近景摄影测量隧道工程质量控制方法应用研究

邓 俊

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017)

随着我国公路建设水平的不断发展，隧道工程正在不断建设。隧道工程质量控制主要包括隧道围岩收敛及拱顶沉降等内容，可以最直观的了解隧道力学动态变化，是保障隧道施工质量和安全的重要手段。随着数码相机和计算机技术的不断进步，近景摄影测量取得了跨越式发展，与传统的三维测量方法相比，近景摄影测量采用非接触式量测手段，可获得大量物方监测点间的位移变形情况，在隧道工程质量控制领域具有较大的应用潜力。国内许多专家学者对近景摄影测量隧道工程质量控制进行相关研究，吴世棋等通过使用国产摄影经纬仪进行摄影测量，需要专业设备和布设固定控制点。贺跃光等对数字近景摄影测量进行深入研究，开发了摄影测量系统并应用于地矿测量中。王国辉等、田胜利等通过改进P-H算法对隧道围岩收敛和拱顶沉降变形进行数字摄影测量，不布设固定控制点，可自由设站。Satoru M等采用布置大量控制点结合摄影测量技术进行隧道围岩收敛和拱顶沉降变形测量，现场实施困难较大。综上所述，基于隧道工程质量控制的特殊性和重要性，非常有必要对近景摄影测量隧道工程质量控制方法进行深入研究，可极大的丰富隧道质量控制方法，有效保障隧道工程质量和施工安全。

1 近景摄影测量隧道工程质量控制方法

近景摄影测量隧道工程质量控制方法包含了单向摄影和线性变换等算法，通过采用单张影像在一个平面内检测隧道围岩收敛及拱顶沉降变形值的方法，根据不同时段围岩变形前后影像计算待测点变形量。

1.1 单向摄影

单向摄影采用数码相机居中拍摄，左右两侧垂直立起标准杆的方式，采用独立坐标系下的距离相对控制方法计算待测点坐标。使用单向摄影方法计算待测点变形值时，首先应通过焦距f和摄影距离H的比值(或者待测物实际长度L与像方长度l的比值)来计算成像比例尺。可由下式确定变形值

(1)

式中:Δxi、Δyi为点在像平面内的位移，H为拍摄距离，f为摄影机焦距。

标准杆应具有明显的刻度，假定标准杆上的一点为单向摄影平面控制点，可通过上式计算其他平面控制点坐标，再采用线性变换算法计算隧道围岩收敛及拱顶沉降观测点物方坐标。

1.2 线性变换

单向摄影平面与物方平面之间的投影转化关系可通过线性变换实现。线性变换基本关系式为

(2)

首先需求解4个控制点，再来解算l系数近似值，解得l系数后，联立所有像点坐标(x,y)方程计算相应的物方平面坐标(X,Y)近似值。设单向摄影平面坐标量测值改正数为(vx,vy)，当单向摄影平面控制点多于4个时，可得到如下关系式

(3)

相应的误差方程式为

(4)

式中

V=[vxvy]T

L=[l1l2l3l4l5l6l7l8]T

A=l7X+l8Y+1

当现场拍摄的像片不少于1张时，可得出如下误差方程式

(5)

线性变换方法计算出该待测点在单向摄影平面物方坐标后，通过不同时段围岩变形前后影像计算待测点变形量。可由下式计算变形值

(6)

2 工程应用

本次实验以义乌至武义公路隧道工程为依托，对近景摄影测量隧道工程质量控制方法进行实地验证。每个隧道断面布设5个检测点，每个检测点分别观测4个时段，隧道断面检测点分布见图1。隧道单向摄影时数码相机居中拍摄，数码相机安放在距离隧道检测断面约10～15 m左右范围内。同时保持数码相机单向摄影位置不变，每断面同一时段拍摄6张影像，采用其中最清晰的影像进行数据处理。

图1 隧道断面检测点分布图

图1中点3为拱顶沉降检测点，点1与点2的连线为测线L1-2，……，其它测线依此类推。根据隧道围岩等级及设计要求，以不同的间隔距离设置检测断面。在隧道质量控制中，测点监控拱顶沉降，测线描述收敛变形。

采用近景摄影测量隧道工程质量控制方法计算出的围岩收敛及拱顶沉降检测数据分别见表1和表2。表2中测线H2-3代表拱顶沉降检测点3到围岩收敛检测点2的高差，其它测线依此类推；时段1、2、3、4表示不同时段的检测数据；假定时段1的收敛变形值和拱顶沉降值为零，则其它时段的围岩收敛及拱顶沉降变形值为该时段变形值与时段1变形值的差值。

表1 围岩收敛数据表/mm

表2 拱顶沉降数据表/mm

由表1和表2可知，采用近景摄影测量隧道工程质量控制方法对相同测线不同时段的围岩收敛及拱顶沉降变形量进行量测，各测线和测点变形量总体趋势保持一致，与隧道施工过程中的围岩变形规律基本相符，同时随着隧道围岩变形趋于稳定后，隧道围岩变形范围在0.5～1 mm之间，能够满足隧道工程质量控制和设计规范要求。

为验证该质量控制方法精度，采用全站仪法进行可靠性分析，即利用全站仪观测不同距离校核数的实际长度，并假定该实际长度为真值。表3为该质量控制方法不同距离校核数可靠性验证数据。

表3 不同距离校核数可靠性验证数据

由表3可知，通过不同距离校核数可靠性验证，距离相对精度达到实验预期，表明该质量控制方法具有较高可靠性；距离校核数越多，距离相对精度越高，可靠性越高。

3 结 论

该文对近景摄影测量隧道工程质量控制方法进行深入研究，现场验证结果表明该质量控制方法准确可靠，具有较高可靠性，可极大的丰富隧道质量控制方法，有效保障隧道工程质量和施工安全。该质量控制方法不仅在隧道施工中有广泛的应用，还可以推广到其它土木工程建设施工中，如桥梁施工线形测量、沉降观测，同时在高速铁路建设中也有广泛应用前景。