基于激光掃描的隧道變形測量與分析研究

苗艷陽

摘 要：近年來，我國隧道工程取得了顯著的成績。相比其他道路工程，隧道工程具有規模大、施工難度高、安全隱患多等特點，其中隧道變形問題最為突出，一般多采用全站儀、水平儀等傳統檢測方法，但此類檢測方法缺點較多，如測量時間長、自動化程度低等，同時無法做到整體隧道變形測量。隨著科學技術的不斷發展，激光掃描技術因其速度快、自動化強、無需接觸等優勢在隧道變形測量中得到了大量使用與推廣。

關鍵詞：激光掃描;隧道工程;變形測量

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0101-02

0 引言

作為一種無接觸的新興檢測技術，激光掃描技術在空間上，能夠對被測物體的表面進行快速掃描，并取得物體各個部位的三維坐標信息，隨后向計算機內導入取得的數據，從而將被測物體的三維輪廓、形態特征迅速重構出來，相比傳統的點測量法，激光掃描技術檢測更全面、速度更快。為此，在隧道內表面、滑坡體等測量工作中，此類檢測方法具有良好適應性。

1 隧道整體變形與局部變形分析

長期通車運營過程中，隧道工程往往會受到土體擾動、沿線施工等因素的影響，從而引發隧道變形，為此，做好隧道變形測量工作極為關鍵。此次將隧道變形分析方法分為兩種，其一為整體收斂變形分析，其二為局部變形分析。

1.1 整體收斂變形分析

由隧道變形機理來分析，收斂變形為隧道的變形形式，后期將逐步向橢圓化發展，產生橢圓化變形的主要原因在于隧道襯砌上施加的荷載不均勻，從而影響隧道變形的均勻性，此外，因隧道襯砌制約，隧道變形前后基本保持相同的周長，這種情況下，也會產生隧道變形，并呈橢圓形狀。

基于隧道變形機理，伴隨時間的不斷增加，受外載荷作用，隧道截面也將發生變化，將由標準圓形向較小離心率的橢圓形轉變，此時擬合隧道斷面數據成橢圓形較為合理。此時，先通過非隧道面數據的分離、濾波處理取得的隧道斷面數據，隨后做橢圓擬合處理。一般可采用代數法進行橢圓擬合，根據橢圓標準方程計算橢圓參數。此時，可將同一斷面兩期截面數據擬合的橢圓長半軸、短半軸計算出來，隨后對不同期次的長半軸差值與短半軸差值進行統計，最終由數據分析隧道整體收斂變形情況。

1.2 局部變形分析

隧道局部變形分析一般是指具體分析隧道某一位置的變形狀態。陳明安研究提出，在0°、90°、180°方向上圓形盾構隧道極易產生變形情況。為了保證隧道正常通車運行，應在安全范圍內合理控制局部變形情況。基于B樣條插值法，能夠將隧道局部信息保留下來，為此，本文在此基礎上，基于MDP三維曲面局部變形分析。針對同一坐標下兩期隧道曲面的顯示結果，假設，未發生變形曲面由藍色點云表示，發生變形曲面由紅色點云表示，以此對曲面變形進行計算，也就是對兩個不同面的點到點的距離進行計算。因為點云數據具有很大密集性，為了加快運算速率，能夠盡量減短隧道徑向插值長度。因此，在計算隧道面變形量時，參考曲面可設為未發生變形的曲面，隨后對變形曲面到參考曲面的數據點與點之間的距離進行一個一個計算，同時，通過MDP方法，將曲面變形量準確計算出來。

2 實驗驗證研究

為驗證激光掃描在隧道變形測量中的效果，決定通過移動式激光掃描技術進行分析，在隧道徑向方向采用激光傳感器等間距對隧道內輪廓進行掃描，掃描起點為隧道口初始位置，在整個區段內掃描線共20條，于此隧道輪廓進行兩期數據采集，未發生變形的原始輪廓掃描數據為第一期，發生變形后的輪廓掃描數據為第二期。在隧道頂部發現塌陷情況;同時，兩側拱腰位置有一定擴張。結合實際情況處理采集到兩期數據，從而獲取變形信息。

2.1 區段收斂性分析

采用激光掃描處檢測，針對采集到的隧道斷面數據，先剔除非隧道面數據，并做濾波處理。隨后進行橢圓形擬合從而取得長、短軸信息，如表1、2所示，通過兩期斷面數據進行橢圓長短半軸值擬合。經計算，可對隧道K+15～K+65之間的收斂擴張情況進行分析，并通過橢圓度計算來對隧道質量狀況進行評價，則計算公式如下：

其中，橢圓度可由θ表示;橢圓長半軸可由a表示;橢圓短半軸可由b表示;標稱半徑可由r表示。

通過表1可見，隧道斷面橢圓擬合長、短半軸之間略有不同，存有差值，這表明進行橢圓形狀擬合具有一定合理性。與第一期橢圓長軸相比，第二期橢圓長軸有所增加，但在短軸方面，則呈減小趨勢，這表明，此區段隧道頂部收斂，拱腰位置擴張。通過上述數據可知，5號斷面為兩期數據長半軸最大差，13號斷面為短半軸最大差。伴隨橢圓程度的不斷增加，大多數斷面橢圓度為1%左右，相比0.6%標準較大，表明K+15～K+65區間具有較大斷面橢圓變形情況，基于此，需及時采取措施進行處治。

2.2 局部變形分析

通過三維曲面局部變形分析，按圖1將兩個曲面向同一三維坐標系轉換，其中第一期斷面數據插值結果由藍色曲面表示，第二期斷面數據插值結果由紅色曲面表示，由此可見，藍色為此區段隧道頂部，紅色為隧道拱腰，從而能夠對隧道收斂、擴張范圍準確判斷出來，通過分析可知，三維曲面局部變形分析結果與整體變形分析所得結果基本相同。在此曲面內，選擇圖中紅圈部分的局部區域，通過三維MDP變形分析法，對曲面變形進行計算，則參考曲面為藍色曲面，從而對紅圈區域內各點與參考曲面之間的距離進行計算，結果如表2所示。

由此可見，31.84mm為兩期數據MDP變形量的平均值，但30mm為實際變形量，因此，可得1.84mm為變形計算誤差值，由此可見，誤差值較小，可滿足要求。

3 結語

綜上所述，伴隨社會經濟的迅速發展，我國公路建設事業發展迅速，公路建設規模持續擴大，越來越多高速公路工程不得不修建在復雜地質下，特別是山區地帶，為了保證施工安全及質量，隧道工程應運而生。隧道工程是修建于山體的一種建筑物，是連接公路工程的重要紐帶。然而，因自然災害等因素影響，如暴雨、山體滑坡、地震等均會產生地質變形問題，從而引發隧道初襯砌變形。隧道變形檢測是一種例行檢查工作，通過測量隧道變形情況，可真實了解到隧道的健康狀況，激光掃描是一種新興的、高精度、高速率、主動性強的隧道變形檢測技術，此檢測技術的應用，能夠克服傳統檢測的缺陷，可快速獲取變形測量數據，保證數據的準確性。

參考文獻

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