三維激光掃描儀在高鐵隧道施工中的應用

顧漢廣

摘要：三維激光掃描儀掃面精度高、檢測效率高、數字化程度高，本文結合張吉懷鐵路魯家莊隧道施工為例，介紹三維激光掃描技術在高鐵隧道施工中的應用，為以后的高鐵隧道超欠挖控制提供指導。

Abstract： The 3D laser scanner has high scanning accuracy， high detection efficiency and high digitization. This paper combines the construction of the Lujiazhuang Tunnel of Zhangjihuai Railway as an example and introduces the application of 3D laser scanning technology in the construction of high-speed railway tunnels， to provide guidance for undercutting control.

關鍵詞：三維激光掃描;山嶺隧道;超欠挖

Key words： 3D laser scanning;mountain tunnel;over-undercut

中圖分類號：P234.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0270-03

0? 引言

隧道施工中的超欠挖控制一直是隧道施工必不可少的控制環節，隧道超欠挖的控制好壞不僅直接影響到現場施工質量，更與施工單位的經濟效益密不可分，及時的測量分析現場隧道超欠挖情況，控制超挖，節約成本的同時，杜絕因欠挖引起的二襯厚度不足等質量問題。本文結合三維激光掃描儀在現場隧道施工中的應用情況，為以后的隧道超欠挖控制測量提供參考。

1? 三維掃描儀原理

三維激光掃描是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。三維激光掃描系統包含數據采集的硬件部分和數據處理的軟件部分。根據其測量方式，三維掃描儀又可分為脈沖式和相位式。

2? 傳統測量手段與三維激光掃描對比

①傳統測量采用全站儀對隧道開挖輪廓進行測量，獲取的為單點數據，通過對數據分析與設計開挖輪廓作出對比，得出隧道的超欠挖情況。由于受儀器和分析軟件的限制，存在著工作量大，數據分析不全面，無法滿足現有施工工藝要求，測量點位不密集，點位間隔過大，雖然所測點位未存在欠挖，但是點位間隔間存在的欠挖無法及時發現，從而而造成欠挖位置未能及時發現。

②三維激光掃描儀可連續、自動、快速的收集大量的目標物表面三維點數據，即點云（Point Clouds），因此相較傳統測量有許多優勢，如1）數據獲取速度快，實時性強;2）數據量大，精度高;3）主動性強，能全天候工作;4）全數字特性，信息傳輸、加工、表達容易。它的工作過程實際上就是不斷的數據采集和處理過程，通過具有一定分辨率的空間點所組成的點云圖來表達系統對目標物表面發的采集結果。

3? 三維激光掃描儀技術參數

三維激光掃描儀通過發射的不可見激光束對物體表面進行快速測量，主要技術參數如下：方法：相位式掃描，單站最大掃描距離270m，最小射程：0.3m，線性誤差：≤1mm，分辨率范圍：0.1mm，數據采集速率：≤1.016.00 Pixel/s[1]，數據掃描分辨率：垂直視場：320°，水平視野：360°，垂直分辨率：0.0004°，水平分辨率：0.0002°，雙軸補償器：分辨率0.001°測量范圍：±0.5°，精度：<0.007。

4? 現場應用工程實例

4.1 工程概況

新建張家界至吉首至懷化鐵路ZJHZQ-9標段魯家莊隧道為雙線隧道，起訖樁號為：DK202+060～DK204+295.27，全長2235.27m，洞內單面上坡，最大埋深約90m。隧道進口段巖層傾角教緩，節理裂隙發育，巖質差，開挖易坍塌掉快，圍巖級別較低。

4.2 現場數據采集

三維掃描儀隨意架設于隧道內，儀器架設完成后對標靶進行擺設（為保證掃描精度，標靶數量不少于三個），通過全站儀對標靶中心進行點位坐標采集。（見圖1）

4.3 模型處理

通過瑞士萊卡廠家生產的Cyclone+HdsAnalyzer軟件對設計線路進行全線建模，由于后期數據量大，為保證處理速度，對隧道進行分段建模，建模后的設計三維數據模型（見圖2）對原始掃描的點云數據進行去噪，對影響數據精度的測量點進行刪除，從而保證測量數據的準確性。將降噪后的測量數據與建模數據進行對比（見圖3），附著隧道全斷面超欠挖數據（見圖4），后導出隧道每個斷面超欠挖CAD圖（見圖5）。

5? 數據分析過程與成果應用

首先通過Cyclone軟件對兩站以上含兩站原始點云數據進行拼接（單次測量無需拼接）。將全站儀測量的標靶坐標帶入原始點云數據中，將相對坐標轉換為絕對坐標，建立統一坐標系下的modelspace模型，然后對拼接后點云數據進行降噪處理，先進行粗略處理噪點，然后將降噪后的點云數據用Limit Box進行細部數據去噪，進一步處理表面的噪點生成點云模型，與設計斷面模型進行匹配對比，分析出隧道的具體超欠挖情況，根據使用要求（設定橫斷面間隔0.2m，縱斷面間距1.0m）對分析數據進行導出。

測量工程師根據導出的斷面數據分析斷面每個點的超欠挖情況，形成交底資料交由現場工程師或技術人員（見表1），現場技術人員帶領現場負責人員根據交底資料將欠挖點情況用紅漆標記在初支混凝土面上，后采用銑刨機或人工鑿除夯實進行處理，以滿足現場二襯混凝土施工要求（見圖6）。處理結果由測量工程師采用全站儀或者三維激光掃描儀進行復測，形成閉合后方可進行二次襯砌施工。

該施工工藝及處理方案可從根本上控制隧道的超欠挖，在做到節約成本的前提下滿足現場施工質量及二襯厚度要求。

6? ?結束語

通過與傳統方式對比，結合現場的應用情況，三維激光掃描儀的在隧道超欠挖控制方面具有更準確、快速、全面的特點，對隧道的超欠挖控制也更全面，避免了因傳統測量存在盲區導致的欠挖不能發現的弊端。

隨著科技的發展，三維激光隧道掃描將更廣泛的應用于高鐵隧道的施工，為高鐵隧道的施工超欠挖控制帶來一次全新的技術改革。隨著應用技術的成熟，也將更廣泛的應用于其他領域。

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