基于激光测距的隧道断面收敛监测设备与断面重构方法

戴子枢;顾沉颖;段创峰;施永泉;吴惠明

【摘 要】介绍了自主研发的一体化激光隧道断面收敛仪,其原理基于激光测距对隧道断面上多个测点进行自动化监测,继而提出了一种基于测距数据的隧道断面形状重构算法,使用圆弧方程对隧道断面进行分段插值.结合盾构法越江隧道收敛监测工程实例,证明了该监测设备及断面形状重构算法的可行性与适用性. 【期刊名称】《建筑施工》 【年(卷),期】2016(038)006 【总页数】4页(P793-796)

【关键词】盾构法隧道;收敛监测;激光测距;形状重构 【作 者】戴子枢;顾沉颖;段创峰;施永泉;吴惠明

【作者单位】上海市地下空间设计研究总院有限公司 上海 200020;上海市地下空间设计研究总院有限公司 上海 200020;上海市地下空间设计研究总院有限公司 上海 200020;上海上隧实业有限公司 上海 200032;上海隧道工程有限公司 上海 200082

【正文语种】中 文 【中图分类】TU96

1 研究背景

上海目前已建成13条大断面越江隧道和14条轨道交通线，随着运营年限的增长，

隧道的安全性和适用性都出现了不同程度的下降，结构老化、渗漏等病害高发，影响了城市交通系统的正常运转[1-2]。如何对既有隧道实施有效的监测与维护，从而延长其健康服役的周期，已经成为一个亟待解决的问题。

断面收敛是评价隧道结构健康状态最为重要的特征，它直接反映了隧道衬砌结构与周围土体协调变形的状态，不仅受到外部荷载与围岩状态变化的影响，还与衬砌结构自身材料与结构性能演变息息相关。然而，目前隧道的长期监测手段十分有限，日常的过江隧道断面一般使用全站仪测量，监测频率极低（一年几次），人工消耗大，且测量往往仅能得到隧道的横径与纵径收敛值，无法重复反映隧道断面的收敛变形情况。钢索式收敛计[3]、巴塞特收敛系统[4]等传统的断面收敛变形监测技术会影响隧道通行，不适合运营期隧道的长期监测。

近年来，越来越多的学者借助激光扫描技术测量隧道断面。邱冬炜等[5]使用测量机器人监测北京地铁隧道结构整体变形。FARO与Leica等厂商更研发出了能够进行3D点云扫描的测量设备，并将之应用于生成隧道横断面、柱状图及三维模型。谢雄耀等[6]将地面三维激光扫描技术应用于隧道全断面变形的测量，然而三维点云扫描设备价格昂贵，暂时不适于隧道的长期自动化监测。通过激光测距设备获得断面测量的原始数据后，尚须一套隧道横断面的重构算法对获得的原始数据进行分析，从而获得横断面形状的特征值，比如横纵径、椭圆率、形状曲率等，以便对结构的健康状态进行进一步的分析。Delaloye[7]通过使用椭圆拟合RADAR激光传感器的测量数据重构隧道断面形状；简骁和童鹏[8]提出一种基于Hermite多项式的点云重构方法，用于监测矩形隧道顶部沉降。古川[9]提出一种通过遗传算法拟合空间柱面形状参数的断面形状拟合方法。

介绍一种自主研发的一体化激光断面收敛仪以及相应的隧道断面重构算法，以某越江盾构隧道的监测数据为例，验证了该设备与相应重构算法用于盾构隧道断面收敛监测的可行性。

2 一体化隧道断面收敛仪简介

一体化隧道断面收敛仪是自动化监测设备，它将多组激光测距模块与采集通信系统集成在一个设备机体中（图1）。 激光测距模块可根据断面监测需要，以一定的角度排布并固定在设备机体上，测量轴线汇聚于一点，作为测点的参考原点。将该收敛仪通过螺栓或紧固件安装在隧道顶部（图2），激光测距模块通过设备机体上的透镜射出调制激光，利用反射相位差测量参考原点与隧道内壁反射点之间的距离。在获得全部激光测距模块的测量数据后，由采集通信系统汇总数据，并通过ZigBee、LAN、GPRS等多种通信模式将监测数据传输至远程上位机。 图1 一体化隧道断面收敛仪结构示意 图2 一体化隧道断面收敛仪 测量原理

采用上述设计的一体化隧道断面收敛仪的设计方案相比传统的断面收敛监测方式具有以下优点。

1）继承了激光式测距仪在距离测量中的优点，性价比高、精度高、稳定性高，且无需在隧道内另行布置棱镜或靶标；

2）包含多个激光测距模块，可以实现多个测点的同步测量，通过采集通信模块，实现了隧道断面收敛的自动化测量与数据传输，避免了人工现场操作；

3）激光测距模块可以根据实际需求灵活布置，适用于各种形状的隧道，通用性强； 4）一体化隧道断面收敛仪体积小、质量轻、安装快捷，适用于施工期与运营期隧道断面的长期监测。

3 基于激光测距数据的隧道断面重构算法

现有的诸多断面重构算法[7-9]，通常假设隧道横断面在外力荷载作用下呈现“横鸭蛋”的形状，因此采用椭圆或者椭圆柱面拟合测量数据，获得断面形状的特征值。然而，这些算法往往忽略了隧道自身轴线走向与几何形状的影响，隧道的断面变形往往是非轴对称的，在这些工况下，继续使用椭圆或椭圆柱面拟合测量数据，将会

丢失隧道断面收敛变形最为重要的结果。

提出一种基于分段圆函数的断面重构差值算法，可以通过对原始数据的分段差值平均，得到一条连续平滑的断面形状函数，从而进一步得到隧道横断面形状的特征值。 如图3所示，以激光测距模块轴线的交汇点作为坐标系原点O，假定该点为不动点，全自动激光断面收敛仪的水平轴线AB在测量平面内与x轴的夹角为α，装置包含n个激光测距模块，第i个激光测距模块的测量轴线与水平轴线的夹角为βi，则第i个激光测距模块的测量轴线与x轴的夹角θi可由式（1）计算得出。

第i个激光测距模块测量到的距离值为Li，则该激光测点Mi的坐标值由式（2）得出。

图3 激光测点角度换算

取第i-1、i、i+1测点的坐标（xi-1，yi-1）、（xi，yi）、（xi+1，yi+1）为第i个测点组，通过式（3）求得通过这3个测点坐标的圆弧的圆心（xr，yr）。

计算得到圆心后，可得到过第i个测点组的圆弧方程fi（x，y）。

其中，xi-1≤x≤xi+1，yi-1≤y≤yi+1。 由此依次计算得到所有测点组的圆弧方程。

测点i至测点i+1之间的断面形状方程为Fi（x，y），该断面形状方程为第i个测点组与第i+1个测点组的圆弧方程在测点i至测点i+1之间的平均，即如公式（5）所示。 也即：

其中，xi-1≤x≤xi+1，yi-1≤y≤yi+1。

该断面形状重构算法不预先假设对断面形状类型，仅基于一体化隧道断面收敛仪的测量结果进行插值，能够真实地还原隧道原始形状。 4 工程实例

以上海某越江隧道断面收敛监测工程实例来说明一体化隧道断面收敛仪以及隧道断面形状重构算法的有效性。

该隧道采用大直径泥水平衡盾构掘进施工，隧道外径11 m，内径10.04 m，环宽1.5 m，使用超薄混凝土管片，错缝拼装，盾构区间总长1 253 m。每环由封顶块（1块）、邻接块（2块）及标准块（6块）共9块管片构成。隧道江中段平均高潮位3.12 m，平均低潮位1.29 m，上覆有④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色黏土、⑤2灰色粉质黏土、⑥暗绿色黏土，穿越⑦1草黄色砂质粉土和⑦2灰色粉细砂。 图4显示是该越江隧道附近水文测站的潮汐高度实测数据。从2016年2月1日至2016年2月10日的10个监测日内，潮汐每日发生2次涨潮与落潮。每日的高潮位分别出现在0：00与14：00，每日的低潮为分别出现在9：00与21：00。高潮位在3～3.5 m，低潮位在1～1.5 m。 图4 黄浦江某测站潮汐水位实测数据

工程在隧道江中段最深点安装1台一体化隧道断面收敛仪，该收敛仪安装于隧道拱顶正中位置，因此α=90°，该收敛仪集成了7组激光测距模块，激光测距模块测量轴线相对于收敛仪水平轴线夹角分别为β1=15°；β2=45°；β3=60°；β4=90°；β5=120°；β6=135°；β7=165°，测量轴线交汇点距离防火板距离为30 mm。在本工程的监测中，仪器采样频率为15 min一次。

图5为测点1、2、3在监测时间段内的测值时程曲线，图中还对测点值使用移动平均法进行光滑，从平滑处理后的曲线可看到，1、2、3点的测值随时间发生周

期性波动。

图5 测点1、2、3的测值变化

将断面重构算法对测值进行分析，并获得隧道断面的形状。如图6所示，为断面重构算法对2016年2月6日0：00的测量数据进行分析后重构的隧道断面形状。由于隧道断面收敛的量级相对隧道的整体直径非常小，因此图6中还将半径收敛值乘上了一个25倍的变形系数。由图中可以看到，该横断面的收敛变形整体呈现“横鸭蛋”的形式，但横断面的收敛变形并不左右对称，“横鸭蛋”向右侧倾斜且左侧收敛变形较小，右侧较大。 图6 隧道形状重构

对监测时间段内的所有数据使用断面重构算法进行分析，并计算得到横纵径比值。如图7所示，越江隧道横断面的横纵径比值随着时间发生周期性变化，变化周期为1 d。横纵径比值的最大值出现在8：00，最小值出现在15：00。 图7 隧道横纵径比变化规律

将潮汐水位测值与隧道横纵径比测值进行对比，可以发现，尽管二者均以1 d为周期发生变化，但隧道横断面收敛情况并不严格随着潮汐水位波动而发生变化，因此可以推断潮汐水位并不是短期内影响隧道横断面收敛的唯一因素，可能还与隧道周边土体的渗透性有关。 5 结语

为获取运营期隧道的结构健康状态，长期高频率地监测隧道横断面的变形情况与变化规律，介绍了一种基于激光测距的一体化隧道断面收敛仪，并进一步提出了一种基于多段圆弧差值的隧道断面形状重构算法，说明了该差值算法的计算要点与步骤。将一体化隧道断面收敛仪与相应的隧道断面形状重构算法应用于某越江大断面隧道的监测中，验证了该仪器与分析方法的可行性与实用性，并初步分析了潮汐水位与隧道断面收敛之间的关联性。

〖参考文献〗

【相关文献】

[1]吴伟军.打浦路隧道改建工程中的防水堵漏施工技术[J].中国市政工程,2010(S1):62-63. [2]叶耀东,朱合华,王如路.软土地铁运营隧道病害现状及成因分析[J].地下空间与工程学报,2007(1):157-160.

[3]李玉宝,沈志敏,苏明,等.地铁盾构隧道收敛和沉降监测数据处理与分析[J].东南大学学报(自然科学版),2013(A2):296-301.

[4]BASSETT R H, KIMMANCE J P, RASMUSSEN C. An automated electrolevel deformation monitoring system for tunnels[J].Proceedings of the ICE-Geotechnical Engineering,1999(3):117-125.

[5]邱冬炜,梁青槐,杨松林.北京地铁隧道结构整体变形监测的研究[J].测绘科学,2008(S1):页码不详. [6]谢雄耀,卢晓智,田海洋,等.基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J].岩石力学与工程学报,2013(11): 2214-2224.

[7]DELALOYE D.Development of a new methodology for measuring deformation in tunnels and shafts with terrestrial laser scanning (lidar)using elliptical fitting algorithms[M].Queen's University,2012.

[8]简骁,童鹏.基于地面激光雷达技术的隧道变形监测方法研究[J].铁道勘察,2011(6):19-22. [9]谷川.GA柱面拟合法在隧道断面收敛监测中的应用[J].大地测量与地球动力学,2010(2):58-62.