应用三维激光扫描技术判定围岩稳定性试验研究

蒋雅君，林明才，李 鹏，陶双江，唐富军

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031； 2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院， 成都 610041； 3.四川交通职业技术学院， 成都 611130)

引言

由于隧道工程环境存在不确定性，随机性强，地质情况极其复杂多变，围岩稳定性受众多因素的影响[1-2]。因此，如何及时评价并维护隧道开挖期间的围岩稳定性是隧道建设工作的重点。

近年来，对于围岩稳定性评价的研究成果较多。杨超等[3]通过建立关于围岩变形速度、加速度的综合评价模型，利用宏观位移这一单指标对围岩稳定性进行分析。孙峰、刘镇等[4-5]根据围岩破坏的本质是由于能量聚集过大这一观点，从能微观角度，根据能量变化对围岩稳定性状况进行分析，但能量在实际施工中难以测定；吴波等[6]通过拱顶位移突变及安全系数双重指标对围岩稳定性做出评价，但位移突变的评价并没有量化标准；杨志浩、武亚遵等[7-8]综合围岩位移、应力及塑性区贯通情况对围岩稳定性做出评价，但各个指标的评价准确性不尽相同；薛黎明、穆成林等[9-10]采用云变换、灰色理论等数学分析方法，综合考虑众多工程因素和岩体、地质因素，建立多指标综合的围岩稳定性评价模型。近年来，大量学者通过单指标或多指标综合判定方法，对围岩稳定性做出分析，取得一定成果。但由于应力、应变、能量、塑性区等指标在工程现场较难应用或成本较高，并且基于单点位移监测的围岩稳定性方法存在诸多弊端，因此，文献[11]提出了以隧道断面面积变化判定围岩稳定性的方法。

文献[11]基于隧道断面面积变化指标，初步提出了一种判断隧道围岩稳定性的判别方法，并基于数值模拟分析验证了该方法的可行性。作为该研究工作的延续，依托实际工程，通过现场三维扫描试验对该方法进行现场应用，进一步验证这种方法的工程可行性，为隧道施工监控量测工作提供参考。

1 判定围岩稳定性理论依据

如文献[11]所述，将断面面积变形率看作隧道围岩系统的一个变量x，并以尖点突变模型作为判定围岩稳定性的理论依据，根据判别式Δ分析围岩稳定性。

1.1 尖点突变模型(图1)

尖点突变模型[12-14]的势函数是一个由控制变量参数u、v，状态变量参数x构成的三维状态空间(x，u，v)，势函数可以表示为

V(x)=x4+px2+qx

(1)

其中，平衡曲面方程为

V′(x)=4x3+2px+q

(2)

在二维平面(a，b)上，则可以得到由控制变量p、q构成的分叉点集

Δ=8p3+27q2=0

(3)

图1 平衡曲面空间示意

1.2 围岩稳定性判定原理

将断面面积变形率看作隧道围岩系统的一个变量x，为得到系统尖点突变模型的标准形式，需对变量进行四次多项式拟合[15-16]。

V(x)=a4x4+a3x3+a2x2+a1x+a0

(4)

式中,a0、a1、a2、a3、a4为多项式待定系数；x为随荷载释放系数变化的断面面积值。

对式(4)进行Tschirnhaus变换，将函数转化为尖点突变模型的一般形式[15-16]，则式(4)可表示为

V(y)=b4y4+b2y2+b1y+b0

(5)

2 三维激光扫描应用

为对利用断面面积变形率判定围岩稳定性的方法进行验证，通过三维激光扫描仪获取隧道试验区段断面信息，根据多次监测结果并结合尖点突变模型对围岩稳定性做出评价。

2.1 工程概况

依托某在建隧道为三维扫描数据采集试验场地，隧道全长1 544 m，穿越龙泉山背斜、区域断层和各种次级褶皱、节理裂隙，存在断层、软弱围岩、瓦斯等不良地质和特殊地质。该隧道的衬砌结构形式及参数见图2。

图2 试验区段隧道衬砌设计

2.2 三维激光扫描测量试验2.2.1 试验设备

本试验主要采用FARO三维激光扫描仪及拓普康全站仪作为数据采集设备，其主要参数如表1所示。

表1 全站仪、扫描仪主要参数

2.2.2 试验方案

(1)试验区段选择

试验段选取在里程桩号为K6+815.876～K6+978.009圆曲线段内，曲线半径为255 m(图3)。洞口段位于K6+944.002～K6+978.009，洞口段埋深较浅，约为25 m。该段围岩等级为Ⅴ级围岩，主要是泥岩和砂岩。试验段围岩条件差，埋深浅，且位于圆曲线段内，使得隧道受力情况复杂。该试验段采用上下台阶分部开挖方式。

图3 隧道试验段平面曲线

(2)测站布置

首先由洞外控制点向洞内引入，在试验段布设控制点，以便获得洞内测点相关坐标信息(图4)。根据三维激光扫描仪测量原理及TMS OFFICE软件切片规则，为使多次测量的断面为同一里程断面，需保证每次三维扫描仪测站的位置在一个隧道里程断面上。根据文献[17-18]可知，隧道内每一测站所扫描的有效数据，仅为测站前后10 m范围内区段的点云数据。因此为获取K6+969～K6+979的点云数据，需将测站布置在K6+969里程断面上。

图4 全站仪确定测站点位

(3)断面布置

本研究中期望将三维扫描的监测数据与传统监测方法监测的数据进行对比研究。结合三维扫描数据处理方法及现场施工条件，在K6+969～K6+977区间内，每隔4 m设置1组断面监测点(图5)，用于监测特征点位移。

图5 隧道断面监测点布置示意

2.2.3 三维激光扫描操作步骤

首先将三维激光扫描仪布置在预先设置好的测点上，并进行对中整平。在保持通视条件的要求下，布置全站仪和定位靶标。在扫描时面向大里程方向确定左右，将定向靶标设置在全站仪和三维扫描仪中间偏右一侧，距离三维扫描仪5～10 m，扫描仪在全站仪后，定位标靶和三维扫描仪基座上的棱镜均朝向全站仪。三维扫描仪的操作屏幕应位于进入隧道前进方向左手边[19-20]。仪器布置见图6。协调现场人员和设备，在扫描范围内减少人员活动和车辆出入，避免不必要的干扰，以增加扫描点云的精度。

图6 全站仪、定位标靶、三维扫描仪布置位置

在架设好仪器后，利用全站仪快速测量并记录三维扫描基座上的棱镜和定位靶标在隧道整体坐标系下的三维坐标，并设置好扫描参数，使得三维扫描仪正确开始扫描，待扫描完成后，初步检查扫描结果并保存扫描数据。

3 结果分析与讨论

3.1 K6+969断面面积变化率分析

利用FARO FOUCUS 3D激光扫描仪专用配套软件TMS OFFICE，对扫描数据进行处理。通过原始扫描数据及工程参数进行导入、扫描点云定位、点云过滤及切片处理、提取研究断面数据报告等操作[20-22]，获取多次扫描测量的断面信息，见图7、图8。

图7 未处理断面点云

图8 过滤后断面点云

提取K6+969里程断面测量数据分析，不同时间段的断面测量结果见图9～图12。

图9 day 0测量结果

图10 day 1测量结果

图11 day 6测量结果

图12 day 11测量结果

仅考虑基线上方理论断面面积作为参照，从K6+969处断面变形率情况看，监测断面在拱顶、拱肩部位变形较大，拱脚部位变形略小。说明在浅埋状态下，荷载来源主要为上覆土的自重应力，且隧道变形主要以沉降为主。隧道面积随着时间的推移不断缩小，由72.691 m2收敛到72.018 m2，面积缩小了0.673 m2，面积变化率为0.93%。

通过提取报告中断面面积数据，计算面积变形率，结果见图13。

图13 K6+969断面扫描结果

变量断面面积变形率x的四次多项式拟合结果为

V(x)=-7.286×10-5x4+3.09×10-3x3-

0.046 1x2+0.315x-0.008 56

(6)

拟合曲线的R2>0.99，拟合精度高。经计算p=-41.72，q=-443.74，Δ=4.7×106>0，因此判定围岩处于稳定状态。

3.2 K6+969断面特征点位移分析

利用水准仪测量拱顶位移，收敛仪测量拱腰及拱脚收敛，监测数据曲线见图14。由于开挖方式为上下台阶法，则收敛仪测量拱腰收敛数据截止到上台阶开挖完成，拱脚收敛数据由下台阶开挖时开始统计。

图14 K6+969断面监控量测位移数据

根据测量数据分析，拱顶下沉相对变化、拱腰收敛相对变化及拱脚收敛相对变化分别为0.09%，0.07%，0.08%。参照《铁路隧道监控量测技术规程》[23]监控量测控制基准，可判定围岩及隧道结构处于稳定状态。

3.3 三维激光扫描与监控量测对比分析

根据导出的断面报告数据可得K6+969断面所有扫描点云的三维坐标，其中以高程最高点作为拱顶沉降点，以相对轴X距离最大和最小两点为周边收敛监测点，两点间距离根据两点三维坐标及两点距离公式可得。将三维扫描所得数据与监控量测测得特征点位移数据相比较。通过计算多次测量的数据,得出拱顶沉降和拱脚收敛数据如图15所示。由于监控测量中的特征点与三维激光扫描测量的特征点无法准确对应，且此对比分析只能做定性规律比较。

图15 K6+969断面三维扫描位移数据

从图14、图15可以看出,两种监测方法测量位移数据都呈现出逐渐收敛的趋势，均反映了隧道开挖过程中围岩变形的客观规律。在最终收敛数值的数量级上相同，且数据较为接近。

由于三维扫描数据报告位移仅精确到毫米，其测量精度略低于常规监控量测方法。但三维激光扫描测量所选取的特征点位移更为明显，有利于及时准确地反映围岩的状态信息。并且三维扫描测量能够记录断面的大量点的坐标数据，能反映隧道断面整体的变形及受力情况，便于指导施工采取更有效的针对措施。随着设备精度的提高及相关处理软件的优化，三维扫描测量将能更好地发挥其测量优势。

4 结语

以突变理论为依据，研究了根据断面面积变形率判定围岩稳定性的方法，结合三维激光扫描仪对在建隧道断面面积进行测量，分析了试验区段的围岩稳定性，并得到以下结论。

(1)根据突变理论，提出以断面变形率指标判定围岩稳定性是可行的。

(2)针对断面面积变形率指标，利用三维激光扫描仪对在建隧道进行断面面积测量，验证了根据断面面积变形率判定围岩稳定性具有工程可行性。

(3)通过对比分析三维扫描及全站仪测量的变形数据，验证了三维扫描仪用于工程测量的可靠性，为隧道监控量测提供了新的手段。

致谢

本文所开展的相关研究工作得到了四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院刘会钢，四川交通职业技术学院涂鹏、熊伟等人的支持和协助，在此一并表示感谢。