三維激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)控量測中的應(yīng)用

段 磊，羅曉豐，彭學(xué)軍，廖根根，凌 濤，陳 鵬

（1.中鐵五局集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550003；2.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410117）

常規(guī)的隧道監(jiān)控量測方法需要在圍巖上按照一定的間距埋設(shè)測點，采用全站儀、水準(zhǔn)儀、收斂儀等傳統(tǒng)測量儀器進(jìn)行觀測。該方法受施工影響較大、點位容易被破壞、數(shù)據(jù)采用手工記錄不便長期保存，應(yīng)用于工程會帶來諸多不便，因此需要有新的方法和技術(shù)以彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)控量測方法的不足。

三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)方法相比具有非接觸式測量、可高密度采集空間三維點云數(shù)據(jù)等特點，能利用其三維立體全面掃描的優(yōu)勢，結(jié)合云數(shù)據(jù)實現(xiàn)對檢測工程內(nèi)全方位數(shù)據(jù)的采集和形態(tài)的監(jiān)測。將三維激光掃描應(yīng)用到隧道監(jiān)控量測中，測量速度快、無死角，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的不足[1-4]。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法，能夠大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個點的（x,y,z）坐標(biāo)、反射率以及（R,G,B）顏色等信息，這些信息可快速生成1∶1的真彩色三維點云模型，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等工作提供依據(jù)。該技術(shù)具有快速、效益高、不接觸、動態(tài)、主動性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化、實時性強(qiáng)等特點，很好地解決了目前空間信息技術(shù)的應(yīng)用瓶頸[5-8]。

隧道工程本身存在距離長、面積廣的特點，采用三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對隧道的全方位、無死角掃描，并根據(jù)不同時間段采集的數(shù)據(jù)及時掌握隧道圍巖變形情況，以采取有效的施工措施，提升隧道工程質(zhì)量，保證隧道施工安全，因此該方法在隧道監(jiān)控量測中極為適用[9]。

1.2 技術(shù)特點

（1）非接觸式。三維激光掃描技術(shù)采用的是非接觸式高速激光測量方式，與傳統(tǒng)方法相比不需要埋設(shè)測量點，可直接對目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面點的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險、環(huán)境惡劣、人員無法到達(dá)的情況下，一般傳統(tǒng)測量技術(shù)無法完成指定的測量工作，此時三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢明顯。

（2）方便、快捷。三維激光掃描儀具有測量時間快、外業(yè)操作簡單的特性，單站測量時間少于3min，在隧道多工序作業(yè)的環(huán)境條件下，可快速地采集外業(yè)數(shù)據(jù)，不影響正常施工工序。

（3）數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)。三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號，具有全數(shù)字的特征，容易處理、分析、輸出、顯示，而且配套的后處理軟件用戶界面友好，能夠與其他常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接全站儀、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。

（4）覆蓋面廣。三維激光掃描儀具有覆蓋面廣的特點，在沒有障礙物遮擋的條件下，可做到無死角掃描測量，并通過3D可視化效果圖和2D斷面圖，對隧道圍巖的變形分析、超欠挖分析、襯砌厚度等提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2 工程應(yīng)用實踐

鄭萬鐵路巴東隧道全長13553m，是鄭萬鐵路重難點工程，設(shè)3座平導(dǎo)和2座橫洞。其中，出口三號平導(dǎo)位于線路左側(cè)，長度為2044m，受地質(zhì)條件影響較大。該地地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，以Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖居多，圍巖變形較大，且處于強(qiáng)富水區(qū)，地下水有腐蝕性，易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。巴東隧道出口三號平導(dǎo)監(jiān)控量測采用三維激光掃描監(jiān)測技術(shù)對隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 系統(tǒng)組成

三維激光掃描監(jiān)測系統(tǒng)包括三維激光掃描儀、后處理軟件、電腦及附屬設(shè)備。

（1）三維激光掃描儀。根據(jù)隧道工程的特點，隧道為一狹長結(jié)構(gòu)，施工安全步距一般為幾米至幾十米，三維激光掃描儀的掃描精度和密度會隨著掃描距離的增加而下降，隧道內(nèi)選用掃描距離短的三維激光掃描儀即可。該工程三維激光掃描儀選用的是適用于短距離掃描的FARO Focus M70，掃描距離最遠(yuǎn)為70m，實際有效距離約50m。對該隧道工程而言，掃描距離完全適用；且FARO Focus M70價格適中，市場口碑較好，具有較高的性價比。

（2）后處理軟件。該系統(tǒng)后處理軟裝選用的是由南方測繪開發(fā)的PPVision UC，該軟件是隧道測量專業(yè)軟件，功能強(qiáng)大，操作界面友好，更新周期較快，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行修改和定制，能夠?qū)崿F(xiàn)三維立體重現(xiàn)、現(xiàn)場施工定位測量、斷面分析、超欠挖計算與分析、圍巖變形分析、混凝土厚度記錄等功能。

2.2 操作流程

三維激光掃描系統(tǒng)操作流程圖如圖1所示。

2.3 操作要點

（1）根據(jù)現(xiàn)場情況，以遠(yuǎn)離施工機(jī)械為原則，保證掃描范圍內(nèi)無其他干擾物。

圖1 三維激光掃描系統(tǒng)操作流程圖

（2）在儀器前方0.6～5m內(nèi)放置2個球棱鏡，且球棱鏡之間距離≥5m。棱鏡面朝全站儀，背朝掃描儀。用全站儀記錄2個棱鏡坐標(biāo)（此時棱鏡常數(shù)和棱鏡桿高度均需調(diào)為0），保持球棱鏡不動直至掃描完畢。掃描儀測量布置如圖2所示。

圖2 掃描儀測量布置圖

（3）儀器在掃描過程中，禁止車輛和行人通過，以免對儀器造成遮擋，影響掃描范圍。

2.4 成果輸出

（1）生成三維效果圖，如圖3所示。數(shù)據(jù)處理完成后，系統(tǒng)可輸出三維效果圖，通過不同的顏色立體展示隧道不同時段的掃描情況，呈現(xiàn)不同區(qū)域的圍巖變化狀態(tài)，然后對變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計分析，以保證隧道施工的安全。

圖3 三維效果圖

（2）圍巖變形分析。根據(jù)三維效果圖，可沿線路法線方向生成單個里程斷面的圍巖變形分析報告，最小里程斷面間距可達(dá)0.01m/個。生成的不同里程的斷面圖和變化分析圖，可用來分析隧道的拱頂沉降和凈空收斂等，如圖4、圖5所示。

圖4 巴東隧道出口DK612+925拱頂下沉-時間曲線圖

圖5 巴東隧道出口DK612+925周邊收斂-時間曲線圖

3 結(jié)束語

工程應(yīng)用實踐表明，隧道三維激光掃描監(jiān)控量測方法取得了較好的應(yīng)用效果，但相較于常規(guī)的方法，在測量精度方面是否滿足要求，需要在以后的實踐中進(jìn)一步進(jìn)行分析與探究。