趙海霖， 仇文革, *， 戚幸鑫， 萬世付， 段東亞， 程云建

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 2. 西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院， 四川 成都 610500)

0 引言

新奧法是目前國內(nèi)外隧道工程中普遍采用的施工方法，預(yù)留變形量則是新奧法中的一個重要理念。預(yù)留變形量是設(shè)置在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與二次襯砌結(jié)構(gòu)之間，供隧道圍巖與初期支護(hù)變形而預(yù)留的空間尺寸。合理確定預(yù)留變形量可避免圍巖侵限情況的發(fā)生，且能保證圍巖充分變形，減小圍巖壓力。但為了避免侵限情況的發(fā)生，預(yù)留變形量的取值往往比較保守，易造成隧道超挖、出渣量增加、二次襯砌厚度增大等，進(jìn)而增加了施工成本。因此，合理確定預(yù)留變形量對于保證隧道施工質(zhì)量和節(jié)約工程投資具有重要的意義。

目前，隧道設(shè)計(jì)時預(yù)留變形量范圍的確定通常采用2種方法： 1)一是以地勘資料和設(shè)計(jì)情況進(jìn)行估算，借鑒表1； 2)采用工程類比法，借鑒已經(jīng)建成的工程初步確定預(yù)留變形量[1]，再根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。孫國凱等[2]以大理海東某軟弱圍巖隧道為研究背景，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和質(zhì)量保證率對隧道預(yù)留變形量進(jìn)行了綜合分析評價。金美海等[3]采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸分析和ANSYS數(shù)值模擬驗(yàn)證的方法，對偏壓黃土隧道進(jìn)行了研究，提出了不同偏壓黃土隧道預(yù)留變形量的建議值。劉慶豐等[4]對玉楚高速14個隧道共471個斷面進(jìn)行了監(jiān)測，以區(qū)間統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)了不同圍巖級別、不同埋深下的隧道預(yù)留變形量，并對預(yù)留變形量提出了建議值。杜鵬毅等[5]依托蒙華鐵路崤山隧道，依據(jù)變位分配控制原理，研究軟巖隧道臺階法開挖各工序?qū)ψ冃蔚挠绊懗潭?，并以此作為依?jù)動態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量。賴金星等[6]在大有山黃土隧道開展了現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以指數(shù)函數(shù)方法預(yù)測了隧道最終變形，并分別給出了拱頂和邊墻的預(yù)留變形量。還有研究者通過大量現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)并不是全環(huán)均勻變形[7-9]，若按照傳統(tǒng)的采用最大累計(jì)變形量來設(shè)置統(tǒng)一的拱墻預(yù)留變形量的方法施工，必將造成出土量和二次襯砌回填量增加，施工成本隨之增加。

表1 預(yù)留變形量

以上對于預(yù)留變形量的研究依賴于現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析。監(jiān)控量測主要以全站儀等非接觸式觀測技術(shù)為主，具有易受外界條件影響、對光照要求高、耗時長的特點(diǎn)，且得到的僅僅是基于監(jiān)測點(diǎn)的變化情況，很難得到隧道斷面的整體變化情況。采用以點(diǎn)代面的斷面測量方法來優(yōu)化調(diào)整預(yù)留變形量是不完善的，甚至是有風(fēng)險的。原因在于，隧道開挖和初期支護(hù)噴射混凝土的表面特征是隨機(jī)的，波動較大，凹凸不平且表面粗糙。掌握準(zhǔn)確全面的隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律是優(yōu)化調(diào)整隧道預(yù)留變形量的前提。鑒于此，本文以吉林敦白客專新安1號隧道工程為例，利用三維激光掃描儀進(jìn)行隧道全斷面監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而優(yōu)化隧道預(yù)留變形量的取值，取得的結(jié)果可為預(yù)留變形量的設(shè)置提供參考。

1 基于三維激光掃描的預(yù)留變形量優(yōu)化方法

三維激光掃描技術(shù)具有"實(shí)景復(fù)制技術(shù)"的美譽(yù)，區(qū)別于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，全數(shù)字特征直接獲取三維坐標(biāo)，采集更多的物體空間信息；精度高，避免表面誤差；掃描距離長、范圍大，對光照沒有特殊要求；可快速高效地獲取掃描數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對隧道工程的三維變形監(jiān)測、侵限分析、二次襯砌厚度評估等，近年來廣泛應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測及質(zhì)量檢測中[10-15]。隧道施工三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 隧道施工三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

在隧道施工中，施作初期支護(hù)噴射混凝土后，立即對該里程區(qū)間初期支護(hù)進(jìn)行第1次三維激光掃描，并將掃描的實(shí)測斷面和設(shè)計(jì)斷面套合對比。在同一里程區(qū)間初期支護(hù)完成20 d后，此時初期支護(hù)變形幾近穩(wěn)定，對該區(qū)間進(jìn)行第2次三維激光掃描。通過同一里程區(qū)間2次三維激光掃描的實(shí)測輪廓和設(shè)計(jì)輪廓對比，兩者變形的差值即為初期支護(hù)累計(jì)變形量。將初期支護(hù)累計(jì)變形量與設(shè)計(jì)預(yù)留變形量進(jìn)行對比，若變形超過所設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，則采取相應(yīng)的措施，控制初期支護(hù)變形，并動態(tài)調(diào)整下一循環(huán)預(yù)留變形量的設(shè)計(jì)；若安全余量過大，則可對預(yù)留變形量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少施工成本，實(shí)現(xiàn)信息化施工。預(yù)留變形量控制流程如圖2所示。其中，三維激光掃描數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

圖2 預(yù)留變形量控制流程圖

圖3 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集流程

三維激光掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)集P由幾何信息(X、Y、Z值)和物理信息(強(qiáng)度值)2個部分組成。隧道表面的數(shù)字展開可以基于可展表面，但整個彎曲的隧道沒有可展面，借鑒文獻(xiàn)[16]提出的隧道表面重塑展開方法，得到彎曲隧道表面展開重塑示意如圖4所示。采用某公司研發(fā)的PCAS軟件對三維激光掃描原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)的套合對比，再通過文獻(xiàn)[16]提出的隧道表面重塑展開方法，擴(kuò)展到基于三維模型的整體評價，結(jié)果如圖5所示。

X軸為隧道環(huán)向展開； Y軸為里程; Z軸為掃描得到的實(shí)際輪廓到設(shè)計(jì)輪廓的累計(jì)變形量。下同。

(a) 掃描點(diǎn)云套合設(shè)計(jì)斷面 (b) 重塑展開三維圖 (c) 二維展開圖

采用三維激光掃描儀對隧道斷面進(jìn)行全斷面監(jiān)測，做到對隧道斷面初期支護(hù)變形的整體分析，總結(jié)其變形規(guī)律，進(jìn)而對隧道預(yù)留變形量的取值進(jìn)行優(yōu)化。將此方法運(yùn)用于吉林新安1號隧道，針對性地提出了預(yù)留變形量從拱頂?shù)焦澳_階梯狀設(shè)置的優(yōu)化措施。

2 工程應(yīng)用

2.1 初期支護(hù)累計(jì)變形量分析

將三維激光掃描所得的初期支護(hù)斷面和設(shè)計(jì)初期支護(hù)斷面進(jìn)行對比。若三維激光掃描得到的初期支護(hù)斷面輪廓小于設(shè)計(jì)初期支護(hù)斷面輪廓，則表示初期支護(hù)侵限。通過設(shè)計(jì)輪廓線上某點(diǎn)作法線，得到法線與掃描輪廓線的交點(diǎn)，則兩點(diǎn)間的距離即為凈空值。圖6(a)示出里程DK86+320斷面處上臺階初期支護(hù)完成2 h內(nèi)進(jìn)行三維激光掃描得到的隧道初期支護(hù)凈空數(shù)據(jù)，紅色輪廓線為掃描得到的初期支護(hù)斷面，綠色輪廓線為設(shè)計(jì)初期支護(hù)斷面。圖6(b)示出里程DK86+320斷面處上臺階初期支護(hù)完成20 d后進(jìn)行三維激光掃描得到的隧道初期支護(hù)凈空數(shù)據(jù)。提取同一里程斷面前后2次掃描輪廓線進(jìn)行套合對比，所得差值即為累計(jì)變形量。DK86+320斷面處變形量如圖7所示。

(a) 第1次三維激光掃描

(b) 第2次三維激光掃描

圖7 DK86+320斷面處變形量

由圖7可知： 1)DK86+320斷面處最大累計(jì)變形量為7.1 cm，位于拱頂附近，最小累計(jì)變形量為0.1 cm。2)DK86+320斷面處累計(jì)變形量從拱頂?shù)焦澳_整體呈現(xiàn)出由大到小漸變的規(guī)律，即拱頂位置附近變形量最大，拱腳位置附近變形量最小。

整理里程DK86+320～+325斷面處三維激光掃描所得的累計(jì)變形量，結(jié)果如圖8所示。其中，縱坐標(biāo)為累計(jì)變形量。在該里程區(qū)間，最大累計(jì)變形量均在7 cm左右，且最大累計(jì)變形量均發(fā)生在拱頂附近，最小累計(jì)變形量發(fā)生在拱腰或拱腳附近。整個區(qū)間累計(jì)變形量從拱頂?shù)焦澳_呈現(xiàn)出由大到小的規(guī)律。設(shè)計(jì)資料顯示，為保證二次襯砌凈空，隧道預(yù)留變形量為15 cm。根據(jù)三維激光掃描結(jié)果可知，在DK86+320～+325試驗(yàn)段，最大變形量小于7.5 cm，小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量15 cm。按原預(yù)留變形量施工則大大增加了出土量和回填量，提高了工程造價。

(a) 三維圖

(b) 二維展開圖

2.2 預(yù)留變形量優(yōu)化

根據(jù)三維激光掃描的數(shù)據(jù)分析可知，設(shè)計(jì)預(yù)留變形量15 cm安全余量過大，還有優(yōu)化空間。在優(yōu)化預(yù)留變形量時，可以參考一定質(zhì)量保證率條件下的范圍值，從而使確定的預(yù)留變形量更符合工程實(shí)際。由2.1節(jié)的分析可知，斷面累計(jì)變形量從拱頂?shù)焦澳_整體上呈現(xiàn)出由大到小的規(guī)律，結(jié)合工程實(shí)際，針對該隧道試驗(yàn)區(qū)間提出階梯狀設(shè)置預(yù)留變形量的想法。結(jié)合圖7可知，最大累計(jì)變形量在拱頂附近。因此，拱頂附近±30°范圍內(nèi)統(tǒng)一設(shè)置預(yù)留變形量，其余區(qū)段統(tǒng)一設(shè)置預(yù)留變形量。上臺階斷面預(yù)留變形量設(shè)置區(qū)域劃分如圖9所示。

基于該隧道三維激光掃描數(shù)據(jù)選取隧道進(jìn)口段60 m范圍內(nèi)(即里程DK86+280～+340)的數(shù)據(jù)作為分析來源，在此60 m長度內(nèi)，每0.5 m提取1次數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總共120組累計(jì)變形量數(shù)據(jù)。在一定質(zhì)量保證率下取隧道上臺階各區(qū)域內(nèi)最大累計(jì)變形量作為該區(qū)域預(yù)留變形量的取值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制上臺階各區(qū)域最大累計(jì)變形量分布柱狀圖，結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，各區(qū)域的變形量近似呈正態(tài)分布，且數(shù)據(jù)相對集中。

圖9 上臺階斷面預(yù)留變形量設(shè)置區(qū)域劃分

(a) 拱頂區(qū)域

(b) 左側(cè)區(qū)域

(c) 右側(cè)區(qū)域

由圖10可知： 1)拱頂區(qū)域最大變形量為70～75 mm，落入?yún)^(qū)間70～75 mm內(nèi)的數(shù)目占比小于5%，是分布概率最小的區(qū)間；落入?yún)^(qū)間55～65 mm內(nèi)的數(shù)目占比為45%，55～65 mm是分布概率最大的區(qū)間。2)在左側(cè)區(qū)域，變形量落入?yún)^(qū)間30～50 mm內(nèi)的數(shù)目占比為76%，是分布概率最大的區(qū)間。3)在右側(cè)區(qū)域，變形量落入?yún)^(qū)間30～50 mm內(nèi)的數(shù)目占比為78%，是分布概率最大的區(qū)間。

隧道初期支護(hù)變形量在不同區(qū)域、不同分布區(qū)間遵循一定的規(guī)律，且分布相對集中，因此，采用在一定質(zhì)量保證率的條件下確定預(yù)留變形量的取值是合理、可行的。依據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)，在各區(qū)域通過統(tǒng)計(jì)分析繪制出不同預(yù)留變形量條件下相對質(zhì)量保證率參考值的散點(diǎn)圖，結(jié)果見圖11。

(a) 左側(cè)區(qū)域最大變形量散點(diǎn)圖

(b) 拱頂區(qū)域最大變形量散點(diǎn)圖

(c) 右側(cè)區(qū)域最大變形量散點(diǎn)圖

由圖11可知： 1)在左側(cè)區(qū)域預(yù)留變形量為5、4.5、4 cm時，質(zhì)量保證率分別為97%、86%、54%； 2)在拱頂區(qū)域預(yù)留變形量為7、6.5、6 cm時，質(zhì)量保證率分別為98%、92%、71%； 3)在右側(cè)區(qū)域預(yù)留變形量為5、4.5、4 cm時，質(zhì)量保證率分別為100%、87%、55%?？紤]到該區(qū)間圍巖較為破碎、開挖易產(chǎn)生掉塊等情況，在不改變隧道初期支護(hù)凈空斷面等設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，可以將初期支護(hù)斷面(上臺階)拱頂區(qū)域預(yù)留變形量設(shè)置為7 cm，兩側(cè)區(qū)域預(yù)留變形量設(shè)置為5 cm。預(yù)留變形量優(yōu)化示意如圖12所示。隧道原設(shè)計(jì)斷面如圖13(a)所示，優(yōu)化后的斷面如圖13(b)所示。

圖12 預(yù)留變形量優(yōu)化示意圖

(a) 原設(shè)計(jì)斷面

(b) 優(yōu)化后的斷面

將優(yōu)化后的預(yù)留變形量應(yīng)用于區(qū)間DK86+320～+325的累計(jì)變形量三維激光掃描數(shù)據(jù)三維圖中，結(jié)果如圖14所示。圖14中，平行于XOY平面的黃色平面為拱頂區(qū)域7 cm預(yù)留變形量疊加累計(jì)變形量三維圖，黃色平面上超出部分標(biāo)記為紅色，為累計(jì)變形量大于7 cm的位置；平行于XOY平面的藍(lán)色平面為其余區(qū)域5 cm預(yù)留變形量疊加累計(jì)變形量三維圖，藍(lán)色平面上超出部分標(biāo)記為黃色，為累計(jì)變形量大于5 cm的位置。由圖14可以看出，累計(jì)預(yù)留變形量在整個區(qū)間內(nèi)幾乎都是處于優(yōu)化后的預(yù)留變形量包絡(luò)范圍之內(nèi)。

(a) 三維圖

(b) 二維展開圖

2.3 精度復(fù)核

對監(jiān)控量測得到的拱頂沉降進(jìn)行精度復(fù)核。施工現(xiàn)場使用LeicaTPS200全站儀進(jìn)行監(jiān)控量測，得到如圖15所示的拱頂沉降-時間特征曲線。每隔5 m在隧道斷面設(shè)置1處反光片，并選取DK86+320和DK86+325斷面的拱頂沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。

(a) DK86+320斷面

(b) DK86+325斷面

由圖15可知： DK86+320和DK86+325斷面拱頂沉降隨著時間的推移而逐漸收斂，拱頂?shù)淖罱K沉降量分別為53.84 mm和63.21 mm。

在三維激光掃描所得的數(shù)據(jù)中，進(jìn)行拱頂累計(jì)沉降量的分析。三維激光掃描所得的拱頂累計(jì)變形量如圖16所示。

(a) DK86+320斷面

(b) DK86+325斷面

由圖16可知，在DK86+320斷面處拱頂累計(jì)變形量為52.62 mm，在DK86+325斷面處為65.12 mm。對比圖15和圖16可知，全站儀和三維激光掃描儀2種方法測量的結(jié)果吻合得非常好，拱頂部位的累計(jì)沉降量誤差皆在2 mm以內(nèi)。拱頂沉降對比如表2所示。

表2 拱頂沉降對比

3 結(jié)論與展望

本文通過三維激光技術(shù)基于全斷面整體分析了吉林新安1號隧道試驗(yàn)段上臺階初期支護(hù)的累計(jì)變形量，根據(jù)分析結(jié)果對試驗(yàn)段預(yù)留變形量進(jìn)行了優(yōu)化，主要結(jié)論如下。

1)新安1號隧道試驗(yàn)段區(qū)間累計(jì)變形量從拱頂?shù)焦澳_呈現(xiàn)出由大到小的變化規(guī)律，最大變形主要發(fā)生在拱頂區(qū)域，最大變形量小于7.5 cm，小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量15 cm，具有優(yōu)化空間。

2)通過對新安1號隧道三維激光掃描數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并對不同預(yù)留變形量條件下相應(yīng)的質(zhì)量保證率進(jìn)行研究可知，在拱頂區(qū)域預(yù)留變形量為7 cm時質(zhì)量保證率為98%；在左側(cè)區(qū)域預(yù)留變形量為5 cm時質(zhì)量保證率為100%；在右側(cè)區(qū)域預(yù)留變形量為5 cm時質(zhì)量保證率為97%。因此，對全環(huán)均勻設(shè)置預(yù)留變形量的方法進(jìn)行優(yōu)化，采用了階梯狀設(shè)置預(yù)留變形量的方法，即拱頂區(qū)域預(yù)留變形量設(shè)置為7 cm，其余區(qū)域預(yù)留變形量設(shè)置為5 cm。

3)在隧道工程施工中，圍巖復(fù)雜多變，但其變化具有一定的連續(xù)性，掌握準(zhǔn)確全面的隧道結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，是精準(zhǔn)優(yōu)化調(diào)整隧道預(yù)留變形量的前提。通過三維激光掃描技術(shù)對已開挖段進(jìn)行整體監(jiān)測、分析，動態(tài)優(yōu)化調(diào)整各部位的預(yù)留變形量。

本文所提出的結(jié)合三維激光掃描技術(shù)優(yōu)化預(yù)留變形量的方法，應(yīng)針對不同隧道的變形規(guī)律針對性地進(jìn)行優(yōu)化或者無需優(yōu)化。同時，需要開發(fā)一種自動化的算法，將自動生成的初期支護(hù)凈空數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，提取出初期支護(hù)累計(jì)變形量并自動判定預(yù)留變形量優(yōu)化的空間，豐富隧道信息化施工。