，標(biāo)記點(diǎn)高程相同，故可根據(jù)d值和相同高程自動(dòng)調(diào)整DK4+245左上斷面和右上斷面圖像間的相對(duì)位置，使兩斷面圖像拼合成完整的掌子面圖像，并進(jìn)行局部裁剪形成如圖5所示圖像。

圖5 圖像裁剪結(jié)果

3.3 掌子面巖層邊界檢測(cè)

為了對(duì)邊緣檢測(cè)方法的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用Canny邊緣檢測(cè)算子對(duì)隧道掌子面上的邊界線進(jìn)行檢測(cè)。Canny采用三個(gè)邊緣檢測(cè)準(zhǔn)則，并用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地推導(dǎo)出確定圖像邊緣檢測(cè)函數(shù)性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式:信噪比SNR、檢測(cè)精度L和偽邊界平均距離M。

圖6 圖像邊界檢測(cè)結(jié)果

圖6為隧道掌子地質(zhì)圖像的Canny算子邊緣檢測(cè)結(jié)果；圖中除去隧道初期支護(hù)、掌子面下方開挖土石等的干擾，剩余的黑色邊界線主要為掌子面圍巖上的巖層節(jié)理、裂隙等。

3.4 圖像特征提取

3.4.1 巖體破碎程度分析

根據(jù)對(duì)如圖6所示的一系列掌子面圖像處理結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)巖體越破碎，黑色邊界線越多。故可根據(jù)邊界線來(lái)判定巖體的破碎程度。

（1）特征一:單位面積上的割線段數(shù)

在選定區(qū)域的水平和豎直方向設(shè)置實(shí)際間距為1cm的割線，統(tǒng)計(jì)割線被邊界線分割的段數(shù)Ns，設(shè)選定區(qū)域面積為A，單位面積上割線被分割的段數(shù)為N，則N=Ns/A，如圖7。

圖7 掌子面上設(shè)置割線示意圖

（2）特征二:單位面積上的邊界線條數(shù)

在選定區(qū)域內(nèi)，統(tǒng)計(jì)邊界線的條數(shù)，若某條邊界線上存在分叉節(jié)點(diǎn)，則將邊界線從節(jié)點(diǎn)處分割開再分別統(tǒng)計(jì)。設(shè)統(tǒng)計(jì)邊界線條數(shù)為L(zhǎng)e，單位面積上的邊界線條數(shù)為L(zhǎng)，則L＝Le/A。

設(shè)S=N+L，將S作為評(píng)定巖體破碎程度的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）特征三:灰度均方差

在掌子面上，巖體越破碎，則顏色變化越大，即顏色對(duì)比度越強(qiáng)。因此也可根據(jù)巖石的顏色灰度平均值和灰度變化程度來(lái)判定巖石風(fēng)化程度。

其中，E為灰度均方差。

3.4.2 巖體風(fēng)化程度分析

貴金3#線隧道內(nèi)巖石以灰白色細(xì)晶白云巖為主，巖石風(fēng)化程度越高，顏色越深。故可利用掌子面顏色來(lái)分析掌子面風(fēng)化程度。

掌子面上顏色灰度值有一定的變化，可利用掌子面像素平均灰度值來(lái)評(píng)價(jià)掌子面巖體風(fēng)化程度。

3.5 掌子面地質(zhì)狀況分析

（1）根據(jù)相鄰掌子面地質(zhì)特征參數(shù)預(yù)測(cè)掌子面前方的地質(zhì)情況

在工程地質(zhì)中，同種巖石風(fēng)化及破碎程度通常是一個(gè)漸變的過程，巖石風(fēng)化及破碎特征參數(shù)也同樣是一個(gè)漸變的過程。因此可對(duì)掌子面特征進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)掌子面前方地質(zhì)狀況。

根據(jù)對(duì)貴金隧道3#線部分區(qū)段的地質(zhì)情況的分析，可評(píng)價(jià)掌子面巖體完整性程度和風(fēng)化程度變化趨勢(shì)。假設(shè)根據(jù)對(duì)隧道掌子面的分析，得到如表1所示的特征參數(shù)。

表1 隧道掌子面特征參數(shù)示意圖

對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行線性擬合，同時(shí)預(yù)測(cè)掌子面前方的各掌子面的特征參數(shù)，可得到如圖8-圖11所示的結(jié)果。

圖8 單位面積邊界線條數(shù)曲線圖

圖9 單位面積割線段數(shù)曲線圖

圖10 平均灰度均方差曲線圖

圖11 平均灰度值曲線圖

由圖8-圖10的線性擬合結(jié)果分析，沿大里程方向，掌子面單位面積邊界線條數(shù)、單位面積割線段數(shù)、平均灰度均方差均逐漸增大，這說明隧道圍巖完整性逐漸降低，同時(shí)，由圖11知，掌子面灰度均值逐漸減小，說明掌子面巖體中風(fēng)化程度隨里程增加而逐漸增強(qiáng)。

（2）掌子面前方的地質(zhì)預(yù)測(cè)

隧道掌子面上，根據(jù)相鄰掌子面上的巖體結(jié)構(gòu)面剖面線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可重建隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)面的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)。另外，通常在一定距離內(nèi)，結(jié)構(gòu)面可近似為在一個(gè)平面上，因此，可由此預(yù)測(cè)掌子面前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面。

首先建立兩掌子面圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖12(a)中編號(hào)為1和2的節(jié)理分別對(duì)應(yīng)圖12(b)中編號(hào)為1和2的節(jié)理。

根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系建立隧道開挖部分及預(yù)測(cè)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，如圖13所示。

根據(jù)對(duì)實(shí)際三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析并結(jié)合ZK4+214、ZK4+211的掌子面結(jié)構(gòu)面信息，預(yù)測(cè)ZK4+11前方的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，已知ZK4+211處掌子面的結(jié)構(gòu)面剖面線如圖12(a)所示，由預(yù)測(cè)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型知，其中的結(jié)構(gòu)面1、2、3、4相繼與預(yù)測(cè)面ZK4+208、ZK4+205中的結(jié)構(gòu)面對(duì)應(yīng)。已開挖區(qū)域ZK4+214～+211結(jié)構(gòu)面緩慢下降，該趨勢(shì)向前延伸至ZK4+208、ZK4+205。

圖12 隧道開挖部分掌子面

圖13 隧道三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)及預(yù)測(cè)示意圖

4 結(jié)論

本文以貴金線3#隧道中實(shí)際數(shù)碼成相得到的掌子面圖像為例，對(duì)掌子面圖像數(shù)據(jù)采集技術(shù)和掌子面圖像分析技術(shù)進(jìn)行了全面分析，得到以下結(jié)論:

（1）掌子面數(shù)字圖像采集應(yīng)采用不低于1200萬(wàn)有效像素的數(shù)碼相機(jī)，同時(shí)使用全站儀記錄掌子面上標(biāo)記點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利于后續(xù)工作的開展。

（2）通過圖像調(diào)整、掌子面局部圖像拼接、掌子面巖層邊界檢測(cè)、圖像特征提取等技術(shù)，對(duì)掌子面圖像進(jìn)行處理，提煉出巖層裂隙、節(jié)理以及地質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，跟設(shè)計(jì)階段圍巖級(jí)別對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)圍巖級(jí)別的修正。

（3）根據(jù)分析得到的掌子面信息，建立相鄰掌子面上巖層間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立隧道已經(jīng)開挖部分的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)掌子面前方未開挖部分的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)下一步的設(shè)計(jì)與施工。

[1]劉洋.隧道掌子面圖像處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:西南交通大學(xué)，2007.

[2]王明華，李浩，蒼桂華.普通數(shù)碼相機(jī)在洞室地質(zhì)編錄中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，35(4):15-19.