基于三维激光扫描技术的隧道预留变形量优化研究

赵海霖， 仇文革, *， 戚幸鑫， 万世付， 段东亚， 程云建

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031； 2. 西南石油大学土木工程与测绘学院， 四川 成都 610500)

0 引言

新奥法是目前国内外隧道工程中普遍采用的施工方法，预留变形量则是新奥法中的一个重要理念。预留变形量是设置在初期支护结构与二次衬砌结构之间，供隧道围岩与初期支护变形而预留的空间尺寸。合理确定预留变形量可避免围岩侵限情况的发生，且能保证围岩充分变形，减小围岩压力。但为了避免侵限情况的发生，预留变形量的取值往往比较保守，易造成隧道超挖、出渣量增加、二次衬砌厚度增大等，进而增加了施工成本。因此，合理确定预留变形量对于保证隧道施工质量和节约工程投资具有重要的意义。

目前，隧道设计时预留变形量范围的确定通常采用2种方法： 1)一是以地勘资料和设计情况进行估算，借鉴表1； 2)采用工程类比法，借鉴已经建成的工程初步确定预留变形量[1]，再根据监控量测结果进行调整。孙国凯等[2]以大理海东某软弱围岩隧道为研究背景，通过现场监控量测数据和质量保证率对隧道预留变形量进行了综合分析评价。金美海等[3]采用现场数据回归分析和ANSYS数值模拟验证的方法，对偏压黄土隧道进行了研究，提出了不同偏压黄土隧道预留变形量的建议值。刘庆丰等[4]对玉楚高速14个隧道共471个断面进行了监测，以区间统计法统计了不同围岩级别、不同埋深下的隧道预留变形量，并对预留变形量提出了建议值。杜鹏毅等[5]依托蒙华铁路崤山隧道，依据变位分配控制原理，研究软岩隧道台阶法开挖各工序对变形的影响程度，并以此作为依据动态调整预留变形量。赖金星等[6]在大有山黄土隧道开展了现场试验研究，以指数函数方法预测了隧道最终变形，并分别给出了拱顶和边墙的预留变形量。还有研究者通过大量现场实践发现，初期支护结构并不是全环均匀变形[7-9]，若按照传统的采用最大累计变形量来设置统一的拱墙预留变形量的方法施工，必将造成出土量和二次衬砌回填量增加，施工成本随之增加。

表1 预留变形量

以上对于预留变形量的研究依赖于现场监控量测数据的统计和分析。监控量测主要以全站仪等非接触式观测技术为主，具有易受外界条件影响、对光照要求高、耗时长的特点，且得到的仅仅是基于监测点的变化情况，很难得到隧道断面的整体变化情况。采用以点代面的断面测量方法来优化调整预留变形量是不完善的，甚至是有风险的。原因在于，隧道开挖和初期支护喷射混凝土的表面特征是随机的，波动较大，凹凸不平且表面粗糙。掌握准确全面的隧道结构变形规律是优化调整隧道预留变形量的前提。鉴于此，本文以吉林敦白客专新安1号隧道工程为例，利用三维激光扫描仪进行隧道全断面监测和统计分析，进而优化隧道预留变形量的取值，取得的结果可为预留变形量的设置提供参考。

1 基于三维激光扫描的预留变形量优化方法

三维激光扫描技术具有"实景复制技术"的美誉，区别于传统的单点测量方法，全数字特征直接获取三维坐标，采集更多的物体空间信息；精度高，避免表面误差；扫描距离长、范围大，对光照没有特殊要求；可快速高效地获取扫描数据，可实现对隧道工程的三维变形监测、侵限分析、二次衬砌厚度评估等，近年来广泛应用于隧道变形监测及质量检测中[10-15]。隧道施工三维点云数据如图1所示。

图1 隧道施工三维点云数据

在隧道施工中，施作初期支护喷射混凝土后，立即对该里程区间初期支护进行第1次三维激光扫描，并将扫描的实测断面和设计断面套合对比。在同一里程区间初期支护完成20 d后，此时初期支护变形几近稳定，对该区间进行第2次三维激光扫描。通过同一里程区间2次三维激光扫描的实测轮廓和设计轮廓对比，两者变形的差值即为初期支护累计变形量。将初期支护累计变形量与设计预留变形量进行对比，若变形超过所设定的控制标准，则采取相应的措施，控制初期支护变形，并动态调整下一循环预留变形量的设计；若安全余量过大，则可对预留变形量进行优化设计，减少施工成本，实现信息化施工。预留变形量控制流程如图2所示。其中，三维激光扫描数据采集流程如图3所示。

图2 预留变形量控制流程图

图3 三维激光扫描数据采集流程

三维激光扫描得到的原始点云数据集P由几何信息(X、Y、Z值)和物理信息(强度值)2个部分组成。隧道表面的数字展开可以基于可展表面，但整个弯曲的隧道没有可展面，借鉴文献[16]提出的隧道表面重塑展开方法，得到弯曲隧道表面展开重塑示意如图4所示。采用某公司研发的PCAS软件对三维激光扫描原始数据进行处理，并进行设计数据和实测数据的套合对比，再通过文献[16]提出的隧道表面重塑展开方法，扩展到基于三维模型的整体评价，结果如图5所示。

X轴为隧道环向展开； Y轴为里程; Z轴为扫描得到的实际轮廓到设计轮廓的累计变形量。下同。

(a) 扫描点云套合设计断面 (b) 重塑展开三维图 (c) 二维展开图

采用三维激光扫描仪对隧道断面进行全断面监测，做到对隧道断面初期支护变形的整体分析，总结其变形规律，进而对隧道预留变形量的取值进行优化。将此方法运用于吉林新安1号隧道，针对性地提出了预留变形量从拱顶到拱脚阶梯状设置的优化措施。

2 工程应用

2.1 初期支护累计变形量分析

将三维激光扫描所得的初期支护断面和设计初期支护断面进行对比。若三维激光扫描得到的初期支护断面轮廓小于设计初期支护断面轮廓，则表示初期支护侵限。通过设计轮廓线上某点作法线，得到法线与扫描轮廓线的交点，则两点间的距离即为净空值。图6(a)示出里程DK86+320断面处上台阶初期支护完成2 h内进行三维激光扫描得到的隧道初期支护净空数据，红色轮廓线为扫描得到的初期支护断面，绿色轮廓线为设计初期支护断面。图6(b)示出里程DK86+320断面处上台阶初期支护完成20 d后进行三维激光扫描得到的隧道初期支护净空数据。提取同一里程断面前后2次扫描轮廓线进行套合对比，所得差值即为累计变形量。DK86+320断面处变形量如图7所示。

(a) 第1次三维激光扫描

(b) 第2次三维激光扫描

图7 DK86+320断面处变形量

由图7可知： 1)DK86+320断面处最大累计变形量为7.1 cm，位于拱顶附近，最小累计变形量为0.1 cm。2)DK86+320断面处累计变形量从拱顶到拱脚整体呈现出由大到小渐变的规律，即拱顶位置附近变形量最大，拱脚位置附近变形量最小。

整理里程DK86+320～+325断面处三维激光扫描所得的累计变形量，结果如图8所示。其中，纵坐标为累计变形量。在该里程区间，最大累计变形量均在7 cm左右，且最大累计变形量均发生在拱顶附近，最小累计变形量发生在拱腰或拱脚附近。整个区间累计变形量从拱顶到拱脚呈现出由大到小的规律。设计资料显示，为保证二次衬砌净空，隧道预留变形量为15 cm。根据三维激光扫描结果可知，在DK86+320～+325试验段，最大变形量小于7.5 cm，小于设计预留变形量15 cm。按原预留变形量施工则大大增加了出土量和回填量，提高了工程造价。

(a) 三维图

(b) 二维展开图

2.2 预留变形量优化

根据三维激光扫描的数据分析可知，设计预留变形量15 cm安全余量过大，还有优化空间。在优化预留变形量时，可以参考一定质量保证率条件下的范围值，从而使确定的预留变形量更符合工程实际。由2.1节的分析可知，断面累计变形量从拱顶到拱脚整体上呈现出由大到小的规律，结合工程实际，针对该隧道试验区间提出阶梯状设置预留变形量的想法。结合图7可知，最大累计变形量在拱顶附近。因此，拱顶附近±30°范围内统一设置预留变形量，其余区段统一设置预留变形量。上台阶断面预留变形量设置区域划分如图9所示。

基于该隧道三维激光扫描数据选取隧道进口段60 m范围内(即里程DK86+280～+340)的数据作为分析来源，在此60 m长度内，每0.5 m提取1次数据进行分析，总共120组累计变形量数据。在一定质量保证率下取隧道上台阶各区域内最大累计变形量作为该区域预留变形量的取值。根据统计结果绘制上台阶各区域最大累计变形量分布柱状图，结果如图10所示。由图10可以看出，各区域的变形量近似呈正态分布，且数据相对集中。

图9 上台阶断面预留变形量设置区域划分

(a) 拱顶区域

(b) 左侧区域

(c) 右侧区域

由图10可知： 1)拱顶区域最大变形量为70～75 mm，落入区间70～75 mm内的数目占比小于5%，是分布概率最小的区间；落入区间55～65 mm内的数目占比为45%，55～65 mm是分布概率最大的区间。2)在左侧区域，变形量落入区间30～50 mm内的数目占比为76%，是分布概率最大的区间。3)在右侧区域，变形量落入区间30～50 mm内的数目占比为78%，是分布概率最大的区间。

隧道初期支护变形量在不同区域、不同分布区间遵循一定的规律，且分布相对集中，因此，采用在一定质量保证率的条件下确定预留变形量的取值是合理、可行的。依据三维激光扫描数据，在各区域通过统计分析绘制出不同预留变形量条件下相对质量保证率参考值的散点图，结果见图11。

(a) 左侧区域最大变形量散点图

(b) 拱顶区域最大变形量散点图

(c) 右侧区域最大变形量散点图

由图11可知： 1)在左侧区域预留变形量为5、4.5、4 cm时，质量保证率分别为97%、86%、54%； 2)在拱顶区域预留变形量为7、6.5、6 cm时，质量保证率分别为98%、92%、71%； 3)在右侧区域预留变形量为5、4.5、4 cm时，质量保证率分别为100%、87%、55%。考虑到该区间围岩较为破碎、开挖易产生掉块等情况，在不改变隧道初期支护净空断面等设计原则的基础上，可以将初期支护断面(上台阶)拱顶区域预留变形量设置为7 cm，两侧区域预留变形量设置为5 cm。预留变形量优化示意如图12所示。隧道原设计断面如图13(a)所示，优化后的断面如图13(b)所示。

图12 预留变形量优化示意图

(a) 原设计断面

(b) 优化后的断面

将优化后的预留变形量应用于区间DK86+320～+325的累计变形量三维激光扫描数据三维图中，结果如图14所示。图14中，平行于XOY平面的黄色平面为拱顶区域7 cm预留变形量叠加累计变形量三维图，黄色平面上超出部分标记为红色，为累计变形量大于7 cm的位置；平行于XOY平面的蓝色平面为其余区域5 cm预留变形量叠加累计变形量三维图，蓝色平面上超出部分标记为黄色，为累计变形量大于5 cm的位置。由图14可以看出，累计预留变形量在整个区间内几乎都是处于优化后的预留变形量包络范围之内。

(a) 三维图

(b) 二维展开图

2.3 精度复核

对监控量测得到的拱顶沉降进行精度复核。施工现场使用LeicaTPS200全站仪进行监控量测，得到如图15所示的拱顶沉降-时间特征曲线。每隔5 m在隧道断面设置1处反光片，并选取DK86+320和DK86+325断面的拱顶沉降数据进行复核。

(a) DK86+320断面

(b) DK86+325断面

由图15可知： DK86+320和DK86+325断面拱顶沉降随着时间的推移而逐渐收敛，拱顶的最终沉降量分别为53.84 mm和63.21 mm。

在三维激光扫描所得的数据中，进行拱顶累计沉降量的分析。三维激光扫描所得的拱顶累计变形量如图16所示。

(a) DK86+320断面

(b) DK86+325断面

由图16可知，在DK86+320断面处拱顶累计变形量为52.62 mm，在DK86+325断面处为65.12 mm。对比图15和图16可知，全站仪和三维激光扫描仪2种方法测量的结果吻合得非常好，拱顶部位的累计沉降量误差皆在2 mm以内。拱顶沉降对比如表2所示。

表2 拱顶沉降对比

3 结论与展望

本文通过三维激光技术基于全断面整体分析了吉林新安1号隧道试验段上台阶初期支护的累计变形量，根据分析结果对试验段预留变形量进行了优化，主要结论如下。

1)新安1号隧道试验段区间累计变形量从拱顶到拱脚呈现出由大到小的变化规律，最大变形主要发生在拱顶区域，最大变形量小于7.5 cm，小于设计预留变形量15 cm，具有优化空间。

2)通过对新安1号隧道三维激光扫描数据的统计分析，并对不同预留变形量条件下相应的质量保证率进行研究可知，在拱顶区域预留变形量为7 cm时质量保证率为98%；在左侧区域预留变形量为5 cm时质量保证率为100%；在右侧区域预留变形量为5 cm时质量保证率为97%。因此，对全环均匀设置预留变形量的方法进行优化，采用了阶梯状设置预留变形量的方法，即拱顶区域预留变形量设置为7 cm，其余区域预留变形量设置为5 cm。

3)在隧道工程施工中，围岩复杂多变，但其变化具有一定的连续性，掌握准确全面的隧道结构变形规律，是精准优化调整隧道预留变形量的前提。通过三维激光扫描技术对已开挖段进行整体监测、分析，动态优化调整各部位的预留变形量。

本文所提出的结合三维激光扫描技术优化预留变形量的方法，应针对不同隧道的变形规律针对性地进行优化或者无需优化。同时，需要开发一种自动化的算法，将自动生成的初期支护净空数据进行对比，提取出初期支护累计变形量并自动判定预留变形量优化的空间，丰富隧道信息化施工。