夏寶前，王列偉，石崢映，黃友群，連捷

（南京派光智慧感知信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019）

1 概述

我國隧道施工經(jīng)驗和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，在圍巖隧道仰拱和下臺階開挖時，受初期支護尚未閉環(huán)及開挖擾動等因素影響，較易產(chǎn)生較大沉降或收斂突變，甚至造成關(guān)門塌方。在建隧道掘進(jìn)方式主要有鉆爆和盾構(gòu)2種。盾構(gòu)方式主要用于地鐵隧道建設(shè)，刀盤掘進(jìn)、運渣、貼管片、鋪設(shè)軌道同時進(jìn)行，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，成本較高。鐵路隧道鉆爆法建設(shè)，先在掌子面進(jìn)行爆破，爆破后立工字鋼梁并澆筑水泥成為初期支護；初期支護區(qū)域的變形速率較大，極易發(fā)生隧道沉降、收斂等病害，需實時監(jiān)測形變［1-2］。

目前鐵路隧道監(jiān)控量測方法包括傳統(tǒng)基于全站儀［3-4］、基于激光測距［5］和基于三維激光掃描的方法［6-9］等。其中全站儀監(jiān)控量測方法一般需配合水準(zhǔn)儀、收斂儀等實現(xiàn)監(jiān)測隧道的凈空收斂、拱頂沉降等。受采集手段的限制，基于全站儀的隧道監(jiān)控量測方法存在采集速度慢、采集時間間隔長、采集點數(shù)據(jù)量少等缺點，不能全面反映隧道真實情況等缺陷。許定倫等［5］采用的基于激光測距的方法是一種自動連續(xù)監(jiān)控量測方法，但基于激光測距的變形測量原理僅支持定點結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)的采集。

隨著三維激光掃描儀技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其在精細(xì)三維數(shù)據(jù)建模方面具有數(shù)據(jù)精度高、采集速度快的優(yōu)勢，已被逐步應(yīng)用到工程測量的多個領(lǐng)域。趙麗鳳等［6］將移動三維激光測量技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測，提出一套適用于隧道結(jié)構(gòu)和病害監(jiān)測的硬件集成方案，研發(fā)一套獲取地下空間結(jié)構(gòu)三維幾何特征的方法。秦炳權(quán)［7］通過三維激光掃描技術(shù)對地鐵隧道進(jìn)行變形監(jiān)測，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析整體隧道狀態(tài)。目前三維激光測量法存在設(shè)備成本高、受施工影響較大等問題，在鉆爆法施工的隧道中應(yīng)用尚需在結(jié)構(gòu)或硬件方面進(jìn)一步改進(jìn)提升。

通過上述分析，針對目前鐵路隧道監(jiān)控量測，需研發(fā)一種隧道結(jié)構(gòu)變形自動監(jiān)測系統(tǒng)和方法，能夠方便同時在運營隧道和在建隧道中部署，不需在隧道頂部安裝設(shè)備，并能夠?qū)崟r不中斷地監(jiān)測隧道全斷面結(jié)構(gòu)形變，及時發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)變形、實時跟蹤結(jié)構(gòu)變形趨勢，在有較大結(jié)構(gòu)變形發(fā)生時能夠及時發(fā)出預(yù)警，且測量設(shè)備需同時具備安裝方便、受隧道施工影響小等特點。通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和積累，研究地質(zhì)情況、施工方法、施工參數(shù)等與初支變形間的相關(guān)關(guān)系，為確定變形報警限值提供參考，可為后續(xù)施工工藝、工法的改進(jìn)及預(yù)留變形量等提供數(shù)據(jù)支撐。

2 隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

針對傳統(tǒng)在建隧道圍巖變形測量的確定，設(shè)計隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形自動監(jiān)測系統(tǒng)（Tunnel Construction Monitoring System，TCMS）。TCMS由監(jiān)測主站和監(jiān)測終端組成，通過將隧道斷面監(jiān)測終端安裝在掌子面及初期支護側(cè)壁，在隧道圍巖斷面形成多條完整監(jiān)測光帶，對掌子面和側(cè)壁斷面結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測，并在二次襯砌穩(wěn)定區(qū)域側(cè)壁安裝參考監(jiān)測終端，形成穩(wěn)定的參考點線基準(zhǔn)；通過在仰拱閉合區(qū)或二次襯砌區(qū)安裝的分析控制主站，同時對監(jiān)測光帶和參考光帶進(jìn)行非接觸式智能分析和測量，實現(xiàn)隧道圍巖變形的實時不間斷監(jiān)測。監(jiān)測主站和終端在隧道監(jiān)測區(qū)域的布置示意見圖1。

圖1 監(jiān)測主站和終端在隧道監(jiān)測區(qū)域的布置示意圖

2.1 變形計算原理

安裝于隧道被測量斷面的終端可發(fā)射覆蓋隧道全斷面的線結(jié)構(gòu)光，系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)光圖像采集和分析對比，計算被測量斷面的變形量。結(jié)構(gòu)光圖像數(shù)據(jù)處理單元利用圖像識別算法定位結(jié)構(gòu)光區(qū)域及其邊緣。算法首先通過自適應(yīng)閾值處理方式定位結(jié)構(gòu)光區(qū)域，利用深度學(xué)習(xí)分割網(wǎng)絡(luò)識別區(qū)域內(nèi)線結(jié)構(gòu)光邊緣，分割網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選語義分割模型。

線結(jié)構(gòu)光的光線在圖像中有一定寬度，需提取線結(jié)構(gòu)光曲線中心線代表結(jié)構(gòu)光每個坐標(biāo)點的位置，采用重心法進(jìn)行光線中心提取，在預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)光區(qū)域內(nèi)使用OSTU法計算閾值T，然后將閾值與結(jié)構(gòu)光每個像素點灰度值進(jìn)行比較，尋找大于閾值T的像素及坐標(biāo)，進(jìn)行加權(quán)平均得到光線中心坐標(biāo)：

式中：fi為大于閾值T的結(jié)構(gòu)光點像素的灰度值；vi為所有大于閾值T的結(jié)構(gòu)光點的像素坐標(biāo)；M為大于閾值T的像素個數(shù)。

得到結(jié)構(gòu)光心位置后即可進(jìn)行前后比對，由于被監(jiān)測斷面通常位于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定區(qū)域，監(jiān)測終端本身存在位置變動的可能，為消除監(jiān)測終端自身位移的影響，系統(tǒng)設(shè)計具備圓形靶點光源的終端，通過計算圓形靶點中心水平方向和豎直方向的位移，獲取終端自身位移量，并在計算隧道截面變形時予以補償。

隧道數(shù)據(jù)處理單元監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，區(qū)分是否發(fā)生隧道單截面沉降、收斂，多截面整體沉降等病害。優(yōu)選區(qū)域偏移差值算法，檢測方法如下：

（1）劃分隧道壁區(qū)間，分為左右側(cè)壁和拱頂部分，左右側(cè)壁檢測橫向和縱向位移，拱頂檢測縱向位移。隧道拱頂、側(cè)壁區(qū)域劃分示例見圖2。

圖2 隧道拱頂、側(cè)壁區(qū)域劃分示例

（2）實時線結(jié)構(gòu)光曲線中心線與基準(zhǔn)線匹配，優(yōu)選差值計算算法，比較掩碼圖不同區(qū)間基準(zhǔn)線前后像素偏差，逐個比較像素橫向或縱向位移變化，每段區(qū)間內(nèi)圖像像素的差值作為1個序列，采用多項式平滑（SG）［10］濾波對差值序列進(jìn)行平滑，多項式平滑濾波是移動窗口的加權(quán)平均算法，普通的滑動窗口平滑算法為：

式中：xk，smooth為元素xk平滑后的值；w為窗口大?。粁k+i（i∈(-w，w)）為序列窗口內(nèi)的元素值。

而多項式平滑濾波是卷積平滑，基于最小二乘法原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。隧道拱頂沉降及周邊收斂計算示例見圖3。

圖3 隧道拱頂沉降及周邊收斂計算示例

（3）隧道多截面整體沉降監(jiān)測，優(yōu)選組合線差異算法，結(jié)合隧道前后多條線結(jié)構(gòu)光曲線中心線匹配結(jié)果，其中1條或多條整體下移為隧道多截面整體沉降病害。

（4）沉降量空間映射，通過像素量化將像素位移轉(zhuǎn)換為空間偏移距離，獲得實際沉降量，并根據(jù)位移方向?qū)?yīng)病害類型。

2.2 系統(tǒng)工作模式

（1）在隧道初期支護區(qū)側(cè)壁按固定間隔（5 m）安裝1臺斷面監(jiān)測終端，安裝高度為3 m（適當(dāng)提高安裝位置，減少作業(yè)設(shè)施遮擋），各斷面監(jiān)測終端盡量保持在同一水平面上。

（2）在隧道穩(wěn)定區(qū)域（二次襯砌區(qū)）側(cè)壁適合觀測位置安裝參考斷面監(jiān)測終端，保證采集終端可以觀測到。

（3）在隧道穩(wěn)定區(qū)域（仰拱或二次襯砌）側(cè)壁安裝主站，該主站與斷面監(jiān)測終端及參考斷面監(jiān)測終端盡量保持同一水平面附近，與監(jiān)測終端及參考終端最遠(yuǎn)距離不超過50 m（典型配置，可定制），保證觀測效果；超出監(jiān)測距離的采用級聯(lián)從站的方式。

3 試驗結(jié)果分析

通過設(shè)計專用的標(biāo)定實驗臺模擬環(huán)境，對自動監(jiān)測功能和性能進(jìn)行試驗檢測，并在相關(guān)鐵路項目中進(jìn)行了長期使用測試，根據(jù)現(xiàn)場工況，解決了設(shè)備防塵、爆破防護、工程車遮擋等問題對TCMS的影響。

3.1 產(chǎn)品功能檢測

為測試TCMS的精度和可靠性，設(shè)計了標(biāo)定檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由標(biāo)定工裝及附屬控制系統(tǒng)組成，在拱頂、側(cè)壁S1、側(cè)壁S2處安裝標(biāo)定工裝，安裝示意見圖4，標(biāo)定檢測系統(tǒng)具有如下功能：

圖4 設(shè)備標(biāo)定檢測系統(tǒng)安裝示意圖

（1）標(biāo)定工裝模擬拱頂沉降、側(cè)壁收斂；

（2）將標(biāo)定工裝的模擬沉降/收斂數(shù)據(jù)、TCMS自動監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對，驗證TCMS測量結(jié)果的精度及可靠性；

（3）根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，對TCMS進(jìn)行自動校準(zhǔn)。

分別將測量主站安裝于距離工裝19.8、33.5、60.0 m處，對TCMS的拱頂沉降和側(cè)壁收斂測量精度進(jìn)行測試，測試時將標(biāo)定工裝分別移動10、50、100 mm，由TCMS觀測并記錄測量值和測量誤差。TCMS對拱頂沉降和側(cè)壁收斂的測試結(jié)果見表1、表2，其中給定位移量為標(biāo)定工裝的位移量，測量值為自動測量系統(tǒng)測得的位移值，經(jīng)統(tǒng)計TCMS拱頂沉降和側(cè)壁收斂誤差在±1.5 mm以內(nèi)。

表1 TCMS拱頂沉降測量精度檢驗結(jié)果 mm

表2 TCMS側(cè)壁S1位置收斂測量精度檢驗結(jié)果 mm

3.2 隧道測量測試結(jié)果

TCMS在麗香鐵路長坪隧道、花椒坡隧道和張吉懷高鐵新華山隧道等項目施工中進(jìn)行了長期的使用測試，以某施工環(huán)境較復(fù)雜艱險隧道為例進(jìn)行結(jié)果分析。2021年6月29日—7月12日，監(jiān)測該隧道DK3+610拱頂沉降、側(cè)壁收斂情況，對全站儀測量數(shù)據(jù)和TCMS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，總結(jié)2個測量系統(tǒng)的趨勢相關(guān)性及TCMS的測量準(zhǔn)確性。

（1）DK3+610拱頂沉降TCMS測量結(jié)果。2021年7月7日22:41:24—12日14:49:43，共測量35次，拱頂沉降測量數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢見圖5。

圖5 TCMS測量拱頂沉降數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢

（2）DK3+610拱頂沉降全站儀測量結(jié)果。高精度全站儀在2021年6月26日—7月11日共測量30次，拱頂沉降測量值隨時間變化趨勢見圖6。

圖6 全站儀測量拱頂沉降數(shù)據(jù)隨時間變化趨勢

經(jīng)對比分析，2021年7月7日16:28:39—11日08:44:50，全站儀測量拱頂累積沉降2.1 mm（7.4-5.6=2.1 mm）；2021年7月7日22:41:24—11日08:44:55，TCMS測量拱頂累積沉降2.761 mm。拱頂累積沉降量二者測量結(jié)果差值為0.661 mm。且在此時間段內(nèi)，TCMS測量次數(shù)為30次，全站儀測量次數(shù)為8次，補全了全站儀2次測量間隔之間的數(shù)據(jù)，為隧道結(jié)構(gòu)變形預(yù)測提供了豐富數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

針對隧道建設(shè)過程中全站儀監(jiān)測方式存在監(jiān)測間隔時間長、不能實時監(jiān)測，以及作業(yè)風(fēng)險大、勞動強度大、人員因素影響大等缺點研制隧道圍巖變形全自動、實時監(jiān)測系統(tǒng)。TCMS兼?zhèn)淙緝x監(jiān)測方式的原理性優(yōu)點，同時具有全自動智能分析、連續(xù)實時監(jiān)測、無需安裝反光棱鏡、全斷面監(jiān)測測點多、設(shè)備無線通信電池供電、易拆卸安裝等明顯優(yōu)勢。TCMS部署方便，排除人為因素干擾，實時有效監(jiān)測突發(fā)安全風(fēng)險。經(jīng)研發(fā)及試驗驗證，并在相關(guān)重大鐵路隧道項目施工中進(jìn)行了長期使用測試，解決了設(shè)備防塵、爆破防護、工程車遮擋等問題對自動監(jiān)測系統(tǒng)的影響，與傳統(tǒng)全站儀測量方式相比，TCMS測量數(shù)據(jù)實時、豐富且趨勢準(zhǔn)確，可對隧道頂部沉降、周邊收斂、局部沉降、整體沉降等病害進(jìn)行測量，并在隧道有較大變形時及時發(fā)出預(yù)警。