钻孔置入式地下空洞三维激光(声呐)扫描技术研究与应用

丁 朋，付 华，邹宇杰，杜兴忠

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

随着城市地下空间、城市地下综合管廊、海绵城市、西部水电项目和新能源等工程建设项目的蓬勃发展，溶洞、塌陷区、采空区等对市政、交通、水利水电、矿山等工程安全造成威胁，精确探测地下空洞对于工程地质勘察、地质灾害防治、岩溶洞穴综合利用等具有重要意义。

地下空洞具有隐蔽性和不确定性，通过地质钻探或人工开挖对其进行探测，存在成本高、效率低等弊端；
地质雷达、层析成像、瞬变电磁等传统工程物探方法，能够圈定出地下空洞的大致位置，但无法精确探测出地下空洞的形态、规模和走向。国内已大量应用激光扫描技术扫描隧洞、箱涵、采空区等大型洞室，所用设备主要为国外产品，一般通过人体背负扫描装置进入待测洞室或者使用连接杠将扫描装置置入待测洞室以开展现场工作。但这种技术价格昂贵，体积也较大[1-4]，尺寸普遍大于一般地质钻孔的直径(75～150 mm)，且连接杆连接方式及球形扫描方式易导致卡孔现象，因此不适宜钻孔置入式应用场景；
此外，由于水对激光的吸收效果显著，导致激光穿透距离有限，因此这种技术主要应用在无水环境中。对于充水空洞，国内已有相关单位利用声呐技术进行了采空区扫描测量的应用研究，所用设备多数为改装的现有国外产品[5]，由于体积较大，也无法通过常规地质钻孔置入。

为解决上述问题，本文采用激光和声呐扫描技术，开展了钻孔置入式地下空洞三维扫描技术及设备研究，该设备扫描探头能利用电缆通过常规地质钻孔，顺畅置入待测地下空洞，利用激光和声呐扫描技术分别实现地下空洞水上和水下部分的快速、精确扫描测量。工程项目的应用实践证明了该方法的可行性，具有良好的推广应用价值。

激光具有定向发光、亮度极高、单色性和相干性好等优点。国内外普遍采用激光扫描技术进行各类洞室的三维扫描，但由于水对激光的吸收效果导致激光穿透距离有限，尤其对于小型激光测距模块，其体积小、发射能量也小，因此激光扫描技术主要应用在无水环境中。

声波属于机械波，其在水下的能量损耗较小、穿透能力强、传播距离远，是水下信息传输的重要载体。声呐利用了超声波方向性好和穿透性强等优点。超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，能在水中传播足够远的距离，因此声呐扫描技术主要应用在充水环境中[6-8]。

该钻孔置入式地下空洞三维扫描仪利用激光和声呐测距模块，测量井下探头到洞壁之间的距离，测距原理如图1所示：激光(声呐)测距模块向洞壁发射窄束激光(超声波)脉冲，激光(声呐)测距模块会根据脉冲从发出到经被测洞壁表面反射回来所用的飞行时间，计算出发射点到洞壁之间的距离。此外，该产品还集成了步进电机和三维电子罗盘，其中三维电子罗盘与测距模块安装固定在同一个构件上，在步进电机的驱动下进行旋转扫描：测距模块实时测量发射点到洞壁的距离，三维电子罗盘实时测量测距模块的发射方向。

注：d为探头到洞壁的距离；
c为激光(超声波)脉冲的传播速度；
t为脉冲从发射到反射回发射点的时间。图1 激光与声呐测距原理Fig.1 Principle of laser and sonar ranging

2.1 总体设计思路

分别设计了用于无水环境、采用激光扫描技术和用于充水环境、采用声呐扫描技术的两种设备。对于半充水空洞，需要两套设备配合使用，整套设备均由地上部分和地下部分组成。由于需要扫描测量出地下空洞的三维形态和走向，因此，每种设备应至少具备旋转扫描、测距、测方位、数据保存和可视化操控等基本功能。考虑到推杆下放扫描探头容易卡孔，且随着下放深度的增加，孔内装置(探头+推杆)的总体重量会越来越重，因此，设计方案采用了绞车电缆收放扫描探头的方式。

考虑到地下空洞的隐蔽性和不确定性，为防止扫描过程出现卡停现象，所设计产品只支持水平旋转扫描，不支持垂直旋转，即利用二维扫描技术，在单个扫描平面内取得直观的扫描轮廓成果资料，最后利用逐层扫描出的所有二维轮廓构建出三维形态，如图2所示。

图2 扫描测量方式Fig.2 Scanning method

2.2 设备工作方法

两种设备均由地面采集主机、扫描探头、绞车、导向滑轮等组成，如图3所示。

图3 设备组成及工作示意Fig.3 Schematic diagram of equipment composition and work

在进行实际测量作业时，地面采集主机向井下扫描探头发出扫描指令，井下扫描探头收到指令后，驱动激光(声呐)测距模块向洞壁发射窄束激光(超声波)脉冲，并计算出发射点到洞壁之间的距离，之后读取三维电子罗盘，获取脉冲的发射方位信息，再将测量距离和方位信息组合成数据帧，发回至地面采集主机，则该方位洞壁的空间信息测量完毕。设备在步进电机的驱动下，自动旋转探头到下一个方位位置，继续测量下一个方位洞壁的空间信息，如此循环，直至探头旋转一圈将整个断面扫描一周；
地面采集主机会实时显示出扫描轮廓；
操作地面采集主机，将扫描获取的整圈轮廓数据保存，至此整个断面的扫描工作完成。通过绞车将井下探头放置到下一个位置，启动新一轮断面轮廓扫描，如此循环，直至整个地下空洞逐层扫描完成。最后，利用相关三维处理软件处理所有二维断面轮廓扫描成果，构建出地下空洞的三维形态模型，进而计算出地下空洞的大小、规模和展布，如图4所示。

图4 工作流程Fig.4 Workflow of equipment

2.3 设备主要模块及研发技术要点

(1) 扫描探头。在采集主机的指令控制下，实现对水平断面轮廓的360°全周扫描，并将扫描生成的点云数据传回至采集主机。扫描探头集成了激光(声呐)测距模块、三维电子罗盘、导电滑环、步进电机、控制电路板(设置有STM32处理器)等诸多部件，需要设计金属外壳对内部器件进行保护和封闭防水。对于激光扫描探头，设计则较为简单，所有部件全部内置于金属壳体内部，只有激光测距模块所处的位置设计有一圈高透光的防水玻璃罩，激光测距模块和三维电子罗盘利用步进电机在壳体的内部进行360°旋转；
对于声呐扫描探头，声呐测距模块必须裸露在水中进行360°旋转，因此需要设计较为复杂的动密封结构。为尽可能适用于更小内径的钻孔，探头外径均应尽量小，因此内部器件只能采用纵向布置的设计方式，且内部器件均需小型化选配。

(2) 采集主机。用于数据采集、断面轮廓显示、数据管理等。主机软件运行于ARM处理器中，通过RS485通信方式发送指令给井下扫描探头，井下探头根据指令做出相应动作，如校准三维电子罗盘、扫描断面轮廓等，并将处理结果反馈给采集主机。

(3) 绞车。收放探头，并实现采集主机与探头之间的通信连接。

(4) 导向滑轮。改变绞车电缆线运行方向。

基于上述设计思路和设计方案，成功研制出钻孔置入式地下空洞三维激光(声呐)扫描仪，其中，钻孔置入式地下空洞三维激光扫描仪如图5所示。

图5 钻孔置入式地下空洞三维激光扫描仪Fig.5 Equipment for three-dimensional scanning through borehole into underground cavity

为测试产品性能，开展了系列试验。对钻孔置入式地下空洞三维激光扫描仪的部分试验如下。

(1) 测量精度评估试验。该设备所选用的三维电子罗盘航向精度0.8°，分辨率0.1°；
所选用的激光测距模块测距范围0.01～30.0 m，精度1.5 mm，分辨率1 mm。试验过程中，各测量4组方向和距离值，最终的试验对比结果如表1所示。由于测试环境和对比测量器具的限制，试验结果与理想实验室的测试结果存在差距，但是可以作为评估该设备测量精度的依据。通过表1可知：方向角绝对差值在1.5°以内，距离绝对差值在3 mm以内，均大于所标称的精度，但其精度已完全满足扫描地下空洞内部结构的要求。

表1 设备测量值与人工测量值的对比

(2) 轮廓扫描试验。利用该设备对一个简易纸箱的内部轮廓进行扫描。为验证扫描的精度，在纸箱的角落里构建了一个有微小弧度的弧形面，如图6所示。最终的扫描轮廓见图7左上角，与实物的内部轮廓在形状上完全一致，且弧形轮廓清晰可见；
后实测结果表明其走向、轮廓大小也与实物一致，验证了利用该设备探测空腔内部轮廓的可行性。本次试验仅环绕一周扫描了100个点，即扫描步距角为3.6°(360°/100)；
对扫描文件中100个扫描点数据进行分析，结果表明：相邻扫描点方向角间距平均值3.6°，最小值2.8°，最大值4.3°，其中第一个扫描点的方向角(Heading)为115.7°，最后一个扫描点的方向角为112.1°，两者相差3.6°，进一步验证了该设备方向测量的准确性。

图6 测试模型Fig.6 Test model

图7 测试结果Fig.7 Test results

贵州省北盘江流域某水电站开展防渗帷幕灌浆前物探工作。在钻孔SCWM-ZK-9施工过程中发生落钻5 m现象。为进一步研究落钻区域岩溶发育特征，采用该地下空洞三维扫描装置进行了扫描测量，扫描成果如图8所示，溶洞整体呈“胃”状，发育高度4～6 m，宽度4～7 m，长度6～8 m，近东西向，且东小西大、东高西低，体积约为150 m3，后经开挖揭露(图9)，该三维扫描成果与实际吻合，溶洞的扫描精度完全满足要求。

图8 钻孔SCWM-ZK-9岩溶段三维扫描成果Fig.8 3D scanning result of karst section of borehole SCWM-ZK-9

图9 开挖后溶洞内现场勘查Fig.9 Exploration in the karst cave after excavation

贵州省乌江流域某水库开展大坝渗漏分析与处理的工程物探测试工作。在钻孔ZK6的全景数字成像成果中，能明显看到2个岩溶空腔，为了追踪岩溶空腔的规模、形状和走向，采用三维扫描技术对岩溶空腔进行扫描测量，其中，钻孔ZK6底部溶洞的三维扫描成果如图10(b)所示，溶洞发育高度1.7 m左右，最大直径近5 m，体积约8 m3，与图10(a)的全景数字成像成果揭示的溶洞高度、走向等一致；
钻孔ZK5-ZK6-ZK7之间的电磁波CT探测成果也揭露出该溶洞所处的位置，如图10(c)所示。上述综合物探成果相互验证，为后期岩溶渗漏处理提供了准确的基础资料。

图10 钻孔ZK6底部岩溶综合物探成果Fig.10 Comprehensive geophysical exploration results of karst at the bottom of borehole ZK6

为通过一般地质钻孔将扫描装置置入地下空洞内部，对其进行精确扫描测量和构建三维数字化成果，利用激光和声呐扫描技术，研制出了通过逐层扫描二维轮廓构建三维形态的钻孔置入式地下空洞三维扫描成套设备，并通过工程应用得到以下结论。

(1) 利用激光和声呐扫描技术，结合方位测量技术，能够实现对地下空洞三维形态、规模和走向的准确测量，为工程设计和施工提供重要的基础数据。

(2) 根据本文设计思想，可研发出多套不同测距精度和探头直径的设备，最小探头直径已缩小至51 mm，能通过一般地质钻孔顺利置入地下空洞进行三维扫描测量，并结合激光和声呐扫描技术，解决了无水空洞、充水空洞、半充水空洞难以通过狭窄钻孔置入设备进行自动化扫描测量的难题，具有较好的普适性。

(3) 与钻探探测、传统物探以及人工开挖测量相比，在精确探测地下空洞空间展布方面，该扫描设备拥有快速、安全、高精度、全数字特征、成本低和应用范围广等显著优势，具有良好的推广应用价值。