基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统

陆华庭

(广西路桥工程集团有限公司, 广西 南宁 530200)

0 引言

现如今，在高速公路、地铁、水下通车路段等施工项目中，不可避免地涉及隧道工程施工。由于隧道多处于地下水位以下的位置，施工中的渗漏水问题频发[1]。隧道施工渗漏水问题不仅会影响隧道施工质量，导致隧道结构开裂、腐蚀，也会危害施工人员的生命安全，甚至对地下水环境的稳定也造成一定程度的破坏[2]。为此，设计一种有效的隧道施工渗漏水监测系统具有重要的现实意义。

叶少敏等[3]以自加热温敏光缆为主要材料，设计了一种隧道渗漏水监测系统。该系统将自加热温敏光缆应用于传感元件中，通过分布式测温的方式采集光缆温度信息，然后再结合热脉冲法感测隧道施工过程中的渗漏水情况，并实现可视化展示。代昱昊等[4]利用TEM设计了一种隧道渗漏水状态监测系统。该系统在进行多次瞬变电磁超前探水试验后，建立了电阻率区间与渗漏状态映射模型，然后在Voxler软件中构建了含水体模型，通过感应瞬变电磁完成对隧道施工渗漏水状态的监测。

然而，在实际的施工应用中发现，上述传统方法存在监测信息传输耗时长且监测准确率低的不足。而三维激光扫描技术是一种自动化程度高和采集信息精度高的立体扫描技术，其主要目标是对高精度工程体进行三维建模，并有效地收集大量的三维点，实现采集各种类型的大量、复杂、不规则的三维数据的目的[5]。为此，针对传统监测系统存在的不足，本文研究基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统，并与两套传统系统进行对比分析。

1 基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是一种非接触式高速激光测量技术，即通过测量三维坐标获取被测目标表面的三维点云数据，并对数据进行有效的转换，同时进行技术性的分析，获取高精度的数据信息，再通过三维建模软件的应用和数据处理，构建三维扫描模型，以实现其应用。三维激光扫描是利用激光扫描设备和遥感器来测量被测物体表面的形状，通常由激光发射器、接收器和计数器组成[6]。被测目标表面接收到激光脉冲后，会产生反射信号，通过发射器与接收器之间的信号传输，可使用计数器计算发射信号和接收信号间的时间差，获取测量结果，同时可以根据测量数据结果监测实际施工过程中的不足并加以改善。

本文以三维激光扫描技术为依托，设计隧道施工渗漏水监测系统，通过获取隧道施工现场信息生成的点云数据进行计算，构建三维扫描模型，实现隧道施工渗漏水监测。

1.2 系统硬件环境设计

基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统的硬件环境主要由3个部分构成，分别为参数调试部分、激光扫描部分和监控中心部分。各部分负责不同的任务，其中，参数调试部分负责根据实际施工情况调整系统的运行状态，激光扫描部分负责获取隧道施工渗漏水的图像信息，监控中心部分负责整体的系统远程控制。系统硬件环境如图1所示。

图1 系统硬件环境结构图

由图1可知，系统硬件环境的主要设备是三维激光扫描设备，本研究使用的设备型号为Leica ScanStation2。

激光二极管在信号激光的周期性脉冲下，能够使其发射激光脉冲至目标表面，接收透镜以此为基础，获取反射信号并进行接收。在微机内部对测量数据进行简单处理，在储存数据的同时，显示或发送距离、角度等数据，从而完成信息传输处理。经过一系列的处理操作后，利用合适的系统软件得到目标区的三维坐标数据，以便进行不同的计算或建立三维模型。具体的三维激光扫描过程如图2所示。

图2 三维激光扫描过程示意图

步骤一：利用三维激光扫描仪器获取隧道施工现场的位置信息、地表物体尺寸等信息，并形成初始点云数据。

步骤二：在CAD软件中，结合上述获得的初始点云数据，利用Cloudworx插件绘制隧道施工现场的平面图、立面图以及剖面图等图件，并根据实际信息读取隧道尺寸及其内部设施的具体位置与状态，形成线划图件。

步骤三：利用线划图件对各点云数据进行处理，生成Mesh格网模型。在该格网模型中，通过映射处理将所有采集到的施工信息生成隧道渗漏水模型。

2 渗漏水识别监测方法

2.1 渗漏水阶段划分

根据渗漏水的危害程度，将其划分为5个阶段，依次为浸润(第一阶段)、渗透(第二阶段)、滴水(第三阶段)、漏水(第四阶段)以及射水(第五阶段)。具体内容如表1所示。

表1 隧道施工渗漏水情况评定规则表

2.2 渗漏水识别与智能监测

隧道施工渗漏水监测的关键在于从利用三维激光扫描技术得到的隧道施工现场线划图件中识别渗漏水现象的信息，也就是利用数字图像识别原理，根据渗漏水位置与正常情况下图件状态间的差异，实现对渗漏水现象的识别。

图件二值分割处理技术是根据一定的阈值，将待识别的目标从整个图件中分离出来的处理技术[7]。一般来说，可以根据目标区域与图件背景区域间的灰度差异完成二值分割。为此，本研究做出如下假设：

(1)隧道施工现场线划图件的灰度分布主要包括背景信息和待识别的目标信息。

(2)背景信息或待识别的目标信息中，相邻像素间的灰度值差距较小，而背景信息与待识别的目标信息的边缘灰度值差距较大。

假设(X，Y)表示隧道施工现场线划图件的平面坐标，其灰度值处于[0，L]之间，像素点在其间的灰度级为G(X，Y)。设定隧道施工现场线划图件的分割阈值为δ，Lq=(q1，q2)表示像素点在此坐标内的二值灰度级，则隧道施工现场线划图件(X，Y)在δ条件下的分割结果如式(1)所示：

(1)

结合隧道施工现场的实际情况，当其表面存在渗漏水情况时，利用三维扫描技术得到的线划图件中可以被二值分割处理过程分为灰度目标区域(渗漏水区域)与背景区域(正常区域)[8]。在图件经过二值分割处理后，本研究利用Sobel边缘算子准确判断渗漏水区域的轮廓范围。在隧道施工现场线划图件中，假设存在任一像素点pi，pi与其周边的像素点pj间的灰度差为ΔG，若存在如式(2)所示的关系，那么像素点pi即为待提取的信息。

(2)

式中：Gi与Gj——周边像素点pi与pj的灰度值；

计算渗漏水区域像素点灰度值，若与正常隧道表面的像素点之间灰度值相似，差值较小，就可以在灰度图像中对渗漏水区域边缘进行有效识别，描述识别出的所有像素点，识别该区域渗漏水现象。

利用三维激光扫描技术得到的现场图件有多幅，为全方位监测的隧道施工渗漏水情况，本研究在识别每个图件中渗漏水区域后，对三维扫描模型中所有图件的渗漏水区域面积展开计算，过程如下：

(3)

式中：S′——隧道内实际的渗漏水面积；

S——三维扫描模型中隧道内表面总面积；

np——三维扫描模型的所有图件中的像素点数量；

n——图件中渗漏水区域中的像素点数量。

在识别渗漏水区域后，本研究对具体的渗漏量展开监测。当水流动在隧道岩土的空隙或裂隙里并逐渐渗出表面，即产生了渗漏。为了分析渗漏速度，需使用渗漏控制模型。通常情况下，不具有压缩行为的控制方程主要由连续性方程式(4)与纳维斯托克斯方程式(5)构成，其形式如下：

∇v=0

(4)

(5)

式中：∂——偏导数；

∇——求导；

v——渗漏位置水体的实际流速；

ρ——渗漏水体的密度；

p——渗漏压力；

g——重力；

∇2v——渗漏水体流动过程中受到的阻力。

由于该数值在渗漏过程中的作用并不明显，因此，在式(5)的右侧还需添加一个可以描述此阻力作用的项，此时，单位质量渗漏水体的渗漏阻力为：

F=a×V×g

(6)

(7)

式中：V——渗漏水状态参数；

a——重力加速度。

通过计算可以得知隧道施工渗漏水状态参数，以此判断隧道的施工渗漏水情况。

3 试验与结果分析

为验证上述设计的基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统的实际应用效果，选择某正在施工的隧道作为试验对象。该隧道全长将近15 km，经过岩溶洼地、地下暗河和多处地质断层带与地质接触带，还包含大量的溶洞，在开挖的过程中可能会出现透水、突泥，甚至岩爆、塌方等危险情况。因此选择该隧道#026+351-15段进行渗漏水监测，此施工段长约2 600 m。将基于自加热温敏光缆的隧道渗漏水监测系统与基于TEM的隧道渗漏水状态监测系统作为对比方法，与本文提出的基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统共同进行对比实验。本文采用三维激光扫描设备Leica ScanStation2完成隧道渗漏水信息的实际采集，该设备主要参数如表2所示。

本次实验以渗漏水监测信息传输耗时、监测准确率为指标，监测信息传输耗时越短，监测准确率越高，证明该方法的应用性能越好。

3.1 监测信息传输耗时对比

采用上述三种方法对该隧道#026+351-15段进行渗漏水监测，对比不同方法的监测信息传输耗时，结果如表3所示。

表2 Leica ScanStation2主要设备参数表

表3 不同系统对渗漏水监测信息的传输耗时对比表

由表3可知，随着实验次数的增加，不同系统对渗漏水监测信息的传输耗时也随之增加。其中，基于自加热温敏光缆的监测系统的耗时处于0.768～0.937 min，基于TEM的监测系统的耗时处于0.904～1.414 min，而本文系统的耗时处于0.355～0.492 min，这说明本文系统对渗漏水监测信息的传输速度更快、监测效率更高。

3.2 监测准确率对比

在该隧道#026+351-15段中，在计算渗漏水状态参数的基础上，以监测准确率为指标，对不同系统的应用性能展开验证，试验施工段的渗漏水状态如表4所示。

表4 各施工段渗漏水状态一览表

以表4为实际结果对比，计算不同系统对隧道施工渗漏水监测结果的准确率，结果如表5所示。

表5 不同系统对隧道施工渗漏水的监测准确率对比表

由表5可知，随着试验次数的增加，不同系统的监测准确率也呈现逐渐上升的趋势。其中，基于自加热温敏光缆的监测系统的监测准确率处于89.50%～91.55%，基于TEM的监测系统的监测准确率处于85.43%～88.92%，而本文系统的监测准确率处于94.37%～96.71%。上述结果可以说明,本文系统能够准确地对隧道施工过程中的渗漏水情况展开监测，且相比于两种传统系统，本文系统的监测结果更加可靠。

综上所述，本研究设计的基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统具有监测效率高、监测结果可靠性高的应用优势，更适用于实际的隧道工程施工项目中。

4 结语

针对传统监测系统存在的监测信息传输耗时长、监测准确率低的问题，本研究设计了基于三维激光扫描的隧道施工渗漏水监测系统。该系统利用参数调试部分、激光扫描部分和监控中心部分组成系统硬件环境，在软件程序中，对三维扫描图件进行二值分割处理，在判断渗漏水区域的轮廓范围后，对三维扫描模型中所有图件的渗漏水区域进行判断，通过求解渗漏量得到准确、高效的监测效果。