隧道围岩结构面数字识别及完整性评价方法

张延欢， 李利平, 刘洪亮， 杨为民， 石少帅

(山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061)

隧道围岩结构面数字识别及完整性评价方法

张延欢， 李利平, 刘洪亮， 杨为民， 石少帅

(山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061)

针对当前隧道围岩结构面信息获取方法难以满足隧道快速施工需求的问题，进行基于数字摄影测量系统——CAE Sirovision获取岩体结构面几何信息的研究，详细介绍了双目立体摄影测量的基本原理及结构面产状提取方法。针对具体工程，采用全站仪空间前方交会法进行控制测量，以尼康D7000数码摄像机为摄影工具，采用CAE Sirovision系统进行物像关系模型构建； 通过交互式操作方式实现结构面识别及提取，以测线法RQD指标获取方法为基础，针对传统RQD指标仅能反映隧道轴向结构特性的局限，构建隧道径向RQD评价体系； 针对岩体结构空间差异性，提出隧道径向RQD玫瑰花图，实现了结构面获取、RQD分析、RQD直观显示的集成化处理，为隧道数字化施工提供理论和技术支撑。

隧道围岩； CAE Sirovision； 近景摄影测量； 围岩结构面； RQD； 玫瑰花图

0 引言

岩体是隧道及其他地下工程的主要载体，在其形成过程中，历经地质沉积、构造运动、风化变质、开挖扰动等地质及人为作用，形成了大量大小不一、形状复杂、分布错综的结构面，结构面相互交错进一步形成了特定的岩体结构，而岩体结构面及结构面控制的岩体结构形态决定了岩体的宏观工程性质，使其表现为非均质、非连续、各向异性的宏观力学特性。 因而，把握岩体结构面的几何特征是进行岩体质量评价及稳定性分析的前提条件。

在结构面几何特征采集方面，目前，主要有现场接触测量、钻孔测量、非接触扫描测量3类。传统人工现场接触测量以测线法、统计窗法为代表，其劳动强度大、效率低，且难以实现对Ⅳ级、Ⅴ级结构面的有效量测。钻孔测量由于造价高、耗时长、解算困难，在现代隧道快速施工的背景下难以广泛应用。非接触扫描测量以近景摄影测量为代表，因其操作简单、高效、批量采集的特性，在工程中得到了广泛的应用。李浩等[1]基于数码近景测量方法建立了边坡工程地质编录信息系统；田胜利等[2]将数字化近景摄影测量技术应用于隧道及地下工程变形监测领域；王凤艳等[3]对采用数码近景摄影测量获取岩体结构面几何信息进行了探索性研究； 周春霖等[4]提出了改进的摄像机姿态获取方法，并实现了岩体结构面的非接触测量；王国辉等[5]、任伟中等[6]将数码摄像引入变形监测领域。澳大利亚CAE Sirovision系统、奥地利ShapeMetrix3D系统的市场化推广，进一步推动了近景摄影测量技术在工程应用方面的研究。如： 徐帅等[7]介绍了CAE Sirovision的组成及后处理软件，并将其在矿区结构面采集领域进行了应用； 王述红等[8]、王洋等[9]在ShapeMetrix3D系统的基础上，提出了基于虚拟网格的结构面切割岩体方法，构建了GeoSMA-3D系统，将近景摄影测量应用于关键块体分析领域。然而，在隧道掌子面裂隙及结构面采集分析方面，尚无系统应用的报道。

在结构面几何特征分析方面，岩石质量指标(RQD)是评价岩体完整程度的重要参数。Deere首次提出了RQD的概念，采用直径为75 mm的金刚石钻头和双层芯管在岩石中连续取芯，岩芯长度大于100 mm的累积长度与进尺的比值即为其RQD值[10]。其后，RQD作为工程岩体完整程度的定量参数，被广泛地应用于各种工程岩体稳定性评价中[11-12]。国内外许多岩体工程规范、规程都采用了RQD指标，RQD已成为岩石力学理论研究与工程实践中应用最频繁的术语。在地下工程领域，RQD指标多是用于岩体质量超前探测，基于掌子面钻孔获取，服务于围岩分级或围岩力学参数反演，进而为隧道施工提供参数指导。实际上，由于工程目的及钻孔位置的限制，RQD指标仅能代表隧道轴向RQD信息[13-17]。随着现代隧道技术的发展，勘查日益精细化、数据化，针对性支护设计日益受到关注，基于隧道径向围岩结构特征的差异支护理念逐步取代原有盲目平均式支护方式，因而，构建隧道径向RQD评价体系，反映围岩径向结构特征，在围岩锚固、支护等方面具有较强的工程意义。

本文以CAE Sirovision岩体表面扫描系统为基础，详细介绍了基于双目摄像系统的隧道岩体结构面采集方法，并以此为基础构建隧道掌子面径向RQD评价体系；同时，借鉴结构面玫瑰花图构图思路，绘制隧道径向RQD玫瑰花图，实现结构面获取和结构面分析方法的集成，以指导隧道围岩支护设计。

1 岩体结构面摄影测量系统

1.1 双目立体摄像原理

双目立体测量是基于双眼视差效应原理,通过处理两幅或者多幅二维图像，获取物体的三维坐标信息，继而还原出相应场景的三维实景测量方法。其利用1台或2台数码摄像设备(CCD)从不同的位置或角度对同一区域进行拍摄，以获取同区域异视角图像对； 其后以图像对的形式导入分析软件，通过计算机特征识别，获取两图像同名点，计算同名点在两幅图片中的视差，进而依靠共线原理实现空间点三维坐标的复原(如图1所示)；最终实现测量或三维模型构建。

图1 双目立体测量原理

依据同名点搜索方式的不同，双目立体摄影测量系统分为人工法及自动法2种。人工法即人为观察选择同名点，求取双目视差，进而计算其三维坐标信息。自动法是将图像进行预处理，进行同名点自动搜索匹配，进而实现三维坐标解译。在工程应用中，人工法往往受限于人的工程经验，具有较强的主观性和不可重复性； 而自动法具有速度快、效率高的特点，但其准确性普遍不高，往往需要辅以人工纠正。

1.2 结构面测量原理

岩体结构面产状主要指结构面的走向、倾向、倾角信息，是结构面统计、几何分析的重要内容。鉴于岩体结构面产状3要素(走向、倾向、倾角)中，走向、倾向可以通过角度关系相互转换，因而按照右手法则，仅需要倾向和倾角即可描述结构面的产状信息。基于物方空间坐标的产状计算模型如图2所示。

图2 结构面产状计算模型

(1)

基于法向量三坐标分量，利用三角函数求结构面倾向β和倾角α，计算模型为：

(2)

(3)

由于结构面倾向取值范围为 [0，360°]，而倾角取值范围为 [0，90°]，参照倾向、倾角计算模型，在计算倾向β0时尚未考虑其取值区间约束，因而构建结构面倾向取值为区间函数，如表1所示。

表1 倾向取值区间表

1.3 双目立体摄像系统

CAE Sirovision系统是由澳大利亚联邦科学与工业组织(CSIRO)开发的专门用于岩体结构面调查与分析的一套三维不接触测量系统。其采用1台定焦数码摄像设备(Nikon D7000)从2个不同位置对同一指定区域进行拍摄，形成同目标异视角图像对，通过双目摄像基本原理进行图像对坐标的三维转换，进而构建指定对象的三维表面模型；其后，采用区域重叠理念，通过重合区域三维表面模型像素点匹配、图像合成等技术措施实现岩体表面真三维模型构建；同时，CAE Sirovision系统软件提供结构面产状识别、分析功能，采用交互式操作方法，人工标识结构面，以非共线点平面拟合的方法，实现每个结构面个体的识别、定位、拟合、追踪以及几何形态信息参数(产状、迹长、间距等)的获取，并采用聚类算法实现结构面的分组、分级、交切关系分析等。其工作流程如图3所示。

该系统采用数码摄像技术解决了传统测线法、统计窗法等接触测量方法效率低、耗时长、操作困难等不能满足现代快速施工要求的问题，同时针对传统方法难以测量的Ⅳ级和Ⅴ级结构面，具备较强的针对性和适用性，真正做到了现场岩体开挖揭露面的即时定格和精确定位；配备岩体结构面产状采集、分析软件，可实现结构面产状批量、快速获取，对于岩体结构面产状统计、岩体质量评价具备较强的适用性。

图3 双目立体摄像系统工作流程

2 岩体完整性评价方法

2.1 隧道径向RQD的提出

岩体质量评价指标RQD是岩土工程基础性指标，是围岩分级、稳定性分析、支护设计的基本参数。就隧道工程而言，岩体施工过程RQD指标多是基于掌子面钻孔获取，实质上，由于钻孔方位限制，该方法只能获取隧道轴线方向或近轴线方向的RQD。然而岩体具有明显的非均质性，轴向RQD与径向RQD，甚至径向RQD本身，由于测线位置、方向等因素的差异，会导致取值存在较大差异[13-17]。因而以钻孔法获取的RQD作为岩体整体质量指标仅能反映隧道轴向结构特征，难以涵盖径向结构信息，而隧道围岩稳定性分析，特别是围岩支护设计对隧道围岩径向RQD反应敏感，构建径向RQD评价体系，实现隧道径向岩体质量空间特性分析，具有一定的工程实践意义。

2.2 隧道径向RQD的获取

随着结构面测量技术的发展，测线法获取岩体RQD得到了广泛的认可，为隧道径向RQD评级体系构建提供了技术支持，但其忽略了钻孔这一步骤，以揭露结构面产状信息为基础，通过布设虚拟测线，考虑结构面间距特征，实现岩体RQD获取，进而实现岩体质量的全面剖析。采用测线法获取隧道岩体径向RQD存在2个问题： 一是RQD取值对测线布设位置极其敏感，RQD的空间特性如图4所示，针对同一岩体结构，不同方位布置测线，获取的RQD1≠RQD2,因而，采用单一方位RQD反映径向RQD整体特性并不现实；二是RQD阈值问题，传统RQD定义为75 mm直径的金刚石钻头和双层芯管在岩石中连续取芯，其中长度大于100 mm的完整岩芯长度与进尺的比值即为其RQD指标，其考虑指标的统一性和可比性，针对不同工程统一采用100 mm作为RQD计算阈值，具备一定的实际意义，但其合理性缺乏相关论证。就隧道径向RQD指标而言，其主要目的是实现岩体质量的同里程(横向)空间结构特性分析，以期为隧道支护设计提供参数指导。然而，由于隧道结构面发育具有随机性，采用固定阈值往往由于阈值过小或者过大造成其可分析性不足，因而应针对工程目的及结构面间距合理选定阈值。

图4 RQD的空间特性

2.3 径向RQD玫瑰花图

隧道岩体径向RQD具备较强的空间性，其取值随测线方位、RQD阈值的不同具有极强的差异性，径向RQD评价体系的构建需同时体现RQD数值及其所在方位特征，实现岩体结构特征横向空间分析。以掌子面所在平面为基准，以掌子面与隧道底板交线的中点为中心，以10°为取值间隔，通过中心点向隧道轮廓线布设18条虚拟测线，以18个方位的RQD值来反映径向岩体完整性。就RQD阈值合理化问题，依据数理统计方法，提出采用极差法进行合理阈值选择。本文以[100， 200，300，…，1 000 mm]作为阈值空间，选定最小极差0.3作为判定依据，实现径向RQD阈值选择的可控化处理。最后以方位角为自变量，各方位RQD为因变量，绘制径向RQD玫瑰花图，以实现隧道横向结构特征的直观表现，为隧道支护提供参数指导。RQD玫瑰花图绘制流程如图5所示。

3 工程应用

3.1 工程背景

原型隧道位于青藏高原东部边缘，地处四川省境内。隧道全长6 601 m，最大埋深约880 m，相对高差400～800 m，地势左高右低，属傍山单面上坡双线铁路隧道。隧址区群山林立，坡陡谷深，山脉总体呈SN向展布，山脊与横向深切沟谷相间分布，地形跌宕起伏，地势普遍陡峻，属构造剥蚀高中山地貌。隧址区上覆第四系全新统坡崩积层细角砾土、碎石土、块石土、粉质黏土、粗圆砾土、卵石土、泥石流堆积层，下伏基岩为三叠系水泥上统新都桥组千枚岩夹砂岩。隧道通过处以砂岩夹千枚岩为主，局部夹炭质千枚岩，岩质较软，受区域构造影响，岩体易变形，挤压揉皱发育，节理裂隙发育，岩体破碎，隧道开挖后岩体易产生掉块、坍塌及大变形等。

图5 RQD玫瑰花图绘制流程

3.2 控制测量

控制测量的主要目的是把所构建的近景摄影测量网纳入到给定的物方测量网中，实现二维图像坐标向三维大地坐标的转换。CAE Sirovision岩体表面扫描系统采用空间后方交会方法，利用单模型立体像对和3个控制点就可以求解全部模型点坐标。因而，控制测量的核心内容为3个控制点坐标的测定及合理布设。

针对控制点坐标测量问题，本工程采用徕卡TS09plus全站仪(如图6所示)，以隧道水准测量控制网为基础，通过双盘测回结合3次重复照准的冗余观测方法，进行掌子面控制点大地坐标测量，以保证测点坐标的准确性。

图6 徕卡TS09plus全站仪

就近景摄影测量控制点布设问题，本工程采用四角点布设方式，以红色油漆标记，在满足3个控制点非共线布设要求的基础上增加冗余控制点，如图7所示。以A、B、C3点为基本控制点，解算模型三维大地坐标，以冗余控制点D为基准，采用欧式距离进行解算精度分析。

图7 控制点四角点布设方式

3.3 数字图像采集

CAE Sirovision由摄像系统、云台支架、处理软件3部分组成。在地下工程拍摄过程中，采用尼康D7000数码相机，搭配35 mm定焦镜头作为其摄像部件，采用近正直拍摄方式，总误差较小，避免凹凸岩体的相互遮挡，摄影距离控制在3～15 m。由于摄影距离较远，隧道掌子面小的凹凸对其影响不大，摄影基线长度(左右2次拍摄间隔距离)取为摄影距离的1/7左右，从而保证测量精度。

隧道内施工工序紧凑，同时针对隧道内多尘、昏暗的环境，在获取掌子面图像过程中，选择在对隧道掌子面进行放样操作阶段进行数字图像采集，该阶段隧道内活动人员较少，且经过通风后隧道内灰尘较少，满足摄影要求。利用隧道施工用碘钨灯充分照亮掌子面，提高掌子面位置处亮度，满足图像采集条件。

工程参照CAE Sirovision数码图像采集要求，将目标结构体划分为掌子面(1组)、边墙拱脚(2组)、边墙拱腰(2组)、边墙拱肩(2组)7个拍摄区间，如图8所示。拍摄时要求同组相片的重叠度大于80%，以实现单组三维模型构建，且要求非同组相片有大于20%的重叠，以实现多组三维模型的拼接，同时要求至少有3个控制点坐标，以保证模型的坐标转换。

图8 目标结构体拍摄区域划分

由于篇幅限制，考虑径向RQD系统分析需求，本文以隧道掌子面三维图像为基础，进行隧道径向RQD分析，掌子面原始图像对如图9所示。

(a) 左视图

(b) 右视图

3.4 岩体质量评价

采用配套SIR6.0处理软件进行模型集成，导入控制点A、控制点B、控制点C坐标，进行模型坐标转换，并采用冗余观测点D进行精度检验；其后采用交互式操作方法获取结构面产状信息，以正投影方式导入CAD，并参照径向RQD玫瑰花图构图方法布设虚拟测线，如图10所示。针对系统获取结构面产状信息的精确度验证，运用地质罗盘对结构面进行多次量测，求取均值作为衡量系统获取结构面信息精度的标准。一般来说，地质罗盘法获取结构面产状容许倾向、倾角误差为10°，由系统获取的结构面产状与地质罗盘法测量得到的均值若在容许误差内，即被认为符合精度要求。

图10 掌子面测线布设图

径向RQD的主要目的是实现掌子面岩体结构的空间分析，因而，其阈值确定的主要目的是体现岩体质量的差异性。若采用100 mm作为RQD阈值，由图10可知，岩体各向RQD均为1，无实际意义。为了进行掌子面岩体质量评价，采用阈值极差法取值，且考虑层状岩体中厚层、薄层为锚杆支护主要目标，本文将阈值定义为500 mm，以底板交线中点为基准，以10°为间隔进行岩体质量评价，结果如表2所示。经验证，其最大RQD值为1.000，最小RQD值为0.654，极差为0.346，满足阈值合理化要求。

表2 不同方位RQD计算值(阈值0.5 m)

绘制径向岩体RQD玫瑰花图，如图11所示。可见方位角为10°、40°、50°和100°时，其结构性较强，隧道OB侧结构性明显强于OA侧。就锚杆支护而言，锚固的必要性及有效性与岩体结构性成正相关关系，因而，在进行锚杆支护时应偏重掌子面OB侧，且应特别加强10°、40°、50°和100°处的锚杆密度及支护强度。

图11 隧道径向RQD玫瑰花图

4 结论与体会

本文以CAE Sirovision岩体表面扫描系统为基础，进行了隧道结构面几何信息采集流程及分析方法的研究，主要创新如下。

1)应用CAE Sirovision岩体表面扫描系统进行岩体结构面几何信息的获取，基于全站仪前方交会法，提出控制点的四角点布置方式，实现了物像坐标的转化及精度分析，并进一步总结出岩体结构面几何识别的工作流程及注意事项。

2)针对隧道掌子面结构特征的空间差异性，提出了隧道径向RQD评价体系，建立了径向RQD阈值选取的极差判据，并对隧道径向RQD分析流程进行了详细阐述。

3)针对径向RQD指标众多，难以有效分析的问题，提出隧道径向RQD玫瑰花图，实现了径向RQD可视化分析，为隧道支护设计提供直观参考。

同样的系统在结构面信息提取方式上采用交互式操作方法，在一定程度上影响了其便捷性，需进一步进行研发改进，其具体目标是结构面信息可进行量化导出，实现自动绘制并完成RQD的自动测量。

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Digital Identification of Evaluation of Tunnel Surrounding Rocks Discontinuity

ZHANG Yanhuan, LI Liping, LIU Hongliang, YANG Weimin, SHI Shaoshuai

(Geo & Stru Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China)

The existing information collecting method for tunnel surrounding rock discontinuity can not meet the rapid construction requirements of tunnel. As a result, CAE Sirovision system based on digital photogrammetry is studied; and the basic working principle of the system and the identification method of surrounding rock discontinuity attitude are introduced. In a case study, the total station is adopted for control measuring; Nikon D7000 is used and the model of relationship between images and objects is established based on CAE Sirovision system. The identification and interpretation of digital information of surrounding rock discontinuity can be realized by interactive operation. The rock quality designation (RQD) evaluation system is established. The RQD rose-shaped diagram of surrounding rock discontinuity surface is proposed according to spatial difference of rock structure. The results can provide references for digitalized construction of tunnel.

tunnel surrounding rock; CAE Sirovision; close-range photogrammetry; surrounding rock discontinuity; RQD; rose-shaped diagram

2016-05-19;

2016-07-01

国家自然科学基金面上项目(51479107)； 山东省自然科学基金(ZR2014EEQ002)； 中国博士后面上资助(2015M572039)

张延欢(1991—)，男，山东聊城人， 山东大学建筑与土木工程专业在读硕士，研究方向为隧道及地下工程岩体稳定性及控制方法。E-mail： tylerzyh@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.010

U 455

A

1672-741X(2016)12-1471-07