張 宇，陽軍生，祝志恒，*，唐志揚(yáng)，陳 維，傅金陽

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.云南麗香高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 昆明 650217)

0 引言

我國隧道工程在建設(shè)規(guī)模和建設(shè)數(shù)量上均達(dá)到了世界領(lǐng)先的地位。在隧道建設(shè)中，變形監(jiān)測至關(guān)重要，監(jiān)測信息的準(zhǔn)確和完備直接影響施工決策。

目前，國內(nèi)外多采用收斂計(jì)[1]、全站儀[2]、光纖傳感器[3]等傳統(tǒng)方法測量和計(jì)算隧道的收斂和沉降，方法可行，技術(shù)可靠。然而，傳統(tǒng)監(jiān)測方法多為單點(diǎn)測量，雖測量精度高，但變形監(jiān)測點(diǎn)過于稀疏，無法獲取隧道全方位的變形信息，難以發(fā)現(xiàn)無監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域的變形且變形整體可視效果差。監(jiān)測點(diǎn)破壞會(huì)嚴(yán)重影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，數(shù)據(jù)一旦不完整或失真會(huì)使工程技術(shù)人員不能完全了解隧道圍巖整體變形特征，進(jìn)而錯(cuò)失隧道支護(hù)和治理的最佳時(shí)機(jī)，影響施工進(jìn)度，增加施工成本，降低施工安全性。因此，亟需一種能夠全方位掌握隧道初期支護(hù)大變形的監(jiān)測技術(shù)。

隨著建設(shè)水平的提升，數(shù)字化、信息化建設(shè)理念在隧道工程中得到不斷應(yīng)用和推行，三維激光掃描技術(shù)、計(jì)算機(jī)三維視覺技術(shù)等在隧道工程監(jiān)測中的研究和應(yīng)用已成為焦點(diǎn)[4-6]。謝雄耀等[7]對(duì)隧道三維掃描點(diǎn)云建立橢圓柱面三維模型，并對(duì)隧道整體變形進(jìn)行測量分析，實(shí)現(xiàn)了隧道變形的可視化。李濤等[8]提出了一種基于全息變形監(jiān)測的隧道支護(hù)評(píng)估體系，克服了傳統(tǒng)有限斷面有限點(diǎn)監(jiān)測的局限性，可真實(shí)再現(xiàn)隧道施工現(xiàn)場。張宇等[9]提出了基于圖像點(diǎn)云空間測距算法的隧道初期支護(hù)整體變形監(jiān)測技術(shù)，通過對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行直接比較，可直觀反映隧道初期支護(hù)的整體變形情況，實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率和計(jì)算精度的平衡。以上研究均以獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從隧道整體變形方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。然而，結(jié)合三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的全面性、可視化性等特點(diǎn)，有必要更加細(xì)化，從多角度對(duì)隧道變形進(jìn)行分析，獲取不同方向的變形特征，以更好地指導(dǎo)施工。

鑒于此，本文提出一種基于圖像點(diǎn)云的能夠多維度掌握隧道初期支護(hù)大變形的監(jiān)測技術(shù)；并在此基礎(chǔ)上，以云南香麗高速海巴洛隧道為依托工程，進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用分析研究。

1 圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及預(yù)處理

本文基于圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從三維、二維及特征點(diǎn)等不同維度對(duì)隧道初期支護(hù)進(jìn)行變形分析研究(見圖1)。主要采用數(shù)碼單反相機(jī)獲取隧道初期支護(hù)圖像設(shè)備，通過圖像三維重建、圖像點(diǎn)云預(yù)處理等關(guān)鍵步驟獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，圖像采集流程主要包括選取變形監(jiān)測位置、布置測量控制點(diǎn)標(biāo)定板、采用全站儀輔助獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)和采集變形監(jiān)測區(qū)域第1期圖像；隧道初期支護(hù)圖像三維重建主要包括基于SFM算法的稀疏點(diǎn)云重建、基于SGM算法的密集點(diǎn)云重建、圖像點(diǎn)云三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、基于三角剖分算法的三維曲面重建等步驟；圖像點(diǎn)云預(yù)處理包括去除噪聲、施工機(jī)械、堆積物、電線及超前支護(hù)等非隧道結(jié)構(gòu)的三維冗余點(diǎn)云信息[9-10]。

圖1 圖像處理及變形監(jiān)測分析流程Fig.1 Image processing and deformation monitoring and analysis process

2 隧道初期支護(hù)三維整體變形分析方法

隧道三維整體變形分析可基于多期圖像點(diǎn)云的三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型對(duì)比研究(見圖2)，即計(jì)算2期三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型的距離，通過計(jì)算比較實(shí)體網(wǎng)格模型的頂點(diǎn)到參考實(shí)體網(wǎng)格模型的距離實(shí)現(xiàn)2模型的比較分析。

(a)第1期實(shí)體網(wǎng)格模型

通過在參考實(shí)體網(wǎng)格模型中搜索最近的三角形，根據(jù)通過點(diǎn)到平面距離公式，計(jì)算比較模型各頂點(diǎn)到參考模型的距離。計(jì)算結(jié)果有正負(fù)之分，可通過查看三角形的法線來確定網(wǎng)格的內(nèi)部和外部，根據(jù)三角形的法向確定計(jì)算結(jié)果的符號(hào)。將計(jì)算的距離分量字段轉(zhuǎn)換成顏色梯度，獲得基于2期圖像三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型比較分析結(jié)果見圖3。對(duì)2期圖像三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型變形值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，可獲得隧道初期支護(hù)變形直方圖和高斯分布，進(jìn)而得到隧道初期支護(hù)整體變形最值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根估計(jì)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 基于2期圖像三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型變形比較分析結(jié)果(單位：m)Fig.3 Comparison and analysis results of solid mesh model deformation based on two phases of 3D reconstruction images (unit：m)

3 隧道初期支護(hù)二維變形分析方法

獲取隧道施工初期支護(hù)三維整體變形數(shù)據(jù)的同時(shí)，有必要結(jié)合規(guī)范對(duì)隧道初期支護(hù)模型進(jìn)行二維變形分析，獲取隧道施工指定里程位置各方向變形特征。

為研究隧道初期支護(hù)二維變形，首先要確定截面位置，進(jìn)而獲取在該截面上的二維變形數(shù)據(jù)。確定截面位置有以下幾種方法：

1)三點(diǎn)法。選取隧道初期支護(hù)三維網(wǎng)格模型上3個(gè)網(wǎng)格頂點(diǎn)，根據(jù)3點(diǎn)確定一平面的方法來確定截面位置。

2)直線法。指定一條直線，根據(jù)過該直線的平面來確定截面位置。

3)系統(tǒng)平面法。系統(tǒng)平面有XY平面、XZ平面和YZ平面。若選取XY系統(tǒng)平面，通過對(duì)X方向旋轉(zhuǎn)指定角度x°∈(-180°，+180°)，Y方向旋轉(zhuǎn)指定角度y°∈(-180°，+180°),確定截面方向，并需指定定位里程截面位置Z，基于3個(gè)變量(X、Y、Z)可精確獲取截面方位。

(a)直方圖

本文采用系統(tǒng)平面法截取指定方位的初期支護(hù)三維網(wǎng)格實(shí)體模型，獲得指定方位二維截面信息。對(duì)比同一截面不同期隧道初期支護(hù)圖像點(diǎn)云信息，實(shí)現(xiàn)隧道初期支護(hù)二維變形分析。

3.1 沿隧道軸線垂直方向變形分析

沿隧道中心軸線垂直方向變形分析，即對(duì)隧道指定里程斷面進(jìn)行變形分析。隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測必測項(xiàng)目主要有洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂沉降以及地表沉降，規(guī)定隧道周邊位移、拱頂沉降和地表沉降等必測項(xiàng)目宜布置在同一斷面，其量測面間距及測點(diǎn)疏密應(yīng)根據(jù)隧道埋深、圍巖級(jí)別、斷面大小、開挖方法、支護(hù)形式等確定[11-12]。

對(duì)于周邊位移監(jiān)測，傳統(tǒng)方法是每5～50 m為1個(gè)斷面，每斷面沒2～3個(gè)測點(diǎn)；對(duì)于拱頂沉降監(jiān)測，傳統(tǒng)方法是每5～50 m為1個(gè)斷面。傳統(tǒng)全站儀等方法雖可以滿足對(duì)隧道周邊位移監(jiān)測和拱頂沉降監(jiān)測要求，但不能全面反映監(jiān)測斷面周邊位移和拱頂沉降的整體特征。而沿隧道軸線垂直方向截取圖像點(diǎn)云三維重建網(wǎng)格模型，可獲得指定里程斷面的全斷面變形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)指定里程全斷面變形分析，是對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測方法的良好補(bǔ)充。每1 m截取1個(gè)斷面，監(jiān)測密度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，且監(jiān)測結(jié)果更加全面詳實(shí)。截面1和截面2隧道軸線垂直方向變形分析分別見圖5和圖6。

圖5 隧道軸線垂直方向變形分析：截面1(單位：m)Fig.5 Analysis of vertical deformation of tunnel axis:section 1 (unit：m)

圖6 隧道軸線垂直方向變形分析：截面2(單位：m)Fig.6 Analysis of vertical deformation of tunnel axis:section 2 (unit：m)

3.2 沿隧道軸線方向變形分析

沿隧道軸線方向變形分析即對(duì)指定里程隧道拱頂沉降進(jìn)行整體分析，可改善傳統(tǒng)監(jiān)測方法中每5～50 m 1個(gè)斷面離散監(jiān)測不全面帶來的不足。沿隧道軸線方向截取圖像點(diǎn)云三維重建網(wǎng)格模型，獲得隧道拱頂變形值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定里程段拱頂沉降連續(xù)監(jiān)測和整體分析。

拱頂沉降量測的測點(diǎn)原則上宜布設(shè)在拱頂中心線上，沿著隧道軸線方向截取拱頂1條測線(見圖7)，當(dāng)洞跨較大時(shí)，亦可在拱頂設(shè)置3條測線(見圖8)。

圖7 沿隧道軸線方向變形分析結(jié)果(1條測線)(單位：m)Fig.7 Deformation analysis results along tunnel axis (one measurement line)(unit：m)

圖8 沿隧道軸線方向變形分析結(jié)果(3條測線)(單位：m)Fig.8 Deformation analysis results along tunnel axis (three measurement lines)(unit：m)

3.3 沿隧道水平方向變形分析

沿隧道水平方向變形分析即對(duì)隧道指定里程段隧道周邊位移(收斂量測)進(jìn)行整體分析。不同的施工方法測線數(shù)量及布置方式也各不相同(見圖9)。

(a)臺(tái)階法

可根據(jù)隧道不同的施工方法，沿水平方向截取圖像點(diǎn)云三維重建網(wǎng)格模型，獲得隧道周邊收斂數(shù)值，實(shí)現(xiàn)沿隧道水平方向變形分析(見圖10)。

4 隧道特征點(diǎn)變形分析方法

基于圖像三維重建獲得的多期隧道初期支護(hù)三維點(diǎn)云無法獲得共有點(diǎn)對(duì)，因此，可將在隧道表面布置的標(biāo)定板中心作為變形監(jiān)測特征點(diǎn)。通過獲取多期標(biāo)定板中心坐標(biāo)，并對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)指定位置特征點(diǎn)變形分析；亦可在隧道初期支護(hù)三維圖像點(diǎn)云模型表面設(shè)置偏差半徑，通過統(tǒng)計(jì)和擬合出指定半徑區(qū)域內(nèi)的顯著特征點(diǎn)，對(duì)特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)變形分析?；趫D像點(diǎn)云隧道特征點(diǎn)變形分析方法與傳統(tǒng)全站儀監(jiān)測方法單點(diǎn)測量類似，其在單點(diǎn)精度上不及傳統(tǒng)方法，因此不做過多研究。

圖10 沿隧道水平方向變形分析結(jié)果(單位：m)Fig.10 Analysis results of deformation along tunnel horizontal direction (unit：m)

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

云南省香格里拉至麗江高速公路海巴洛隧道是一座分離式隧道，右幅隧道起止點(diǎn)樁號(hào)為YK65+495～YK67+757，分界段全長2 262 m，隧道最大埋深約為461 m；左幅隧道起止點(diǎn)樁號(hào)為K65+505.04～K67+794，分界段全長2 288.96 m,隧道最大埋深471 m。左右幅隧道中線距離34～42 m，累計(jì)總長4 550.96 m。

5.2 隧道變形情況

海巴洛隧道施工圍巖等級(jí)主要為Ⅴ級(jí)，圍巖主要為薄層狀—碎塊狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化灰黑色炭質(zhì)板巖，層厚在0.06～0.2 m，地下水較發(fā)育。隧道施工中過程中，部分?jǐn)嗝鏁?huì)發(fā)生掌子面垮塌、初期支護(hù)大變形(見圖11)。

(a)拱腳位置變形

常出現(xiàn)初期支護(hù)開裂、剝落、鋼拱架扭曲變形等問題，導(dǎo)致初期支護(hù)換拱、增加護(hù)拱頻繁，嚴(yán)重影響施工安全和施工進(jìn)度。

5.3 隧道初期支護(hù)三維整體變形監(jiān)測分析

分別于2018年8月17日(第1期)、8月27日(第2期)、9月1日(第3期)、9月7日(第4期)對(duì)海巴洛隧道進(jìn)口右線YK66+224～+232段采集初期支護(hù)圖像，并對(duì)其進(jìn)行三維重建(見圖12)。

以第1期三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型為參考模型，分別以第2期、第3期、第4期三維重建實(shí)體網(wǎng)格模型為比較模型，計(jì)算比較模型與參考模型之間距離偏差，獲得該段初期支護(hù)三維整體變形分析結(jié)果(見圖13和表1)。

(a)第1期

(a)第2期

表1 海巴洛隧道初期支護(hù)三維整體變形統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 1 Statistical analysis results of 3D overall deformation of primary support of Haibaluo tunnel m

根據(jù)圖13和表1數(shù)據(jù)，根據(jù)海巴洛隧道進(jìn)口右線YK66+224～+232段初期支護(hù)三維整體變形分析及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，對(duì)比第1期三維重建結(jié)果，截至2018年8月27日，10 d內(nèi)整體變形均值為23.5 mm；截至2018年9月1日，14 d內(nèi)整體變形均值為28 mm；截至2018年9月7日，20 d內(nèi)整體變形均值為30.2 mm，該段隧道處于持續(xù)變形狀態(tài)。

5.4 海巴洛隧道二維變形分析

分別沿隧道軸線方向、水平方向和軸線垂直方向截取圖像點(diǎn)云三維實(shí)體網(wǎng)格對(duì)比分析模型(見圖14)，獲得隧道拱頂變形值(見圖15)、初期支護(hù)周邊收斂變形值(見圖16)和全斷面變形值(見圖17)。

(a)拱頂沉降

根據(jù)圖15—17數(shù)據(jù)，海巴洛隧道進(jìn)口右線YK66+224～+232段隧道初期支護(hù)處于持續(xù)拱頂沉降、周邊收斂狀態(tài)，拱頂沉降值沿著隧道掘進(jìn)方向逐漸增大，靠近掌子面拱頂沉降較大。截面1、截面2、截面3位置均處于持續(xù)變形狀態(tài)，截面1、截面2左拱腰相對(duì)變形較大，截面3右拱腰相對(duì)變形較大。施工過程中已根據(jù)監(jiān)測變形數(shù)值和變形特征及時(shí)采取變形控制措施。

(a)第2期 (b)第3期 (c)第4期圖15 海巴洛隧道初期支護(hù)拱頂沉降變形值(單位：m)Fig.15 Settlement of primary support crown of Haibaluo tunnel (unit：m)

圖16 海巴洛隧道初期支護(hù)周邊收斂變形值(單位：m)Fig.16 Peripheral convergence of primary support of Haibaluo tunnel (unit：m)

圖17 海巴洛隧道初期支護(hù)監(jiān)測斷面全斷面變形值(單位：m)Fig.17 Full-face deformation of monitoring section of primary support of Haibaluo tunnel (unit：m)

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

1)隧道初期支護(hù)三維整體變形分析方法高密度圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及三維實(shí)體網(wǎng)格模型可精細(xì)、可視化反映隧道表面的空間形態(tài)，并記錄不同時(shí)期隧道初期支護(hù)三維空間位置，真實(shí)準(zhǔn)確地反映隧道的三維整體變形。

2)隧道初期支護(hù)二維變形分析方法，可獲取監(jiān)測里程段內(nèi)的拱頂沉降、周邊收斂和全斷面的變形信息，改善了傳統(tǒng)監(jiān)測方法中監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量少、監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)和不能直觀反映隧道變形特征的不足。

3)以云南香麗高速海巴洛隧道進(jìn)口右線YK66+224～+232段初期支護(hù)為應(yīng)用對(duì)象，獲取4期三維圖像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從三維整體和二維局部多角度對(duì)該段初期支護(hù)進(jìn)行變形分析。應(yīng)用結(jié)果表明，所提方法在隧道變形監(jiān)測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，隧道變形監(jiān)測結(jié)果更為全面、直觀，可為隧道變形規(guī)律及變形控制方法的研究提供詳盡的數(shù)據(jù)支持。

6.2 建議

粉塵、噪聲、管線和施工機(jī)械等干擾會(huì)影響所提方法對(duì)隧道變形監(jiān)測的精度，針對(duì)某一特定點(diǎn)位的變形，建議結(jié)合全站儀等傳統(tǒng)測量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。