隧道围岩与结构全息扫描系统的研究及应用

郭世荣

(中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040)

1 引 言

隧道工程受工程施工环境及工法等因素影响，易导致隧道结构的超欠挖，导致实际与设计结构之间的差异。而因超挖及欠挖所造成结构变异的部位可能会引发一定程度的应力集中，对围岩的强度及稳定性产生较大的影响，甚至可能引起岩爆。因此，在隧道施工中，及时和全面的掌握实际超欠挖情况，对评估围岩稳定、优化支护参数、确定材料用量等都有十分重要的作用。对于实际开挖后隧道超欠挖情况，目前主要采用人工尺量、隧道断面仪测量等方法，不足之处在于：测量速度慢，并且作业需要在没有支护的裸露围岩下方进行，存在较大安全风险，因而只能检测少数断面的少数测点，不能全面掌握开挖轮廓的超欠挖情况。

为了全面掌握隧道围岩和结构状况，目前国内外有采用高性能摄像系统进行三维扫描的报道。美国学者Marc Levoy及其团队提出采用扫描仪与彩色照片相结合的建模技术，初步实现了对象信息采集并建立与实物相同的三维模型等相关技术。国内仇文革、许磊等人获取了隧道整体激光点云，实现了超挖及欠挖部位的自动化检测。这类设备通过车载或在隧道架设仪器的方法对开挖轮廓或隧道结构表面进行扫描，由于距离开挖轮廓面和隧道结构表面距离远，因此对仪器设备的定位和扫描性能要求极高，设备十分昂贵，易损坏，对工作环境的温湿度和能见度要求很高。

针对以上问题，本文将研发一种隧道围岩与支护结构实用扫描系统，提供一套施工阶段隧道围岩与结构扫描解决方案，精准高效获取隧道施工地质条件与开挖轮廓信息。

2 隧道围岩与结构双轨扫描系统的结构设计

2.1 系统总体方案

该系统由施工现场的围岩与支护结构双轨扫描系统与外部的信息接收处理系统两部分组成。

(1)隧道内部系统(双轨扫描系统)

在隧道初期支护两侧各埋设纵向滑轨，在纵向滑轨上安装环向滑轨，在环向滑轨上搭载扫描设备(包括摄像、测距和测温等设备)，通过环向滑轨及其搭载的扫描设备在纵向滑轨上沿隧道纵向移动，以及扫描设备在环向滑轨上环向移动，实现对隧道围岩和结构表面的全面扫描。通过扫描，收集隧道结构缺陷、隧道超欠挖程度及隧道内温度等信息。由双轨所收集的包括图片、数据、温度等信息经由隧道内部通讯系统(户外大功率无线AP端及有线网络路由器信号中继站)与隧道外部通信系统连接，实现在隧道外部对隧道施工现场信息的收集、整理与分析。

(2)隧道外部系统(信息接收处理系统)

由一台路由器及一台服务器两部分构成，经由隧道内部通讯模块传输回来的各种工程信息由路由器接收，传送回服务器，所有信息便可以在服务器中获取并进行分类处理。总体方案见图1。

图1 系统总体解决方案框图

2.2 系统实施方式

(1)系统运行方式

在环向滑轨和纵向滑轨之间、扫描组件的支架和环向滑轨之间分别设置驱动滑移的行走系统。使得环向滑轨在行走系统的驱动下可以在纵向滑轨上沿隧道纵向前后移动，而扫描组件在行走系统的驱动下可以在环向滑轨上沿隧道环向移动。

(2)初期支护结构扫描方式

两条纵向滑轨分别被安装在初期支护结构上，安装在纵向滑轨上的环向滑轨在已施作初期支护结构范围内纵向前后移动，扫描系统则沿环向滑轨上环向移动，即可全面覆盖整个初期支护的表面。

(3)围岩结构扫描方式

环向滑轨在向前(隧道开挖前进方向)滑移至新开挖裸露的围岩的范围内，需要伸出纵向滑轨所在的初期支护范围，此时扫描组件通过伸出支架安装在环向滑轨上，该伸出支架沿纵向滑轨布置，伸出支架一端通过行走系统与环向滑轨滑动装配，另一端向前伸出并且固定扫描组件，当环向滑轨沿纵向滑轨纵向滑移至初期支护的前端边缘时，将扫描组件在隧道的纵向开挖方向伸出环向滑轨，直接对开挖的围岩进行扫描，再通过环向移动和微调的纵向移动，即可全面覆盖扫描整个开挖的围岩表面。

2.3 系统模型研制

根据扫描系统需求，分两个阶段设计并制造了双轨扫描系统模型。

(1)第一阶段轨道模型

采用两段铝合金管材，制作环向轨道系统初步模型。纵向及环向滑轨则由齿轮与锯齿轨道的连接，实现扫描系统的纵向、环向移动。本次模型是完全根据实际使用尺寸制造，拼接完成。通过现场测试，发现存在一定变形和结构不稳定的问题。

(2)第二阶段轨道模型

考虑第一阶段结构尺寸及构造影响了轨道的稳定度，第二阶段制作完成室内试验模型。扫描系统的环向结构的所有部件均采用塑钢，塑钢的主要成分是PVC-U材料。

环向轨道外部结构采用滑轮凹槽与环向轨道凸起处嵌合，内部结构则由齿轮与轨道齿轮嵌合。上部结构的连接运行方式将有效避免因隧道内部坠落的颗粒物嵌入轨道，阻碍扫描组件的正常运行；下部的连接运行方式与步进电机相结合，将保证扫描组件的稳定运行及定点扫描。

3 隧道围岩与结构扫描系统的设备选型

顺应隧道智能化施工的趋势，增强现实技术(Augmented Reality，AR)将在隧道施工管理、病害监测等方面发挥重要作用。隧道围岩与结构扫描系统的设备也将选用AR设备实现对隧道围岩与结构扫描，并使用PC端对AR设备端的图像、距离等信息进行实时收集，通过后台进行相应处理，实现远程数据的采集与分析。

3.1 炬视智能眼镜系统

本系统采用炬视科技的C300工业级智能眼镜，经由技术开发，可满足双轨扫描系统中扫描组件的技术要求。

3.2 其他辅助系统

为更好的实现AR眼镜在隧道扫描中的应用，对AR眼镜进行开发，同时扫描组件上搭载有关设备及传感器，以满足在隧道中测距、测温及病害识别中的应用。

4 围岩与结构扫描系统的功能

4.1 系统优点

通过设置纵向滑轨和环向滑轨，使扫描系统能够实现纵向和环向移动，全面覆盖隧道围岩和结构表面。简单的轨道系统为扫描系统提供了快捷、稳定和低成本的定位平台。由于扫描系统距离被扫描的围岩和结构表面很近，对扫描系统的分辨率和精度的要求都很低，可以大大降低全息扫描的仪器设备成本。

4.2 技术指标

隧道围岩与支护结构实用扫描系统的价值主要体现在其功能实现以及检测指标精度的控制，如表1所示。

表1 系统功能及技术指标

4.3 系统功能

(1)全面收集隧道施工阶段围岩地质条件信息。

(2)高效且精准获取隧道开挖轮廓。

(3)精细的支护结构质量检查。

(4)有针对性的支护结构病害检查。

(5)及时的结构质量监控。

5 结束语

(1)提供了一种双轨扫描系统的结构设计方案。通过纵向滑轨与搭载若干种扫描设备的环向滑轨的结构组合，实现环向滑轨及其搭载的扫描设备在纵向滑轨上沿隧道纵向前后移动，以及扫描组件在环向滑轨上环向移动。达到通过对隧道围岩和结构表面进行全面扫描，获取隧道施工地质条件、超欠挖信息、支护质量、病害信息以及达到可靠地施工监控的目的。

(2)结合增强现实技术的特性，说明其在隧道工程中运用的可行性。通过其主系统与辅助系统的开发，实现对距离、温度、图像(裂缝、渗漏等)的信息采集，肯定了增强现实技术应用于隧道施工过程中的实际意义。

(3)提供了一套无线与有线通讯相结合的局域网通讯技术方案。该方案一方面，解决了隧道工程洞内与洞外的信息实时交换问题；另一方面，有利于系统的远程控制，实现了对现场扫描数据的及时远程获取和分析，同时可以达到有针对性的隧道质量监控。