隧道全生命周期是指隧道从设计、施工到运营老化, 直到破坏的过程。大多数隧道在设计阶段不会将全生命周期看作一个整体去考虑, 在施工阶段破坏围岩应力平衡, 隧道衬砌施作完毕后受到使用环境等各方面因素的长期作用, 运营期养护不到位, 多种因素会大大缩短隧道使用寿命。

目前大多数隧道全生命周期的研究主要集中在理论方面^[1,2,3,4], 基于BIM (building information modeling) 技术的实践研究受限于隧道监控量测方法, 对隧道真实情况的反映和分析略显不足。本文基于三维扫描技术, 分别建立了珠海阳光咀隧道勘察设计阶段、施工阶段和运营期三维模型, 通过对比得出真实隧道与设计模型的偏差以及隧道运营期变化情况等信息, 并采用卡方检验对偏差数据进行检验, 以证明数据的正确性、可靠性。

现阶段我国隧道由大规模建设期进入运营维护期, 大量运营期隧道需要进行检测维修, 甚至大范围修补, 问题十分严峻, 对隧道进行全生命周期信息化管理显得尤为重要。建筑行业全生命周期 (build lifecycle management, BLM) 的概念主要借鉴制造业产品的生命周期信息管理 (product lifecycle management, PLM) , 由美国Autodesk公司于2002年首次提出, 并得到业内人士的广泛重视。国内同济大学、哈尔滨工业大学和清华大学等与Autodesk公司建立BLM联合实验室^[5]。目前对于隧道全生命周期的研究主要是参考建筑业BIM技术, 而隧道工程拥有带状分布、与地质关系密切等独特的特征, 使BIM技术在隧道中的应用存在诸多问题仍有待进一步研究^[6,7,8,9]。

基于三维扫描技术对隧道全生命周期进行健康检测^[10,11], 是通过对隧道在不同工况条件下的三维点云扫描测量, 进行定期检测和专项检测, 分别得到隧道在设计、施工、竣工和工后运营各阶段的三维模型, 建立数据库进行管理, 运用大数据理论和数据挖掘技术, 进行隧道不同阶段的模型对比分析、变形对比分析和侵限对比分析, 随时掌握隧道的沉降和收敛情况、隧道结构的受力和变形情况, 为隧道施工的支护参数调整、二次衬砌最佳时机确定和修改设计方案等提供可靠依据, 根据监测成果进行隧道施工安全风险预警预报和风险分级管理, 根据模型对比分析结果建立隧道建设、管理、养护信息化管理系统, 确定隧道的养护管理方案和最佳养护管理时机, 建立隧道建设、管理、养护全过程的信息化管理模型, 指导隧道的建设、养护和病害治理, 延长隧道工程的使用寿命, 预防事故的发生, 保证隧道工程的正常使用和健康运营, 为同类工程提供可靠的设计和支护参数, 有着重要的理论意义和工程应用价值。

三维激光扫描仪包括高速精确的激光测距仪和可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组, 实现高速、全方位和海量信息采集的测量仪器。激光测距仪主动发射激光, 同时接受由自然物表面反射的信号进行测距和测角, 得到全部扫描点空间坐标、点间距离、方位角、表面法向量等信息、激光强度量化等级和真彩色信息等, 具有空间上随机分布和分辨率高的特性。

由于隧道测量条件的限制, 数据采集可分为以下几个步骤进行:现场实地调查、布置控制网、进行控制测量、布设标志点 (球) 和扫描测量等。

隧道三维激光扫描测量必须遵循以下原则: (1) 每一测站有效测量范围内控制点必须>3; (2) 控制点精确对准, 对点误差应<1mm; (3) 控制点上的标志点 (球) 必须清晰可见, 通视条件良好; (4) 控制点和测站间构成良好的空间三角形, 三角形最小内角≥25°。

三维激光扫描仪测量得到的点云数据包含大量的噪点等伪信号, 需经过滤波处理^[12,13]。滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作来抑制干扰信号, 是基于概率统计理论按照某一随机过程的结果对另一与之有关的随机过程进行估计的方法, 经典的滤波包括傅立叶分析和变换。三维激光扫描的点云滤波方法主要是基于数学形态学原理的分类算法, 属格论和拓扑学理论的图像分析法, 基本运算包括:二值腐蚀和膨胀、二值开闭运算、骨架抽取、极限腐蚀、击中击不中变换、形态学梯度、Tophat变换、颗粒分析、流域变换、灰值腐蚀和膨胀、灰值开闭运算、灰值形态学梯度等。

隧道是狭长的地下空间, 点云数据拼接和模型重构质量直接影响到成果文件的可靠性, 目前采用的基于视场内测量标靶或共用的测量公共控制点的拼接方式存在多站坐标转换的传递误差, 易产生误差累积而影响整体质量, 基于一定重叠区域的特征点云 (点, 线, 面, 网格模型等) 拼接方式, 由于隧道内目标属性相似而无法实现或计算量太大而无法实现。利用三维激光扫描点云数据对隧道进行三维模型重建描述时, 需要从全局和局部2个方面进行点云数据的分析和提取, 主要包括如下方面。

1) 配准计算通过预知规则标靶的几何形态和反射特性, 根据扫描得到的点云数据自动进行标靶几何中心的搜索和坐标解算, 得到配准所需的起算数据。

2) 点云分割庞大的点云数据量是模型重建技术中运算效率和智能化水平的限制因素, 赋予在同一片曲面上采集的数据点相同标志, 将立面点云数据中的特征信息与背景点云分离开来, 从而快速完成对地物特征信息的提取和识别, 主要方法有直接采用参数模型对数据点进行逼近插值计算或从局部到整体的渐进分割方法。

3) 模型化点云数据为物体表面信息的集合, 将点云转换为线、面等高级特征, 才能建立特征明确的立面模型。点云数据模型重建有模型驱动法 (model driven) 和数据驱动法 (data driven) 2种, 主要包括对称检测, 3D精细对比和最佳拟合对齐, 精准拟合和消除偏差等。

珠海阳光咀隧道位于珠海市机场西路以西约5km处, 长430m, 其中右幅路为烂尾隧道, 路面不平整, 隧道内部衬砌破坏严重, 局部有裂缝, 变形明显, 严重影响行车安全, 为全面掌握阳光咀隧道工程运营中安全情况, 对隧道进行三维数据采集和建模, 开展隧道三维信息化建设和养护管理系统研究。

根据隧道设计图运用CAD建立隧道的三维模型, 采用Geomagic Qualify软件点云化处理生成隧道设计点云模型如图1所示。隧道工后的三维实体模型分别在2016年3月和2016年7月采用FARO120三维激光扫描仪测量得到, 隧道全长430m, 共设15个测站, 每站设置8个标靶于隧道侧壁, 扫描前首先采用LEICA全站仪进行控制测量, 得到标靶中心的控制坐标, 每站有效扫描长度约为40m, 相邻2站间有4个共用标靶用于后期数据拼接, 测站设置如图2所示。

扫描测量数据采用SCENE软件进行配准计算和滤波处理, 在软件中对标靶进行标记命名, 同一个标靶在前后2站中的名称一致, 软件根据2站之间共用的4个标靶进行数据拼接, 可以得到隧道拼接模型和点云模型, 如图3所示。

利用Geomagic Qualify软件对模型进行封装和3D比较, 将隧道设计模型与运营期模型对比, 每隔5m垂直于轴线生成纵切面, 得到断面隧道变化情况, 如图4, 5所示。

隧道设计模型和运营期模型进行对比分析可以得出, 隧道总体分析模型呈直线形, 隧道顶呈总体下沉, 沉降明显, 最大沉降量为1.3m, 整体净空变化平均值约0.5m, 隧道出口端沉降量较大, 隧道收敛不明显, 主要集中在拱腰部位, 隧道目前完整性较好, 无明显残缺破坏等现象。

经处理后的隧道运营期模型进行对比分析可以得出, 隧道净空变化较小, 最大变化量为4.7mm, 平均变化1mm, 标准偏差1.2mm, 主要以拱顶沉降和拱腰处净空收敛为主, 隧道无破坏风险, 如图6和图7所示。

对运营期隧道模型进行多角度切片, 全面分析其现状。隧道衬砌结构局部不规则, 隧道边墙部位有纵向起伏变化, 隧道横断面呈椭圆形, 而非设计的半圆形 (见图8a) 。由图8b分析可知, 隧道拱顶有明显不对称沉降, 隧道左侧边墙有明显超挖, 底部路面有起伏变化, 平整度较差。隧道水平切面分析可知, 隧道左侧和右侧均有超、欠挖现象或断面尺寸不规则现象。

为验证基于三维扫描技术的隧道偏差结果的正确性和合理性, 根据数理统计理论采用卡方检验方法对偏差数据进行验证, 检验结果认为偏差数据来自正态分布总体, 说明采用上述方法合理正确。

将设计模型与运营期对比模型的偏差结果导出, 并在大量偏差数据中随机选择100个数据作为检验样本, 并对数据进行卡方检验。偏差结果来自正态分布总体X, 由最大似然估计对正态总体X的均值和方差进行估计得到μ^︿=-0.370 47, σ^︿=0.081 60。卡方检验计算如表1所示。

将运营期对比模型的偏差结果导出, 并在大量偏差数据中随机选择100个数据作为检验样本, 并对数据进行卡方检验 (由于本次对比偏差较小, 将单位转换为mm进行计算) 。偏差结果来自正态分布总体X, 由最大似然估计对正态总体X的均值和方差进行估计得到μ^︿=-0.006 35, σ^︿=1.333 87。卡方检验计算如表2所示。

由于隧道工程环境条件复杂, 施工和运营过程中具有大量不确定性和多变性因素影响, 存在各种各样的病害需要检测、评价和及时养护, 建立全生命周期隧道建设、管理、养护信息化管理系统是隧道合理养护的重要保证。

三维扫描技术具有非接触、精度高、扫描速度快、获取数据量大和信息丰富等优点, 可以有效收集隧道信息和进行数据处理, 进行信息化管理, 为隧道全生命周期信息管理系统提供真实、全面的信息。

工程应用实例表明, 通过三维激光扫描数据采集、三维模型的对比分析和数据检验, 可以及时掌握在不同工况条件下隧道病害和发育情况, 分析结构的变形和应力, 进行风险预警预报和风险分级管理, 确定最佳养护管理方案和最佳养护管理时机, 延长使用寿命, 预防事故的发生, 保证隧道工程的正常使用和健康运营。