三維激光掃描技術在隧道襯砌質量控制中的應用

（廣東云茂高速公路有限公司，廣東 廣州 527221）

在公路建設中，經常需要修建隧道，我國公路隧道施工主要以新奧法為主。在新奧法出現早期，一般認為二次襯砌不是承載結構，僅作為安全儲備提高安全度。深入研究后發現，二次襯砌也是受力的，而且在Ⅳ級及以下圍巖中，其承載比例最高可達41.38%。由此可見，在軟弱圍巖段，二次襯砌也是承載結構。

地質雷達無損檢測法可以確定襯砌厚度和密實度，被廣泛應用于隧道襯砌質量檢測。但地質雷達只能檢測測線附近的局部情況，覆蓋面積十分有限。在襯砌施工作業前后分別對隧道表面進行三維掃描，通過一定算法就可以獲取襯砌的厚度值。三維激光掃描技術的精度、可靠性都有了很大的提高，這使得其在隧道監測檢測中的應用成為行業的研究熱點。本文將主要探討三維激光掃描技術在隧道二次襯砌厚度控制中的應用。

一、數據獲取

（一）設備和研究對象

此次采用的三維激光掃描儀數據獲取速率超過100萬點每秒，50米處精度最高可達0.8mm，是一臺高性能、高精度的旗艦掃描儀，非常適合應用于隧道的高精度監測和檢測。該掃描儀的具體參數如表1所示。

表1.三維激光掃描儀的技術參數

監測對象為廣東省某高速公路隧道。該隧道為分離式長隧道，穿過構造剝蝕丘陵區，地形起伏大，地面標高138.0～342.5m，最大相對高差約204.5m。山體植被較茂密，生長灌木，種植有松樹、杉樹。兩端洞口坡形較陡，最大坡角約45°。根據工程地質調繪成果，隧道第四系覆蓋層及全-強風化層較厚，植被較發育，隧道洞身、出口一帶測得部分節理結構面產狀。

（二）數據采集過程

為便于后續數據處理和分析，需布設控制公共點將點云數據轉換到施工坐標系中。布設好控制點后，用高精度全站儀測出控制點在施工坐標系中的坐標。在隧道內掃描時，先進行全景掃描，再對靶標球進行精掃（高精度、高質量），以提高配準精度。掃描過程中應有人看守靶標球，以避免工人觸摸或誤動使球的位置發生變化，影響后續點云配準精度。

2018年12月12日和12月20日，按上述要求，在相同位置分別對該高速公路隧道初期支護和二次襯砌表面進行了掃描，獲得的數據質量較好。

二、數據處理和分析

（一）點云數據處理

外業掃描完成后，將掃描儀中的數據復制到計算機上并導入點云數據處理軟件。在儀器自帶的數據處理軟件中，對掃描數據進行濾波去噪、靶標提取、點云配準、坐標轉換和數據導出等處理，最終得到隧道表面的三維坐標數據文件。

同時，根據獲取的襯砌表面灰度圖像信息，可以清楚地發現襯砌表面的滲水區域，通過特定的邊緣提取算法可以準確地計算出滲水區域的面積。襯砌表面的紋理特征在灰度圖像上表現得非常詳細，如果有裂縫也可以通過數字圖像處理計算出其位置和長度。

（二）初支數據應用

利用初支掃描的點云數據，經過斷面分析以及和設計二襯內輪廓斷面進行計算可以預測出二襯厚度，防止二襯澆筑后才發現厚度不足，導致返工，從而避免造成巨大的經濟損失。實際施工過程中，業主明確要求必須對初期支護進行掃描，確保二襯能夠達到厚度。預測二襯厚度的具體做法是：

1、根據隧道設計信息計算出某里程s處的斷面中心（拱頂所在圓圓心）三維坐標O（x0,y0,?0）及該斷面的法向量n=(a,b,c)進而得到該斷面的方程：

2、由此可以計算出點云數據中的點到斷面的距離，設定一個閾值

3、為了便于厚度計算，利用斷面中心坐標O（和其法向量n再將得到的點云集轉換到平面坐標系中，判斷斷面中的每一點所對應的設計斷面圓弧，根據式（3）計算預測厚度

式中，(x′,y′)為斷面點云在平面坐標系中的坐標，為設計圓弧的圓心坐標，R為相應的圓弧半徑。

該隧道K39+510處初支斷面的設計厚度為50cm，根據初支點云數據對該斷面處的設計厚度進行了預測，考慮到施工實際情況，將二襯設計斷面外擴了5cm（實際施工中一般預留5cm左右的沉降量）。該斷面處的預測二襯厚度最大為55.8cm，最小為49.6cm，平均厚度為52.1cm，二襯厚度得到了有效保證，可以進行二次襯砌澆筑。

（三）實測二襯厚度

根據二次襯砌澆筑后獲取的點云數據，結合在相同位置掃描的初支表面數據，可以計算出該隧道K39+510處的實際二襯厚度，計算方法與前述方法類似。為了和預測的二襯厚度進行比較，實測二襯厚度值的位置與預測二襯厚度位置相同。

根據實測結果，該斷面處的二襯厚度最大為55.1cm，最小為49.1cm，平均厚度為52.8cm，二襯厚度滿足相關規范要求。

將預測的厚度值與實測厚度值進行對比可以得到表2。從表中可以看出，二次襯砌厚度的預測值與實測值存在一定偏差，但偏差較小，最大偏差僅為3.5cm，說明預測結果比較準確。

表2.實測厚度與預測厚度對比

三、結語

襯砌結構是隧道工程的主體結構，隧道襯砌質量控制是隧道施工管理和運營養護的重要內容，研究隧道襯砌質量檢測和控制的新方法具有重要的理論意義和工程應用價值。應用三維激光掃描技術對隧道二次襯砌前后分別進行掃描，根據兩次掃描所得的點云數據可以計算出掃描范圍內任意斷面、任意點位處的襯砌厚度值；根據掃描獲取的灰度圖像，還可以對襯砌表面的滲水區域和裂縫進行檢測和識別。應用三維激光掃描技術對隧道襯砌質量進行控制和評價，方法簡單，實施方便，內容全面，并且可以為隧道建設和全生命周期養護提供重要的基礎數據。