隧道三维信息化监测技术与工程应用

李长青

(北京工业职业技术学院，北京100042)

一、引 言

隧道工程设计的基本特点是“地质环境复杂，基础信息缺乏”，其施工存在着很大的不确定性和高风险性。隧道工程围岩地质情况沿隧道轴线方向变化较大，不可能在隧道施工前将地质情况全部搞清楚，即使可能也是不科学和不经济的。隧道工程的特殊性决定了其在勘察、设计和施工等诸多环节中允许有交叉、反复，在此基础上形成了采取与隧道施工过程中的地质条件、力学动态等不断变化相适应的“动态施工”［1-4］。隧道三维信息化监测技术具有解决隧道施工不确定性问题的能力，能够降低施工风险，对重大坍塌和破坏事件能够预警预报，从而实现施工的安全和经济的目标，对隧道信息化监测技术研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

“信息化方法”起源于20世纪40年代后期，随着当时“现代”土力学理论的进展，发展了一种集成预测、监控、评价和修正的设计方法。20世纪60年代起，奥地利学者和工程师总结出以尽可能不要恶化围岩中的应力分布为前提，在施工过程中密切量测围岩变形和应力等，通过调整支护措施来控制变形，从而达到最大限度地发挥围岩本身自承能力的新奥法隧道施工技术［1-5］。

随着科技的不断进步，三维测量技术已逐步应用到测绘、医学、工业等领域中。国外的研究早于国内，技术也相对成熟，但是对数据处理方面的研究内容比较少，研究的重点正逐步集中到对数据处理方面，即对扫描的点云数据进行配准、去噪、精简、多边形格网建立、三维模型重建等。国内的研究较晚，2010年李健等对地铁隧道的点云数据实施压缩，然后用基于点云法向量差异的点云分割法对其精简、建模;2012年李滨等将三维激光扫描技术引入到灾害检测中［3-7］;邓洪亮等研究了三维激光扫描技术在隧道监测中的应用问题，先后建立了隧道监测坐标系，开发了隧道三维点云数据信息化管理系统，取得了较好的工程应用效果。

二、隧道监测三维信息化技术

隧道工程作为一个空间实体，采用三维激光扫描技术可以主动、非接触、快速地获取实时、动态、全方位和高精度的海量空间点云数据，通过点云拼接和滤波分析等，得到隧道空间的三维实体模型，进行数字化处理和隧道预警预报，指导隧道信息化施工和设计。隧道三维激光扫描监测信息化系统的开发目的是快速、准确地传递隧道施工信息和监测信息，根据隧道监控量测的变形信息、掌子面开挖信息和既有的地质信息，指导隧道的施工，合理地确定二衬施做时间，及时地调整隧道地护方案，保证隧道的施工安全和工后安全。

邓洪亮等研发的隧道监控量测信息化管理系统具有掌子面及隧道展开面浏览、实时信息浏览与查询、任意断面图生成与数据查询、任意点变形对比与查询、标准断面对比与查询、任意时间段断面对比图生成与对比数据查询、导出三维CAD隧道模型图和侵限分析图等功能，有网络支持条件下可实现隧道全断面实时监控等功能，并可采用数字挖掘技术分析关键控制断面和关键控制点变形随开挖时间及距掌子面距离的变化曲线，生成铁路监控量测规范规定的日报表、周报表和月报表，分析确定控制性断面停测的时间和二衬施做时间，根据关键控制断面和关键控制点进行隧道三级预警预报和三级风险等级管理。

三、工程实例与应用分析

1．工程概况

宝峰隧道所在区域地层构造为青藏高原东南缘，是川滇菱形块体、华南块体和临沧-思茅块体的结合部位，全隧道7377 m均为富水软弱Ⅴ级围岩，岩性以砂岩、板岩、灰岩等地层不整合接触为主，地表有水库、铁路、高速公路等特殊构筑物，施工控制难度极高，极易发生突水突泥事故。在施工过程中虽然采用了短台阶七步法，并采取了多种有效的探测和支护与加固措施，但仍多次发生突水突泥事故及隧道周边膨胀变形等地质灾害。为研究软岩隧道的变形规律，预测隧道施工风险，为隧道设计和施工提供合理的参数，自2013年开始采用三维激光扫描测量技术对该隧道进行了长期的监测和研究工作，共完成隧道监测里程约1600 m。

2．模型对比分析

宝峰隧道三号斜井工程地质条件十分复杂，地表地形东高西低，坡度35°左右，隧道的拱顶沉降量每天可达5～6 cm，地下水十分丰富，突水突泥常有发生。采用隧道施工三维扫描信息化监测系统可以进行任意时间段内的隧道开挖过程与模型对比分析，准确掌握隧道的变形规律和断面侵限情况。现就宝峰隧道三号斜井大里程不同时间隧道变形分析模型对比情况(如图1所示)和断面侵限情况(如图2所示)进行分析。

由图1可知，三维激光扫描测量技术可以实时地采集隧道开挖后掌子面和掌子面附近隧道壁的所有变形信息，随着掌子面向前推进，监测数据实时跟进，不遗漏掌子面附近的变形信息，数据真实可靠。监测过程中无须在指定的断面布设监测标靶等测量装置，不仅速度快，而且精度高，信息量远远超过传统的测量方法，同时根据测量的点云数据可以快速生成各种分析对比模型，帮助进行隧道变形对比分析和研究。

由图1不同时间隧道对比分析模型可以看出，宝峰隧道三号斜井大里程在隧道开挖初期变形量较小，变形基本上是对称分布的，随着开挖后时间的增加，变形量逐渐增加，并出现明显的不对称变形，在隧道左侧拱腰净空收敛变形大，右侧拱腰净空收敛变形小，变形量相差2～3倍，并且在宝峰隧道所有工点都存在同样的变形规律。

图1 宝峰隧道三号斜井大里程不同时间隧道变形分析模型对比图

图2为隧道断面侵限对比图，由图中可知，隧道开挖后很快就出现不对称变形，左侧拱腰多处侵限，而右侧基本收敛变量较小，变形量一般相差2～3倍。

图2 宝峰隧道三号斜井大里程隧道断面侵限对比分析图

3．成果统计分析

隧道监控量测信息化管理系统具有隧道监测结果统计分析功能，可以随时得到拱顶沉降量随时间变化分析曲线(如图3所示)、拱顶沉降量随距掌子面距离变化分析曲线(如图4所示)、净空收敛值随时间变化分析曲线(如图5所示)等。

图3 K14+215断面拱顶累计沉降量随监测时间变化曲线

图4 K14+215断面拱顶累计沉降量随距掌子面距离变化曲线

图5 K14+300断面净空收敛随时间变化曲线

由图3可知，宝峰隧道在掌子面开挖后拱顶沉降量随时间变化分析曲线由快到慢的变化过程，由于软岩隧道特点，在掌子面开挖后前5 d，拱顶沉降速率相对较大，围岩产生弹-塑性变形，累计沉降量达170 mm左右，随着时间推移，围岩的拱效应逐渐形成，15 d后变形逐渐趋于稳定，累计沉降量达260 mm左右。

由图4可知，掌子面开挖后隧道监测在下一循环前完成，及时地监测到了掌子面附近的隧道变形，监测点与掌子面的距离(监测信息化管理系统自动计算完成)不到1 m，拱顶沉降量随着与掌子面的距离增加而增加，当距离25 m左右时(仰拱封闭后)变形量趋附于稳定。

由图5可知，宝峰隧道拱顶沉降量大于净空收敛，一般拱顶沉降量最大值为净空收敛最大值的2～3倍左右，净空收敛表现为不对称变形，随着与掌子面距离的增加不对称变形越明显，隧道左侧净空变化最大值(AB)一般为右侧的净空变化最大值(AC)的2～3倍，早期开挖部分收敛(BC)变形大，后期开挖部分收敛(DE)变形小。

根据宝峰隧道地质调查结果，在三号斜井小里程K14+300－K14+215地面高程2078 m，隧道拱顶高程1918 m，隧道埋深160 m，地表地形东高西低，坡度35°左右。当隧道开挖后，围岩的初始应力改变，重新产生新的平衡，在这一过程中由于隧道左侧地表高程大，隧道上方的竖向应力大，地层为软岩，稳定性极差，因此对隧道壁产生的侧向应力较大，致使隧道左侧的变形大，相反在隧道右侧产生的变形较小。

隧道的不对称变形与隧道埋深和围岩的工程地质条件有密切关系，埋深越浅，自重应力对隧道的影响越大。围岩条件越差时，岩石强度越低，自重应力对隧道产生的影响越大，隧道壁所受的侧向压力越大。在支护结构不足以抵抗侧向围岩所给予的被动土压力的条件下，围岩产生变形，隧道产生收敛，围岩压力较大的一侧将产生较大的变形和收敛，在施工过程中应密切重视，并采取相应的措施。

4．监测精度对比分析

为衡量检查三维激光扫描仪的测量精度，分别采用Leica TPS1200全站仪和扫描仪对隧道同一隧道断面的大小和形状进行测量和对比，对比结果如图6所示。

图6 断面侵限监测精度对比

由图6可知，三维激光扫描仪在隧道同一断面上测量的点数达5000个左右，全站仪在隧道同一断面上测量的点数只有20个左右，三维激光扫描仪的采样点数远远超过全站仪，得到的断面线更加真实可靠。从测量点精度来看，无论采用全站仪测量还是采用激光扫描仪测量，断面测量数据精度均达到铁路监测规程规定的要求，两种方法的测量结果吻合得非常好，点位相对误差均小于2 mm，高程相对误差均小于2 mm，附宝峰隧道三号斜井K14+385断面偏差对比见表1。

表1 宝峰隧道三号斜井K14+385断面偏差对比

四、结论与建议

传统的测量方法是采用全站仪或收敛计等测量工具进行单点式数据釆集，虽然监测精度较高，但需在被测处放置特定装置，测量工作量大、成本高、效率低，而且在地质条件复杂地区测量难度较大，不能确保人员的安全。摄影测量方法获取的是区域的影像数据，数据量虽然大，但其精度较低。三维激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，数据采集时在被测处不用放置特定的测量装置，实现了点对面的数据采集模式，在注重测量速度和操作简便的同时，保证了测量的综合精度。

三维激光扫描仪具有测量速度快、人力要求低、可靠性强等优点，可以对隧道所有地方进行全断面扫描测量，实时获取掌子面和掌子面附近的全部断面信息。

监测资料表明，隧道在开挖施工过程中，隧道净空收敛受地形条件、隧道埋深和围岩工程地质条件影响较大，当地表坡度较大，工程地质条件较差时，隧道净空将产生明显的不对称变形，影响隧道的施工安全。

采用隧道三维激光扫描监测技术的监测成果除满足现行铁路隧道监测规范所规定的全部指标外，同时可为隧道施工提供全断面实时监测信息和断面侵限分析图，具有监控量测风险自动预警预报功能和报表自动生成与转发功能，具有行业内推广应用的价值。

［1］ 邓洪亮，陈凯江，朱明岩，等．隧道监控量测三维激光扫描方法与应用研究［J］．测绘通报，2012(S1):123-125．

［2］ 邓洪亮，杨玉杰，高文学，等．隧道施工监控与预警系统应用研究［J］．施工技术，2011，40(3):54-56．

［3］ DENG Hongliang，CHEN Kaijiang，DENG Qihua，et al．The Data Management System of Tunnel Monitoring［C］∥the 2012 International Conference on Computer-aided Material and Engineering(ICCME 2012)．Hongzhou:IEIT，2012．

［4］ DENG Hongliang，DENG Qihua，CHEN Kaijiang，et al．3-D Tunnel Clearance Measurement Technology and Application Based on Reverse Engineering［C］∥2012 International Conference on Smart Technologies for Materials and Communication(ICSTMC2012)．Melbourne:Research and Markets，2012．

［5］ DENG Hongliang，FU Xiaoyin．The Advanced Prediction and Emergency Management Technique on Construction of Shallow Buried Large Section Bedding Rock Unsymmetrical Loaded Tunnel［C］∥Proceedings of the Eleventh International Symposium on Structural Engineering．Beijing:［s．n．］，2010:1755-1760．

［6］ WANG Qingbo，YUAN Jingling，ZHONG Luo．The Architecture of City Tunnel Monitoring Platform［C］∥2012 2nd International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks．［S．l．］:CECNet，2012:640-642．

［7］ 毕俊，冯琐，顾星晔，等．三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用研究［J］．测绘科学，2008，33(S2):14-16．