三維激光掃描技術在公路軟弱圍巖隧道變形監測中的應用

摘要：隧道軟弱圍巖段落的質量控制決定了結構安全和項目投資。傳統監測方法以有限點代表斷面，難以發現隧道變形的區域分布和變形特征，無法精確解決隧道超欠挖、初支二襯侵限的難題。為提高隧道施工質量控制水平，文章以某高速公路隧道為例，引入三維激光掃描技術，實景復刻隧道點云模型，分析對比實測模型與設計輪廓差異，為隧道變形監測與質量評定提供依據。

關鍵詞：三維激光掃描；點云；公路隧道；軟弱圍巖；質量分析控制

中圖分類號：U456.3+1

0 引言

截至2021年末，我國交通運輸行業實現了高質量發展，公路總里程達528.07×104 km，其中高速公路里程16.91×104 km，二級及以上等級公路里程72.36×104 km，實現了“十四五”良好開局，為做好“六穩”“六保”工作提供了重要的交通運輸支撐［1］。

隨著交通建設的持續推進，公路越來越向偏遠地區和山區丘陵發展，隧道建設的規模越來越大。據不完全統計，截至2021年4月，我國在建的10 km以上超長公路隧道為17條。隧道建設面臨的軟巖大變形、活動斷裂、超高壓富水斷裂等不良地質問題十分突出，造成的隧道初支侵限、二襯開裂、路面隆起、突水涌泥等案例時有發生。因此，開展快速、全面、準確的隧道變形監測工作，核查支護結構的規范性和穩定性，嚴格控制施工質量，動態指導設計施工，有利于提升隧道品質、保障施工安全。

1 隧道變形監測方法

1.1 傳統人工監測

隧道洞內變形監測主要包括拱頂下沉、拱腳變形、凈空收斂、中隔墻變形等，一般采用全站儀進行人工觀測［2］。步驟為：選取代表性斷面、設置監測點、埋設靶標、全站儀測量、人工計算與設計斷面的差值、出具監測報告。典型監測斷面布置和靶標實物見圖1。

傳統人工監測流程復雜、效率低下、測點稀少、內業繁重，所采數據為一系列離散坐標，不能完全反映隧道支護的真實形態，無法精確提示隧道超欠挖區域及方量，質量分析把控效果有較大提高空間。

1.2 三維激光掃描

三維激光掃描技術（3D laser scanning technology）是近年興起的一種先進的、全自動高精度立體掃描技術。利用高速激光掃描測量的方法，可大面積、非接觸、高分辨率地快速獲取被測對象表面的（x，y，z）坐標、反射率、（R.G.B）顏色等數據信息，為快速復建出1∶1真彩色三維點云模型提供的一種全新技術手段［3］。其突破了傳統的單點測量技術，以點云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數據［4］，可快速重構目標模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標的數據，再現客觀事物真實的形態特性。目前，三維激光掃描技術已在公路隧道、地鐵隧道、暗涵檢測、礦山溜井、邊坡工程等［5-9］場景中應用，取得了很好的精細探測效果和輔助分析功能。

三維激光掃描主要分為固定式掃描和移動式掃描，均可以得到高精度的隧道點云模型。天寶SX12掃描機器人屬固定式掃描儀，具有便攜、高精度、免拼接、易操作等特點，其執行流程為：現場架站、測站設立或后方交會確定坐標系統、自動掃描、導出數據、點云去噪、分析報告生成。

2 工程概況

某高速公路隧道全長2 038 m，隧道最大埋深約173 m，為小凈距-分離式雙線雙洞隧道。隧道屬剝蝕中低山地貌，地形起伏較大，地面高程在830～1 200 m，相對高差約370 m。受斷層影響，隧道區巖體裂隙很發育，巖體多呈破碎-較破碎狀態，Ⅴ級圍巖占比約37%，Ⅳ級圍巖占比約48%。地下水主要為基巖裂隙水，局部富水可能引發突水突泥現象。

施工開挖揭露圍巖顯示巖體破碎，節理裂隙發育，以強-中風化砂巖夾泥巖、頁巖為主，為軟弱圍巖。隧道總體軸線方向182°～209°，局部地段發育小型背斜、向斜構造，導致巖層發生反轉，產狀多變。隧道施工期間，多次發生圍巖大變形、冒頂塌方、裸洞超挖、混凝土超灌等情況，隧道洞內監測工作尤為重要。

施工過程中采用全站儀進行人工監測，觀測隧道初期支護、二次襯砌的凈空和變形，但限于儀器的工作效率和工作模式，未能準確快速判定隧道是否存在局部大變形。利用三維激光掃描技術可建立隧道開挖點云模型，與設計模型實時對比，可精準掌控開挖過程中的超欠情況，計算超欠挖工作量，以降低人工成本、提高管控精度、提高工作效率。現場發生局部冒頂后，采用天寶SX12掃描機器人實景復刻隧道初支輪廓，以查明初支結構變形范圍和變形規律，同步掃描隧道二襯輪廓，檢測二襯是否存在局部侵限的情況。主要采用TBC（Trimble Business Center）三維激光點云處理軟件對掃描數據進行分析，隧道點云模型和設計模型見圖2。

3 三維激光監測分析

3.1 初期支護變形分析

隧道的初期支護與圍巖緊貼，其位移和穩定狀態直接反映了圍巖的對應特征。在軟弱圍巖區段，初期支護易發生侵限、剝落、掉塊等現象，不僅極大影響施工安全，降低支護質量，還會減少二次襯砌厚度，為隧道安全留下隱患。

以隧道K1+948～K1+982段的Ⅴ級圍巖段為例，通過實測點云與設計模型對比（圖3），間隔1 m提取初支橫斷面。各斷面在隧道縱向上變形程度有所差異，其典型情況有4種：整體侵限、局部侵限、洞壁坑洼和洞壁平整，代表性橫斷面見圖4。

針對K1+948～K1+982初支段，以拱頂為0值，左邊墻方向為負值，右邊墻方向為正值，在隧道周長上進行點云縱向展開，從小樁號向大樁號進行點云橫向展開，繪制隧道初支侵限展開如圖5所示，結合橫斷面分析隧道各區段的初支侵限情況。

圖5顯示，隧道在K1+952～K1+956近二襯段存在初支侵限情況，最大侵限值為7.2 cm，平均侵限值為4.7 cm，侵限面積為3.2 m2，侵限體積為0.15 m3，系因軟弱圍巖變形擠壓初支，超出預留變形量所致，后續段落二襯施作時機應適當提前；其他段處于初支正常變形范圍，未出現侵限現象。

3.2 二次襯砌形態檢測

隧道施作二次襯砌后，洞壁防護措施完成。在軟弱圍巖、富水區段，可能存在應力集中導致二襯受壓變形，局部凈空不滿足規范要求的現象。全面檢測隧道二襯形態，可以圈定侵限區域、分析應力集中原因，為隧道洞壁補強提供依據。

以隧道K1+610～K1+800段的Ⅴ級圍巖段為例，通過實測點云與設計模型對比（圖6），間隔5 m提取二襯橫斷面，代表性橫斷面見圖7。由圖可知，隧道在K1+650～K1+675段存在二襯局部侵限現象，主要集中于隧道的左拱肩處，該處產狀方向與洞壁方向接近垂直，最大侵限值為2.8 cm，平均侵限值為1.5 cm，侵限面積為9.2 m2，該區域圍巖極破碎，建設過程中曾發生過多次冒頂現象；其他區域未見侵限情況，隧道二襯整體質量良好。

3.3 開挖裸洞質量評估

該隧道淺埋段采用機械掘進，深埋段采用上下臺階法分段爆破開挖，炸藥量的使用直接影響成洞效果和噴射混凝土方量，關系到隧道整體結構安全和項目經營的成本控制。

以K1+984.0～K1+985.5段的一次上臺階爆破為例，通過實測點云與設計模型對比（圖8），間隔0.1 m提取裸洞橫斷面，代表性橫斷面見圖9。結果顯示，本次爆破中隧道裸洞的超挖情況明顯，最大超挖值約40 cm，平均超挖值約20 cm，超挖區域主要集中在左拱肩和右拱腳，該處產狀方向與洞壁方向接近垂直。根據本次爆破情況，建議重新研究爆破布置和炸藥量，使爆破裸洞與設計斷面盡量貼合，高效利用圍巖自身強度，節約初支混凝土用量。

4 結語

本文以某軟弱圍巖高速公路隧道為例，通過三維激光掃描技術實景復刻隧道裸洞、初支、二襯全階段點云模型，將實測點云與設計模型對比分析，為隧道建設的變形監測和質量控制提供充分依據，得到如下主要結論。

（1）該隧道初期支護存在局部侵限、不平整等質量問題，在K1+952～K1+956段平均侵限值為4.7 cm，后續可適當提前開展二襯施作，避免初支變形過大，保證二襯厚度。

（2）該隧道二次襯砌存在局部侵限問題，主要集中在K1+650～K1+675段的左拱肩處，平均侵限值為1.5 cm，系因該段圍巖極破碎，區域應力較大所致。

（3）該隧道開挖裸洞存在超挖問題，最大超挖值約40 cm，超挖區域主要集中在左拱肩和右拱腳，后續施工應重新調整爆破布置方案和鉆孔裝藥量，盡量減少超挖，節約項目成本。

參考文獻

［1］交通運輸部. 2021年交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］.https：∥www.gov.cn/xinwen/2022-05/25/content_5692174.htm，2022.

［2］DB45/T 1958-2019，公路隧道監控量測技術規程［S］.

［3］胡玉祥，張九宴，張洪德，等.三維激光掃描技術在地鐵隧道工程中的綜合應用［J］.城市勘測，2020（5）：137-141.

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［8］李在利，李杰林，李光全，等.基于三維激光掃描精細探測的溜井破損特性及穩定性分析［J］.中國鉬業，2023，47（2）：16-21.

［9］丁延書.基于“ＢＩＭ＋三維激光掃描”的逆向模型重構仿真分析技術在高邊坡及隧道施工中的應用［J］.公路，2020，9（9）：55-59.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：韋夢賢（1991—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作。