《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第二部分 隧道工程篇《基于图像识别的隧道超欠挖监测技术应用与研究》

完成单位：浙江交投高速公路建设管理有限公司、江苏东交智控科技集团股份有限公司、德清县杭绕高速有限公司、浙江交工集团股份有限公司。

主要完成人：沈宏辉、徐承明、程义、张苏龙、陈巍峰、韩波、陈毅、尤光辉

项目简介

（一）项目背景

　　根据《浙江省综合交通运输发展“十三五”规划》要求，“十三五”期间浙江省将新开工10个高速公路项目，新建里程约1000公里。但是浙江省地形复杂，主要以山地、丘陵为主，公路沿线有不少隧道，隧道的监测与测量是保障“道路动脉”畅通的基础，也是公路建设过程中的关键任务。

　　在隧道工程施工过程中需要进行隧道的超欠挖检测，以判断隧道开挖断面尺寸是否满足设计断面要求。超欠挖不仅影响施工成本，而且对围岩稳定性分析也十分重要。目前的检测方法主要采用全站仪或断面仪等设备，逐断面逐点方式进行全断面测量，此类方法检测效率较低，很难满足隧道施工过程中大量超欠挖检测工作的需求。因此，发展隧道超欠挖自动化监测系统成为了必然。

（二）技术概况

　　本技术是一种针对隧道施工超欠挖信息的快速检测方法。通过一种便携式的360度全景图像采集设备获取隧道内部的多张图像及对应的空间位置信息，结合配套软件快速构建高分辨率的实体三维模型。通过实体三维模型与设计模型的比对，实现对各断面超欠挖信息的自动连续计算，根据检测结果可对掘进爆破方案进行及时调整，控制开挖精度保证施工安全，同时避免欠挖返工影响工程进度和超填混凝土带来的材料浪费。

（三）适用范围

　　本技术适用于不同等级公路隧道超欠面积和体积的快速检测和分析。

（四）获奖情况

　　本技术获得2021年度中国交通运输协会科学技术奖三等奖。

项目创新点

　　（1）基于单反相机、电动云台、三脚架和手机APP等软硬件，研发了隧道图像环状扫描装置。为解决隧道恶劣环境条件下，传统人工图像采集过程中出现的噪点多、精度差、效率低等不足，开发了由单反相机、电动云台、三脚架等设备组成的隧道图像扫描装置，可根据所使用的相机、隧道尺寸、相机的镜头焦距，自动调整环装扫描时的参数，实现图像采集的高清化、自动化、高效化。

　　（2）提出了一种用于隧道超欠挖分析的改进型基于图像隔列扫描和区域生长的二值标志点图像连通区域标记算法。在建模过程中需对标志点进行标记与识别，传统二值图像连通区域标记算法第一次扫描会产生重复标记问题，需进行二次扫描消除，算法实现效率低，据此，本技术采用图像隔列扫描算法对数据读取量小，减少了系统处理时间。

　　（3）开发了基于图像识别的隧道超欠挖监测系统，实现了厘米级精度的隧道超欠挖监测。该系统将图像识别技术和目标自动识别技术应用于隧道断面测量中，实现了对隧道断面的分析和检验。

应用案例

　　本技术分别在长春至深圳国家高速公路浙江省湖州段扩容工程长城坞隧道和临建高速先行段工程英公隧道进行了应用。

　　（1）长城坞隧道位于长春至深圳国家高速公路浙江省湖州段扩容工程第KTJ02标段，为分离式隧道，左线长1730m，右线长1685m。在施工过程中，本技术累计应用规模约3200m，拍摄了197013张照片，协助施工单位减少超挖量20%左右,减少了喷射混凝土成本约598万元。

　　（2）英公隧道位于临金高速公路临建至建德段工程,总长度4432m，为分离式-特长隧道。在英公隧道超欠挖监测实施过程中，基于图像识别的隧道超欠挖监测技术累计应用规模超过约8800m，拍摄了309187张照片，协助施工单位减少超挖量20%~30%，减少喷射混凝土成本约861.5万元。

社会效益与经济效益

　　（1）经济效益

　　 根据监测结果指导后续施工，节省了施工费用。本技术的应用可以提高对隧道超欠挖的控制水平，减少施工成本，降低工程造价。

　　应用成本低，减少了监测费用。本技术应用成本相比激光扫描仪可节约60%~70%，同时监测面广、效率高。

　　（2）社会效益

　　减轻了隧道监测人员的工作量，拓宽了隧道超欠挖监测的范围，延长了隧道运营寿命。

　　提高了隧道断面施工质量控制的自动化、高效化水平，对打造“智慧工地”具有支撑作用。