三維激光掃描中隧道變形監測方法分析

摘要：傳統隧道變形監測多采用全站儀進行，測量工作量較大。三維激光掃描系統可提供場內、有效測程的一定采樣密度的點云數據，測量精度加高，數據采集進度快。文章首先對三維激光掃描數據處理系統的構成和工作流程進行分析，然后對三維激光掃描變形監測中的數據采集與分析進行了闡述，最后結合實例對隧道變形進行了分析。

關鍵詞：三維激光掃描；隧道變形監測方法；全站儀；采樣密度；測量精度；數據采集 文獻標識碼：A

中圖分類號：U456 文章編號：1009-2374（2017）10-0218-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.110

1 概述

三維激光掃描技術為非接觸式主動測量技術，與傳統的單點測量有很大差異。該技術通過掃描便可快速獲得高密度、高精度、大面積的海量點云數據，得到目標表面的三維坐標，掃描速度快，可達萬點每秒。同時，三維激光掃描技術對于施工現場的光線條件沒有明確要求，即使在黑暗環境下也可進行測量，一次測量便可獲得隧道內部的全面數據，再根據測量要求和目的對數據進行處理便可獲得隧道任一斷面的變形數據，了解隧道當前的運行狀況。由此可見，將三維激光掃描技術應用于隧道變形監測具有技術優勢，便于操作和數據

處理。

2 三維激光掃描系統構成和工作流程

三維掃描技術又名實景復制技術，該技術是在激光測距技術的基礎上發展而來，可以獲得隧道內部實體的點云數據，通過對大量數據的處理分析可以建立相應的三維實體模型，其精確度較高。然后結合坐標控制對數據進行差異化分析與比較即可獲得實體變形特征數據。

為了便于點云數據配準、斷面提取、斷面對比分析和斷面收斂變形分析等諸多功能，需要建立完善的三維激光掃描數據處理系統，如圖1。該系統聯合了Matlab數據平臺，根據三維激掃描系統的工作原理采集隧道變形數據，該系統的具體優勢主要表現在以下五個方面：第一，點云數據預處理，該系統可直接對隧道測量數據進行預處理，并在處理過程中剔除無效信息，如激光反射光束、隧道管線、現場人員的噪聲點等；第二，點云數據配準，在各站數據轉化工作結束后，其坐標系統一，便于后期數據的再處理；第三，斷面處理，對于已經設定的間隔提取斷面點云，需對隧道中心軸線進行最小二乘擬合；第四，對隧道的變形量進行計算與分析，依據每個斷面的測量點云數據進行斷面擬和，并將其與設計圖紙和以往工程資料進行比對了解隧道收斂變形情況；第五，數據輸出，可以通過文本或圖形顯示數據處理與監測結果。作業流程如圖2所示。

3 數據獲取與處理

3.1 布設控制點和監測點

本文研究采用的徠卡三維激光掃描儀，其為高速度和高精度的激光掃描儀，集合了多種技術優勢，適用于各類工程測量項目。單點測量精度高達6mm。測距范圍為300m，模型表面精度為±2mm。采用三維掃描儀可以快速獲得密集目標物體表面的三維坐標、反射率和紋理信息，但是在使用三維掃描儀進行測設之前需要做好準備工作，合理布設控制點與監測點。因為三維掃描技術特征以及獲取數據的后期處理要求有所差異，控制點的布設方案也就有所不同。依據不同掃描儀的有效測距范圍和多站數據配準等相關要求進行控制點與監測點的布設工作。為了保證掃描數據的坐標統一，便于后期數據處理，且可進行多站數據配準，盡量不將控制點和監測點布設在不同的直線與平面上。

這里對隧道掃描點云配準進行詳細分析。所謂點云數據配準就是指使兩幅點運輸局同名點的點對（）滿足相同變換矩陣T，需滿足如下方程：

式中：P、Q分別為兩次掃描的點集；pi、qi分別為點集P以及Q中的某點。

在應用上述公式解決實際問題時，會遇到查找點對以及求解矩陣T的問題，為此可以用所有同名點匹配誤差大小對配準進行判斷，如下：

式中：E為配準誤差；Np為點對數量；D為兩個相似點的最近距離。

三維激光掃描數據處理軟件的配準模塊中一般支持兩種配準方式，即點云配準和基于目標的配準。部分軟件可以用于大地控制點的配準。

第一，基于點云的配準。基于點云的配準就是在兩副點云數據中找出不在統一直線上的三個同名點進行電源匹配。軟件中基于電源的配準方法是先選擇3個同名的點進行初步配準，然后按照式（1）進行優化，保證配準精確，最高精度可達3mm；第二，基于目標的配準。三維激光掃描系統中有專用的平面標靶，在每站測量工作中可將其作為標志點，架設在變形監測點上用作變形點的分析工作，也可以隨意架設作為配準目標；第三，基于大地控制點的配準。實地測量過程中會受到多種因素的影響，如儀器電源使用時間等，為了縮短測量工作時長，需在不影響測量數據準確度的情況下制定最佳的測量方案?；诖蟮乜刂泣c的配準方法綜合三維激光掃描儀測量工作的性質以及現場控制網的布設要求，任意架設掃描儀，將標靶在控制點上作為特征點便可快速獲得隧道的相關數據。在數據處理過程中需將測量得到的標靶架設高度輸入至大地坐標軟件中，輸入之后再進行點云配準便可。

3.2 數據采集

布設控制點與監測點后則可以定期對被測物體進行掃描。需要注意的是，在獲取數據過程中，需將掃描儀安裝在測站上，并調整好儀器的角度等，將其與計算機相連接，設置好功能參數，再啟動掃描儀，需保證單獨測站之間有部分點云重合。

3.3 數據處理

在掃描時，因為使用的測量設備、測量工作環境和被測物體表面光滑整潔度有所不同，獲得的數據中就會存在不合理的測量數據，主要為噪聲。但是這時噪聲數據的存在會對點云數據的最終處理結果造成影響，為了保證數據處理結果精確，需要對原始數據進行噪聲濾波處理。與此同時，地面三維激光掃描儀獲得的點云數據是將測站作為中心的局部坐標體系下，不同測振測得的點云數據其采用的坐標體系有所不同。若在掃描中設置了多個測站，則需要對多站掃描數據進行整合，使其坐標系統一，為此需進行數據拼接。

4 隧道變形分析

某隧道處于高山峽谷地帶，因為早期的河谷下切速度較慢，后期的下切速率提高，所以整體地形上方較為陡峭，下方趨于平緩，為典型的V型谷。該隧道周邊公路和隧道開挖施工反復進行，對原始山體造成了擾動，并且在長期降雨和積水的影響下，斜坡變形速率加快。為此需加強隧道的變形監測，為后期加固維護提供依據。采用三維激光掃描系統對該系統的變形進行跟蹤監測。該隧道工程采用瑞士徠卡公司ScanStation2三維激光掃描儀進行監測，掃描速率為50000點/s，點位精度在6mm內。該掃描儀掃描視角為360°×270°，可獲得全斷面的點云數據。該工程采樣點之間的間隔距離設置為2mm。

4.1 變形特征

該隧道受到上部坡體下滑推力的影響，造成隧道全段均出現了不同程度的變形或者是損壞，洞形已嚴重擠歪變形。采用徠卡三維激光掃描儀進行掃描獲得隧道點云影響特征或獲得30355477個點云數據。通過點云數據的分析，與原有隧道數據進行比較得出隧道擠壓偏移量，如圖3所示，然后選取典型單面進行隧道變形量值的分析。經過測量和數據對比分析發現，該隧道最大的偏移量為1.08m。通過圖3可知，該隧道發生變形的主要原因是長期受到靠山側坡體蠕滑擠壓作用，且多集中于拱體的上部。拱腿位置由于擠壓和反翹，在距離洞口30～225m位置出現了嚴重的隆起破壞，其中50～180m路段最為嚴重。

4.2 數據對比分析

在2015年3月對該隧道進行二次掃描，獲得點云數據共28357614個，將本次獲得的數據與初次監測數據進行疊加分析得知這一時間段內隧道變形量值為0.012～0.037m。總體的變形量較小，和坡表觀測點的變形情況相似。由于該隧道的埋深較大，高達50m，因此采用三維激光掃描系統可以對該隧道全長進行全面檢測，并及時掌握隧道各個區段和坡體內部的變形情況。

4.3 變形機制

第一，內因。研究區域坡體原巖成分主要為千枚狀板巖和變質砂巖等，層面產狀：N35°W/NE75°～85°，較為陡峭的坡體存在傾倒變形的可能性。河流快速下切，巖體經過卸荷回彈→板梁彎曲→彎折破碎→重力潰狀等發展過程，引發巖體碎裂且碎裂嚴重；第二，外因。公路隧道工程建設過程中需要開挖大量土方，其施工作業也會對周邊土體結構造成影響，破壞了土體結構的平衡，累積性變形速率也會不斷加快。與此同時，在地震的作用下，若山體高速較高且較為陡峭，則高程放大的作用效應會表現得更加明顯，地震動效應的影響也會十分突出。最終造成一定面積內坡體的破壞嚴重，土壤顆粒在地震作用下重組，在自然天氣的影響下如持續降水和地表徑流，土壤應力關系發生改變，蠕變速率加快，最終造成破碎巖體對隧道產生了較大的擠壓效應，隧道最終呈現出擠扁、路面隆起破壞。

5 結語

綜上所述，由于隧道結構較為復雜，長期運行過程中會受到多種因素影響發生變形和破壞，對隧道結構整體的安全性和穩定性造成嚴重影響。為此需要加強變形監測，準確、客觀評估變形破壞程度，為后期的整修加固提供參考依據，編制具有針對性的施工方案。傳統檢測模式工作周期較長，且監測數據不全面，為此采用三維激光掃描系統進行監測，并對數據進行處理，進行隧道變形分析，便于結隧道變形量值和變形特征，分析變形原因。由此可見，在隧道變形監測中采用三維激光掃描系統具有重要意義。

參考文獻

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作者簡介：唐奇軍（1981-），男，湖南長沙人，湖南大地巖土工程勘察設計有限公司工程師，研究方向：勘測設計。

（責任編輯：秦遜玉）