三維激光掃描技術在米倉山特長隧道施工中的可行性應用研究

劉 歡，王立娟，裴尼松，趙 鵬，馬 松，肖 夢

(1. 四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610045； 2. 重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

三維激光掃描技術在米倉山特長隧道施工中的可行性應用研究

劉 歡1，2，王立娟1，2，裴尼松1，2，趙 鵬1，2，馬 松1，2，肖 夢1，2

(1. 四川省安全科學技術研究院，四川 成都 610045； 2. 重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

巴陜高速米倉山特長隧道為我國目前在建最長公路隧道，全長約13.8 km。利用三維激光掃描技術高速率、高精度獲取對象表面三維坐標的優勢，對米倉山隧道LJ2標段右線施工過程中的超欠挖、二襯厚度、掘進面爆破效果進行了檢測，并對開挖斷面圍巖周邊收斂和拱頂下沉進行了變形監測。結果表明，檢測段隧道超挖區域比例占到81%，其中超挖0～20 cm的占62%，欠挖0～10 cm的為14%；二襯厚度選取不同里程、相同位置121個位置進行分析，最大厚度0.662 m，最小0.456 m，平均厚度0.564 m；掘進面爆破深度約為3.048 m，爆破方量為254.065 m3；K54+030斷面圍巖周邊收斂6 d最大收斂變形量為9.5 mm，拱頂下沉監測點6 d最大變形量為5 mm。

三維激光掃描技術；米倉山特長隧道；超欠挖；二襯厚度；爆破效果；周邊收斂；拱頂下沉

Abstract： Micangshan extra-long tunnel is the longest highway tunnel under construction in China with the total length of 13.8 km.3D laser scanning technology has the advantages of high-speed and high-precision to obtain the surface of the objects’ three-dimensional coordinates.The technology is used to monitoring and analyzing the tunnel’s overbreak-shortbreak, thickness of secondary lining,blasting effect of tunnel face,rock’s deformation of circumjacent convergence and vault settlement.The results showed that tunnel’s overbreak area is accounted for 81%,0～20 cm overbreak area is accounted for 62%,0～10 cm shortbreak area is accounted for 14% in the experimental section;the biggest,smallest and average thickness of secondary lining are 0.662,0.456 and 0.564 m respectively;blasting depth of tunnel face is about 3.048 m and the rock volume is 254.065 m3;maximum circumjacent convergence deformation and vault settlement are 9.5 mm and 5 mm in K54+030 section during 6 days.

Keywords： 3D laser scanning technology;Micangshan extra-long tunnel;overbreak-shortbreak;thickness of secondary lining;blasting effect;circumjacent convergence;vault settlement

隧道施工過程中要對其超欠挖、二襯厚度、開挖斷面圍巖周邊收斂及拱頂下沉等進行監測，現有監測手段如全站儀、水準儀、測量機器人、探地雷達測量等均存在效率低、不能整體反映隧道形態變化等劣勢。

三維激光掃描技術，又稱為“實景復制技術”，是測繪領域繼“GPS定位技術”后的又一項技術革新[1]。三維激光掃描技術突破了傳統測量中由點到線、再由線到面的單點測量方法，能獲取掃描物體表面的海量三維點云數據，實現了從點測量到面測量的跨越。相較于傳統測量方法，三維激光掃描技術的優勢主要表現在：①數據獲取速率高；②數據精度高；③非接觸測量；④數據信息多元化；⑤數據獲取全面。三維激光掃描技術目前在建筑施工、三維設計、古建筑保護、礦山監測、道路交通、逆向工程、地質巖土工程、林業資源調查等領域都已經廣泛應用并取得了成果[2-4]。

1 米倉山隧道及掃描儀情況

1.1 米倉山隧道

米倉山隧道為特長隧道，是巴陜高速控制性項目工程，橫跨陜川兩省，進口位于陜西省南鄭縣喜神壩鄉小壩，出口位于四川省南江縣關壩鄉，設計為雙線分離式隧道，為我國目前在建最長隧道，隧道全長約13.8 km，左、右線基本等線，線間距為40 m。

1.2 Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀

Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀是德國Zoller+Frohlich公司生產的一款三維激光掃描設備，采用的是相位式激光測距原理，測距范圍為0.3～187.3 m，線性誤差不大于1 mm，共設置了7種掃描模式，其中最優掃描模式0.3 m處的點云分辨率為0.1 mm。

2 外業數據采集

根據米倉山隧道施工流程及進度，前后共進行兩次數據采集工作。

2.1 第1次三維激光掃描數據采集

2.1.1 現場踏勘

測量控制網布設：隧道洞口外有工程施工測量控制點，施測等級分別為平面二等GPS網和高程二等水準網；洞內有施工放樣及監測控制點，施測等級分別為平面三等導線網和高程三等水準網。

隧道掘進：隧道右線由洞口里程K54+526開挖至K54+326處，里程縱深為200 m，其中一襯完成150 m，二襯已完成56 m；開挖前期采用臺階式開挖法，采用光面爆破法進行爆破。

2.1.2 方案制定及數據采集

根據踏勘的情況，決定對K54+526—K54+326已開挖部分進行整體掃描。基于Z+F IMAGER 5010C掃描儀作業方式、儀器性能，考慮到隧道開挖高度、開挖斷面寬度、數據重合度的要求，決定采用全站儀獲取靶標中心位置坐標方法進行各掃描站數據拼接的作業方式，設置儀器數據采集為Ultrahigh-high模式(10 m處點云分辨率為1.6 mm)，20 m設置一個測站。

掃描過程應注意以下3點：①掃描儀的架設高度應合適，以避免障礙物的遮擋及由于掃描激光束與地面夾角過小而造成的數據缺失；②每站應布設3個以上的靶標用于數據拼接，拼接靶標應均勻分布在掃描儀四周，且相互之間具有高度差；③每站掃描完成后，應查看數據是否完整，確保拼接靶標無遮擋。

此次掃描共設站11站，完成了隧道口至掘進面的數據采集。

2.2 第2次數據獲取

2.2.1 計劃掃描內容

計劃掃描的內容：①采集第1次掃描一襯位置的二襯數據，用于二襯厚度檢測；②采集開挖后尚未進行一襯的數據，以結合隧道設計圖進行超欠挖分析；③采集掘進面爆破前、后數據，進行爆破效果分析；④對開挖后、尚未進行襯砌的斷面進行圍巖周邊收斂和拱頂下沉變形監測。

2.2.2 現場踏勘

隧道右線由洞口里程K54+526開挖至K54+023處，里程縱深為503 m，其中一襯已完成約400 m，二襯已完成約350 m；已采用全斷面開挖法向前掘進。

2.2.3 方案制定及數據采集

二襯厚度檢測、超欠挖分析采用與第一次相同的掃描方案，由隧道口掃描至掘進面以采集不同階段的數據；掘進面爆破效果分析，采集爆破前、后兩次掘進面數據；選取K54+030斷面進行圍巖周邊收斂和拱頂下沉變形監測，采集此斷面連續4次、48 h間隔的數據。

變形監測方案制定時需要說明的情況是：掃描儀每站的掃描數據坐標系在未拼接前為以掃描儀中心為原點(0,0,0)的站心坐標系，采用全站儀輔助定向方法進行各掃描站數據配準的作業方法目的是將掃描數據納入統一大地坐標之中，但在變形監測中，需要得出的是變形量，坐標系只需統一則可。因此在K54+030斷面、以掃描儀放置點為中心布設4個固定靶標，用于4次監測掃描數據的拼接，并且以首次掃描數據為基準數據。

此次掃描共設站30站，其中K54+030斷面的變形監測設站4站。

3 內業數據處理

3.1 點云數據預處理

數據預處理是在Z+F Laser Control軟件中進行的。主要有反射率(Intensity)、無效點(Invalid)、距離(Range)、孤立點(Single Pixel)等過濾指標，每個過濾指標也有不同過濾算法可供選擇。對于無法自動過濾的噪音點(如遮擋物等)，則需要手動去除。

3.2 點云數據拼接

目前，市場上的地面式三維激光掃描儀根據其工作方式、原理不同，總結起來有6種數據拼接方法[6-9]：①使用鐵質、紙質黑白靶標；②使用反射球形靶標；③布設測量控制網進行掃描儀絕對定向；④利用高精度全站儀獲取靶標中心位置坐標；⑤利用點云數據特征點、特征面；⑥利用GPS或羅盤進行掃描儀定位。

在本文研究過程中，采用了不同的數據拼接方法。第1次、第2次隧道整體掃描數據的拼接均采用了方法4，坐標系為工程施工坐標系。第2次K54+030斷面的變形監測數據的拼接采用了方法1，坐標系為以首次監測掃描數據為基準的站心坐標系。

3.3 拼接精度

拼接精度見表1。可知，此次試驗過程中靶標最大偏差為3.8 mm，掃描站點為ScanS3，靶標號為Target 11。K54+030斷面變形監測過程中，由于布設了固定靶標，完全規避了全站儀獲取靶標中心位置坐標所產生的測量誤差，數據拼接精度較高，平均偏差僅為0.6 mm，而最大偏差也僅為0.9 mm。

表1 數據拼接精度

通過數據去噪、拼接即可得到隧道三維點云數據。

4 結果及分析

4.1 超欠挖檢測

隧道超欠挖分為超挖和欠挖，超挖即為隧道開挖輪廓線大于隧道設計輪廓線，欠挖即為隧道開挖輪廓線小于隧道設計輪廓線。

選取里程K54+018—K54+028段進行超欠挖分析。根據《米倉山特長隧道施工設計圖》，擬合出隧道中心線及開挖輪廓線，如圖1(a)所示；基于隧道中心線及開挖輪廓線建立超欠挖參考面三維模型，如圖1(b)所示；利用三維激光掃描數據，建立隧道開挖后現狀三維模型，如圖1(c)所示；將參考面模型和開挖后現狀模型進行三維立體疊加分析，利用Deformation-Color Mapping軟件的功能，可直觀獲得此段里程中任意點位超欠挖的程度，如圖1(d)所示。

按10∶1比例進行采樣分析，共有66 923個采樣數據。經統計，K54+018—K54+028里程超挖區域比例占到總體的81%，其中超挖0～20 cm的占62%，欠挖0～10 cm的比例為14%，結果見表2。根據《公路隧道施工技術規范》(JTJ 042—94)對于超欠挖允許值的規定，此段里程隧道超欠挖符合規范要求。

圖1 隧道超欠挖分析

超欠挖范圍采樣點數所占比例/(%)30cm<欠挖<20cm 558120cm<欠挖<10cm2889410cm<欠挖<0cm9326140cm<超挖<10cm219133310cm<超挖<20cm192982920cm<超挖<30cm84331330cm<超挖<40cm3550540cm<超挖<50cm9561

4.2 二襯厚度檢測

截取米倉山隧道里程為K54+465—K54+474段一、二襯點云數據，并生成此段一、二襯三維模型。同樣，利用Deformation-Color Mapping軟件的功能對模型進行三維疊加分析，可獲得此里程段任意點位的二襯厚度，如圖2所示。

圖2 二襯厚度分布

提取不同里程、相同位置的二襯厚度進行統計分析。以1 m間隔截取，共獲取11個垂直截面，并均勻選擇11個不同位置，如圖3所示。

對121個采樣數據進行了統計，結果見表3，得出二襯平均厚度為0.564 m；結果顯示位置3處的平均厚度超過0.6 m；位置11處的平均厚度低于0.5 m；最大厚度為0.662 m，位于K54+466里程3號位置；最小厚度為0.456 m，位于K54+471里程11號位置。

圖3 垂直截面位置

《米倉山隧道兩階段施工圖設計》中二襯厚度的設計值應大于或等于0.5 m，采樣數據的合格率為91.7%。

表3 不同里程、相同位置二襯厚度 m

4.3 掘進面爆破效果分析

爆破深度、爆破土方量能很好地反映出某次爆破效果的優劣，以指導下次爆破鉆孔位置選擇、裝炸藥量的多少等。

爆破前掘進面里程為K54+019，爆破后掘進面里程為K54+016。通過對爆破前、后兩次數據的處理及分析，精確計算出此次爆破土方量為254.065 m3，最大爆破深度為3.048 m，如圖4所示，灰色為爆破前數據，深灰色為爆破后數據，超出重疊部分的數據為實際爆破量。

4.4 斷面變形監測

選取里程為K54+030斷面進行了連續4次、每隔48 h的測量，同時，收集到隧道監理方委托第三方對此斷面所進行的全站儀監測數據，用來與掃描數據進行對比分析，此全站儀數據為前后2次的監測數據，間隔為7 d，與掃描數據起始時間、結束時間、間隔周期基本一致，因此，具有較強的參考性。

圖4 掘進面爆破前后效果

此斷面所在的圍巖等級為Ⅲ級，埋深<50 m，與掘進面距離12 m。根據《米倉山兩階段施工圖設計》關于隧道主洞洞身周邊收斂位移量測、拱頂下沉量測設計，周邊收斂需對6條測線AB、CD、AE、CE、EB、ED進行精確測量，計算出相對收斂值，拱頂下沉需對3個觀測點F、E、G進行測量，點位分布如圖5所示。

4.4.1 周邊收斂

數據分析結果見表4。通過掃描數據可知，隨著時間的增加，前后兩次的變形量逐漸變小，說明圍巖逐漸趨于穩定。《米倉山隧道兩階段施工圖設計》中對隧道周邊允許相對收斂值為：Ⅲ級圍巖、埋深<50 m的隧道周邊允許相對收斂值應小于0.3%，而本次實測數據中最大相對收斂值為CD線段，

0.084 9%，小于0.3%，滿足設計要求。同時，將掃描儀監測結果與全站儀監測結果對比發現，兩組數據具有較強的相關性(PEARSON系數，R=-0.969 9)，最大差值為0.001 7 m，為線段EB。

圖5 斷面變形監測點位分布

線段第1次/m第2次/m第3次/m第4次/mΔ1～2/mΔ2～3/mΔ3～4/m總收斂/m相對收斂/(%)全站儀監測(Δ前～后)/mAB11.477811.471211.470111.46830.00660.00110.00180.00950.0828%0.0010CD11.784811.779511.776911.77480.00530.00260.00210.01000.0849%0.0012AE7.39217.38967.38747.38640.00250.00220.0010.00570.0771%0.0064CE9.26309.25959.25839.25740.00350.00120.00090.00560.0605%0.0051EB7.44347.44137.43927.43860.00210.00210.00060.00480.0645%0.0065ED9.26199.25869.25669.25550.00330.00200.00110.00640.0691%0.0057

4.4.2 拱頂下沉

拱頂下沉主要對F、E、G點在垂直方向的變形量進行量測。數據分析結果見表5。此斷面拱頂下沉最大變形為G點，6 d時間內變形量為5 mm。從整體上看，拱頂下沉呈變緩趨勢，說明圍巖已趨于穩定，如圖6所示。同樣，將掃描儀監測結果與全站儀監測結果對比發現，兩組數據也具有較強的相關性(PEARSON系數，R=0.9758)，最大差值為0.001 2 m，為G點。

圖6 拱頂下沉趨勢

通過斷面變形監測結果可知，三維激光掃描儀不僅能保證與傳統監測手段相近的監測精度，更在于能獲取任意位置的變形信息，大大增強了數據的全面性。

5 結 語

利用三維激光掃描技術，對在建的米倉山特長隧道進行了超欠挖、二襯厚度、掘進面爆破效果、斷面變形監測等分析。研究過程及結果表明，三維激光掃描技術不僅具有與傳統測量技術相當的測量精度， 更具有數據采集效率高、數據全面性強、結果可三維立體化展示等優點，可應用于隧道施工的每一道工序，為其提供更精準、更完備的數據支撐。

[1] 馬立廣．地面三維激光掃描儀分類與應用[J]．地理空間信息，2005，3(3)：60-62．

[2] 徐進軍，張民偉．地面3維激光掃描儀：現狀與發展[J]．測繪通報，2007(1)：47-50．

[3] 梅文勝，周艷芳，周俊．基于地面三維激光掃描的精細地形測繪[J]．測繪通報，2010(1)：53-56．

[4] 謝宏全，侯坤．地面三維激光掃描技術與工程應用[M]．武漢：武漢大學出版社，2013．

[5] 李超．徠卡三維激光掃描技術在鋼結構檢測中的應用[J]．測繪通報，2013(3)：116-117．

[6] 劉守軍，翁國康，楊晶．國產地面三維激光掃描儀解決方案[J]．測繪通報，2013(1)：121-122．

[7] 盛業華，張卡，張凱，等．地面三維激光掃描點云的多站數據無縫拼接[J]．中國礦業大學學報，2010，39(2)：233-237．

[8] 梁建軍，范百興，鄧向瑞，等．三維激光掃描儀球形靶標測量方法與精度評定[J]．工程勘察，2011，39(2)：81-84．

[9] 官云蘭，程效軍，詹新武，等．地面三維激光掃描儀系統誤差標定[J]．測繪學報，2014，43(7)：731-738．

[11] 李健，萬幼川，江夢華，等．基于地面激光技術的隧道變形監測技術[J]．地理空間信息，2012，10(1)：14-17．

[12] 劉燕萍，程效軍，賈東風．基于三維激光掃描的隧道收斂分析[J]．工程勘察，2012，41(3)：74-77．

TheApplicationofThree-dimensionalLaserScanningTechnologyinMicangshanExtra-longTunnelConstruction

LIU Huan1,2，WANG Lijuan1,2，PEI Nisong1,2，ZHAO Peng1,2，MA Song1,2，XIAO Meng1,2

(1. Sichuan Academy of Safety Science and Technology,Chengdu 610045,China; 2. Major Hazard Measurement and Control Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 610045,China)

P237

A

0494-0911(2017)09-0083-05

2017-03-01

國防科工局產業化應用項目(87-Y40G06-9001-15/18);四川省科技廳國際合作計劃項目(2017HH0085);四川省安全生產科技項目(scaqjgjc_stp_201613/14/17/27，aj20170518194207)

劉 歡(1985—)，男，碩士，研究方向為三維，激光掃描技術及其應用。E-mail:liuhuanraul@126.com

劉歡，王立娟，裴尼松，等.三維激光掃描技術在米倉山特長隧道施工中的可行性應用研究[J].測繪通報，2017(9)：83-87.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0293.