三維激光掃描技術在隧道變形與斷面檢測中的應用研究

李宗平， 張永濤, 2， 楊 釗, 2， 陳培帥, 2,*， 江 鴻, 2

(1. 中國交通建設集團有限公司, 北京 100088; 2. 中交第二航務工程局有限公司, 湖北 武漢 430040)

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三維激光掃描技術在隧道變形與斷面檢測中的應用研究

李宗平1， 張永濤1, 2， 楊 釗1, 2， 陳培帥1, 2,*， 江 鴻1, 2

(1. 中國交通建設集團有限公司, 北京 100088; 2. 中交第二航務工程局有限公司, 湖北 武漢 430040)

傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測手段主要是對部分點和斷面的數(shù)據(jù)進行提取，存在工作量大、效率低、數(shù)據(jù)少等缺點。三維激光掃描技術可集成隧道安全與質(zhì)量信息，一次掃描即可準確建立隧道三維矢量模型，精確得到隧道的整體變形和輪廓信息。以桐廬隧道為依托，研究三維激光掃描技術在山嶺隧道變形監(jiān)測中的應用，得到以下結論： 當激光掃描入射角大于60°時，掃描誤差急劇增大，可根據(jù)入射角及隧道內(nèi)徑確定最大測站間距； 為降低隧道累計拼接誤差導致的模型整體偏移，應采用首尾控制點雙控技術； 采用單點面域分析法，可提升監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性； 采用點云及模型套接技術，可快速實現(xiàn)對隧道三維變形、支護侵限、二次襯砌厚度的評估，大大提升隧道數(shù)據(jù)采集與分析的效率。

礦山法隧道； 三維激光掃描技術； 變形監(jiān)測； 點云； 首尾雙控技術

0 引言

變形監(jiān)測是隧道及地下工程險情預警的重要手段。傳統(tǒng)監(jiān)測方法以全站儀為代表，通過采集單點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全預警，存在測量工作量大、數(shù)據(jù)量少、效率低、成本高等缺點。三維激光技術可以獲得目標體三維坐標點云信息，準確建立三維矢量模型，實現(xiàn)隧道三維變形監(jiān)測、侵限分析、二次襯砌厚度評估等，近年來被廣泛應用于隧道變形監(jiān)測及質(zhì)量檢測中[1-6]。

國內(nèi)外學者對三維激光技術在隧道工程中的應用做了大量研究。文獻[7]提出采用移動式三維激光掃描儀獲取鐵路隧道的三維數(shù)據(jù)； 文獻[8]給出了三維激光掃描參數(shù)的建議取值，以獲取高質(zhì)量的隧道點云；文獻[9]采用二維建模方法提取隧道橫斷面點云的輪廓線進行變形分析； 文獻[10]將隧道點云擬合成圓柱面，得到隧道的三維規(guī)則網(wǎng)格來測量隧道變形； 文獻[11]采用三角化網(wǎng)格法分析隧道的三維點云，得到超欠挖值； 文獻[12]提出采用三維激光技術擬合圓形隧道形狀，確定橫斷面的相對變形； 文獻[13]提出以原始三維激光掃描點云為輸入源，基于鄰域局部曲面擬合的方法截取隧道斷面； 文獻[14]將三維激光掃描的隧道點云數(shù)據(jù)分割成切片，利用多點坐標平差方法求取切片圓心和半徑，比較擬合的圓環(huán)與設計輪廓確定隧道的收斂變形。已有研究多應用于地鐵圓形斷面隧道，而對多心圓形山嶺隧道三維激光掃描技術應用的研究較少。本文依托桐廬隧道工程(跨度12.82 m，三心圓斷面)，開展三維激光掃描現(xiàn)場試驗，對三維激光掃描技術應用在隧道變形監(jiān)測、斷面侵限及二次襯砌厚度檢測等項目中的關鍵問題進行研究。

1 三維激光現(xiàn)場掃描技術

1.1 基于入射角誤差分析的架站間距分析

三維激光入射角是影響隧道現(xiàn)場掃描數(shù)據(jù)精度的重要因素，入射角與精度成反比。在實際應用中，為減少掃描次數(shù)，一般會增加測站間距，這必然會增大激光入射角，降低精度。因此，確定合理的最大測站間距非常重要。

為分析入射角對精度的影響，在桐廬隧道進行入射角現(xiàn)場試驗(見圖1)。在隧道二次襯砌面上粘貼紙質(zhì)標靶，每張標靶紙間距1 m，誤差與入射角的關系見圖2。可知： 當入射角大于60°時，誤差急劇上升。

圖1 現(xiàn)場試驗相片

圖2 誤差與入射角的關系

Fig. 2 Relationship between monitoring errors and scanning incident angles

如圖3所示，假設架站位于隧道中心軸線上，入射角最大的測點位于點B，可得

θmax= arctan (S/D)。

(1)

式中： θmax為測站掃描范圍內(nèi)的最大入射角，°； S為測站間距，m； D為隧道內(nèi)徑，m。

圖3 測站間距、隧道內(nèi)徑與入射角關系圖

Fig. 3Sketchdiagramofrelationshipamongdistanceofadjacentmonitoringstations,innerdiameteroftunnelandincidentangle

桐廬隧道輪廓最小內(nèi)徑D=12.82 m，代入式(1)，可得桐廬隧道測站最大架設間距S=27.29 m。

1.2 隧道掃描點云整體偏差控制

三維激光掃描需用標靶點進行點云拼接，并基于控制點進行點云坐標系轉換，已有研究表明： 當隧道長度較大時，三維激光技術用于山嶺隧道的誤差較大，監(jiān)測得到的變形規(guī)律與實際情況有較大出入。桐廬隧道現(xiàn)場測試結果表明： 當采用常規(guī)監(jiān)測手段，控制點僅布設在隧道一端時，點云拼接后隧道會發(fā)生整體偏移。分析桐廬隧道4站掃描數(shù)據(jù)(見圖4和表1)， 可知： 首端單側控制點方案下尾部整體偏移較大，檢測點B1偏移至B2，偏移量達14.6 cm，這是由標靶拼接誤差累計引發(fā)的。采取首尾雙控方法，即隧道掃描區(qū)段首尾均布設控制點，可解決隧道整體偏移問題。

圖4 控制點不同布設方法下點云拼接對比

Fig. 4 Comparison of point cloud registration under different layouts of control points

表1 不同控制點布設方法下點云斷面檢測點坐標

在隧道掃描作業(yè)時，應對三維激光掃描儀進行整平，各測站的局部坐標系Z軸均垂直于水平面，坐標體系變換只需4個參數(shù)，即3個平移參數(shù)和1個旋轉參數(shù)。

為減小轉站產(chǎn)生的拼接誤差，測站之間應至少布設2個拼接標靶，為了增加點云精度，拼接點標靶放置位置需相互交錯，避免位于同一隧道斷面上。轉站過程見圖5，具體如下： 1)測站位置。掃描儀架設在隧道中心線上，若測站無法架設在中心線，則距離中心線就近布置； 測站設置必須選擇在穩(wěn)定的地方，嚴禁在不穩(wěn)定區(qū)域安置儀器； 測站間距按式(1)計算。2)掃描步驟。在掃描時首先架設掃描儀及①、②號標靶點，掃描①、②號標靶點，待標靶掃描結束后，進行隧道全景掃描，同時將①、②號標靶向前移動至③、④號標靶位置，全景掃描結束后掃描③、④號標靶點，待③、④號標靶掃描完畢后，保存掃描數(shù)據(jù)，新建測站并將掃描儀搬至下一站，如此重復，直至完成整個區(qū)段掃描。

圖5 標靶布設方法

2 基于點云的隧道整體變形監(jiān)測技術

2.1 隧道三維變形監(jiān)測

傳統(tǒng)的隧道變形監(jiān)測是通過在隧道圍巖或初期支護表面預埋測點，“以點代面”地分析隧道整體變形，但在隧道施工過程中，由于測點數(shù)量有限，易受到破壞，變形監(jiān)測精度會受到較大影響[15-16]。三維激光掃描技術通過對隧道點云的提取和套接，比較相鄰兩次點云數(shù)據(jù)，無需埋設監(jiān)測點即可得到隧道整體變形趨勢。

以20 m隧道點云數(shù)據(jù)為例，進行坐標賦值和噪點去除。選取隧道首尾控制點ZN01、ZN02作為2期點云數(shù)據(jù)的共同控制點，即2期點云數(shù)據(jù)處于同一坐標體系，2點坐標見表2。在隧道監(jiān)控中，以5 mm/d變形為預警閾值，超過閾值部分以紅色顯示，閾值以內(nèi)以綠色顯示。預警點分布和沉降值見圖6，可知： 當日僅有0.042 6%的點變形超過預警閾值，主要分布在拱頂部位，超標點占比較小，且為散狀分布，因而隧道安全狀態(tài)較好。

表2 隧道控制點坐標

(a) 預警點分布

(b) 預警點沉降值

2.2 隧道單點面域分析

在隧道拱頂變形監(jiān)測中，常規(guī)方法是選取少量固定的單點進行隧道拱頂沉降監(jiān)測，受轉站點誤差及測點穩(wěn)固性影響，所測單點沉降速率不穩(wěn)定，且容易出現(xiàn)拱頂上抬趨勢，與實際變形不符； 三維激光掃描技術可獲得隧道三維點云數(shù)據(jù)，點間距可達1 mm左右，通過開發(fā)固定里程區(qū)間面域精準提取軟件平臺，采用正態(tài)分布的方法對面域點云數(shù)據(jù)設置置信區(qū)間，以該區(qū)間平均值作為該區(qū)域拱頂沉降值，由于面域數(shù)據(jù)多，較全站儀單點數(shù)據(jù)更具代表性，可提高測量精度。

在桐廬隧道進行了面域點云精度測試，為保證每日所取面域基本一致，在隧道圍巖或初期支護上安置固定標靶，取圓形標靶范圍內(nèi)數(shù)據(jù)平均值作為當日拱頂沉降值。以距離掌子面10 m處斷面DK100+660為例，監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7，可知： 三維激光掃描儀監(jiān)測數(shù)據(jù)整體較為穩(wěn)定，僅有1 d出現(xiàn)拱頂上抬，且上抬量較小。

(a) 沉降速率

(b) 累計沉降

Fig. 7 Curves of deformation of tunnel crown top at cross-section DK100+660

3 基于點云的隧道斷面檢測技術

初期支護內(nèi)輪廓和襯砌內(nèi)輪廓決定了二次襯砌厚度，同時襯砌內(nèi)輪廓設計斷面是保證隧道運營期功能需求的重要控制標準，因而進行初期支護(超欠挖)和二次襯砌侵限分析以及二次襯砌厚度評估對隧道施工具有重要意義。

3.1 初期支護侵限三維掃描分析

常規(guī)初期支護侵限檢測方法是選取固定斷面進行斷面輪廓分析，本文研究基于Revit軟件，采用三維激光掃描技術，根據(jù)隧道中線和隧道設計橫斷面建立三維模型，采用3D Reshaper軟件將三維模型與初期支護掃描點云進行嵌套，分析提取的隧道初期支護信息。

對桐廬隧道DK116+038～+140段初期支護進行分析(見圖8)，初期支護侵限閾值設置為0，侵限以紅色顯示，未侵限以綠色顯示。結果表明： 該段未出現(xiàn)侵限區(qū)域，94.7%區(qū)域超挖值在0～30 cm，5.32%區(qū)域超挖值在30 cm以上，基本未出現(xiàn)欠挖區(qū)域。

圖8 DK116+038～+140段初期支護侵限信息

Fig. 8 3D diagram of primary support interference at cross-section DK116+038～+140

通過斷面截取，可以得到初期支護最大超挖量、平均超挖量、最小欠挖量等數(shù)據(jù)(見圖9和圖10)。結果表明： 桐廬隧道DK116+038～+140段平均超挖量為13.79 cm； 最大超挖量位于DK116+072處，為31.75 cm； 最小超挖量位于DK116+136處，為13.74 cm。

圖9 DK116+072斷面初期支護侵限分析

Fig. 9 Analysis of primary support interference at cross-section DK116+072

圖10 DK116+038～+140段初期支護超欠挖曲線

Fig. 10 Curves of overbreak and underbreak of tunnel at cross-section DK116+038～+140

3.2 二次襯砌侵限三維激光掃描分析

二次襯砌掃描與初期支護掃描操作相同，分析原理相似，建立隧道二次襯砌三維模型，將模型與二次襯砌掃描點云進行嵌套分析。圖11為桐廬隧道DK99+850～DK100+120區(qū)間二次襯砌侵限分析云圖，二次襯砌侵限閾值設置為0，未侵限以綠色顯示，侵限以紅色顯示，該段二次襯砌未出現(xiàn)侵限。同樣可提取任意里程處二次襯砌斷面信息，里程DK100+104斷面二次襯砌提取數(shù)據(jù)見圖12，可知最大外擴量為14.36 cm、最小外擴量為6.67 cm。

圖11 隧道DK99+850～ DK100+120段二次襯砌侵限信息

Fig. 11 3D diagram of secondary lining interference at cross-section DK99+850～ DK100+120

圖12 DK100+104斷面二次襯砌斷面侵限分析

Fig. 12 Analysis of secondary lining interference at cross-section DK100+104

3.3 隧道二次襯砌厚度評估

隧道二次襯砌厚度是隧道施工質(zhì)量檢測的重要指標，直接關系到隧道的使用安全和壽命。在隧道施工中對初期支護及二次襯砌進行侵限檢測，初期支護出現(xiàn)侵限則二次襯砌厚度會不足，初期支護和二次襯砌均未侵限不是二次襯砌厚度滿足要求的充分條件。因此，有必要對二次襯砌厚度進行檢測。

隧道二次襯砌厚度檢測通常采用地質(zhì)雷達和取芯分析等方法，但工作效率較低，且當天線與二次襯砌未密貼時，檢測結果將產(chǎn)生較大誤差。三維激光掃描技術將二次襯砌掃描點云與初期支護掃描點云在同一坐標系下進行嵌套，以三維色譜圖展現(xiàn)二次襯砌厚度信息，并可以獲取任意位置的二次襯砌厚度檢測結果。圖13為桐廬隧道DK100+606～+668區(qū)間二次襯砌厚度檢測結果，該隧道二次襯砌厚度閾值為50 cm，二次襯砌厚度合格區(qū)域以綠色表示，不合格區(qū)域以紅色表示。由檢測結果可知，該區(qū)間二次襯砌厚度達到了要求，主要在60～75 cm。

圖13 隧道DK100+606～+668段二次襯砌厚度

4 結論與討論

1)隧道為獨特的線性結構，三維激光入射角度對掃描精度影響較大，為降低掃描誤差，建議掃描入射角小于60°，可根據(jù)入射角及隧道內(nèi)徑確定最大測站間距。同時應采用首尾控制點雙控技術，降低隧道整體偏移。

2)采用三維激光點云套接技術，可獲得隧道整體變形三維色譜圖、任意位置的二維斷面圖、任意點的侵限值以及二次襯砌厚度等。采用面域點云優(yōu)化分析技術，可獲得較為精確的隧道單點變形信息，對隧道安全控制具有較大的指導意義。

3)目前三維激光掃描技術應用在實際工程中的主要障礙是點云的數(shù)據(jù)處理，在這方面有待繼續(xù)研究。今后可通過算法優(yōu)化，提升點云處理的效率和精度，實現(xiàn)多站數(shù)據(jù)高精度拼接和點云快速去噪，從而更好地將該技術應用到山嶺隧道的建設中。

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Application of 3D Laser Scanning Technology to Tunnel Deformation Monitoring and Cross-section Detection

LI Zongping1, ZHANG Yongtao1, 2, YANG Zhao1, 2, CHEN Peishuai1, 2,*, JIANG Hong1, 2

(1.ChinaCommunicationsConstructionCo.,Ltd.,Beijing100088,China;2.CCCCSecondHarborEngineeringCo.,Ltd.,Wuhan430040,Hubei,China)

The traditional tunnel monitoring methods have disadvantages such as large workload, low efficiency and little quantity of data collected. The tunnel safety and quality information can be integrated, accurate 3D vector model of tunnel can be established and the integral deformation and contour of the tunnel can be obtained by using 3D laser scanning technology. The application of 3D laser scanning technology to deformation control of Tonglu Tunnel is studied. Some conclusions are drawn as follows: 1) The scanning error increases sharply when the incident angle is larger than 60°. The maximum distance of adjacent monitoring stations depends on scanning incident angle and tunnel diameter. 2) The dual points control technology should be adopted so as to reduce the overall deviation induced by cumulative tunnel registration errors. 3) The accuracy of monitoring data can be improved by using single point domain analysis method. 4) The tunnel deformation, support structure interference and thickness of secondary lining can be detected quickly and the data collection and analysis efficiency of tunnel can be improved greatly by using point cloud and model socket technology.

tunnel constructed by mining method; 3D laser scanning technology; deformation monitoring; point cloud; dual points control technology

2016-04-27;

2017-01-03

李宗平(1971—)，男，安徽金寨人，1995年畢業(yè)于西安公路交通大學，土木工程專業(yè)，本科，教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事隧道與地下工程方面的研究工作。E-mail: 2426811522@qq.com。*通訊作者： 陳培帥， E-mail: ps.chen@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.012

U 452

A

1672-741X(2017)03-0336-06