三維激光掃描技術(shù)在隧道超欠挖施工中的應(yīng)用

侯海元

(廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

近年來(lái)，隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展，各類(lèi)型的隧道越來(lái)越長(zhǎng)、越來(lái)越復(fù)雜。隧道開(kāi)挖是公路、地鐵等大型基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要施工環(huán)節(jié)之一。隧道按設(shè)計(jì)要求開(kāi)挖是隧道施工的關(guān)鍵步驟，不論是超挖還是欠挖都會(huì)延誤工期增加施工成本。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段如全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)量機(jī)器人等均存在效率低的問(wèn)題，都是基于點(diǎn)的測(cè)量不能整體反映隧道形態(tài)變化等劣勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)在業(yè)內(nèi)有“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”的美譽(yù)，是測(cè)繪地理信息領(lǐng)域繼“GPS定位技術(shù)”后的又一項(xiàng)重大技術(shù)革新[1]。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測(cè)量中由點(diǎn)到線(xiàn)、再由線(xiàn)到面的單點(diǎn)作業(yè)模式，能快速獲取被掃描物表面的海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的跨越。

三維激光掃描屬于非接觸性測(cè)量，無(wú)需與被測(cè)物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。另外伴隨著點(diǎn)云處理技術(shù)的快速發(fā)展及軟件使用的簡(jiǎn)便化，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理即可直接使用，大大降低了使用難度，十分適用于隧道施工建設(shè)。目前三維激光掃描技術(shù)在隧道建設(shè)的施工測(cè)量、斷面測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、竣工測(cè)量、三維地理信息系統(tǒng)等方面越來(lái)越受到重視。

1 三維激光掃描原理及應(yīng)用

1.1 三維激光原理

三維激光掃描是從激光測(cè)距儀發(fā)展來(lái)的。單點(diǎn)激光測(cè)距儀出現(xiàn)了50多年，價(jià)格已經(jīng)很便宜，但是只能針對(duì)特定點(diǎn)單點(diǎn)測(cè)距。如果將激光測(cè)距儀安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨著旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，點(diǎn)狀的單束激光就會(huì)測(cè)出一個(gè)截面信息，得到了二維激光雷達(dá)掃描。將點(diǎn)狀的單束脈沖激光，在進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，垂直方向也進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就得到了三維激光雷達(dá)掃描[2]。三維激光掃描儀的關(guān)鍵部件有激光發(fā)射器、掃描控制模塊器、距離測(cè)量模塊、水平發(fā)射鏡和垂直反射鏡等感應(yīng)器[3]，其基本組成見(jiàn)圖1。

圖1 三維激光掃描儀基本組成圖

1.2 三維激光技術(shù)在隧道方面的應(yīng)用

1.2.1 竣工測(cè)量

竣工測(cè)量的主要內(nèi)容包括：超欠挖斷面分析、斷面收斂、侵界檢測(cè)、隧道中心軸線(xiàn)、砌襯厚度、方量測(cè)量、材料用量和工程量分析等。

1.2.2 斷面測(cè)量

隧道斷面測(cè)量主要內(nèi)容包括：隧道中心線(xiàn)生成；隧道斷面參數(shù)設(shè)定(其中包括隧道斷面位置設(shè)置、隧道斷面屬性設(shè)置以及斷面提取位置設(shè)置)；分析成果報(bào)表輸出。

1.2.3 變形監(jiān)測(cè)

隧道變形監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括：全面斷面收斂分析、中心軸線(xiàn)偏差、線(xiàn)路侵界、隧道滲水、裂縫、鋼筋裸露異狀等多種分析。

1.2.4 三維建模

采用當(dāng)前成熟先進(jìn)的三維建模技術(shù)，構(gòu)建項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的三維模型，包括隧道內(nèi)及附屬機(jī)電設(shè)施模型。

2 地面三維激光在隧道超欠挖中的應(yīng)用

隧道超欠挖分為超挖和欠挖兩種形式。當(dāng)隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)大于隧道設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)時(shí)即是超挖；而當(dāng)隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)小于隧道設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)時(shí)即是欠挖[4]。想要判斷隧道是否超欠挖，首先需要計(jì)算隧道的設(shè)計(jì)面積，然后計(jì)算實(shí)際開(kāi)挖后截取斷面的面積。控制超欠挖主要是開(kāi)挖輪廓線(xiàn)(或周邊孔線(xiàn))的精度要控制好。由于測(cè)量錯(cuò)誤引起的超欠挖在隧道施工中將是致命的，必須規(guī)避此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)[5]。

某隧道采用爆破的形式開(kāi)挖。開(kāi)挖后在洞壁上布設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后再?lài)娚渌酀仓?lái)完成一襯，一襯和二襯之間還有40 cm的支護(hù)厚度，一襯結(jié)束后要保證二襯的水泥厚度。所以一襯的水泥襯砌厚度要得到控制，超挖沒(méi)有問(wèn)題，欠挖區(qū)域需要鑿下去。在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中采用三維激光技術(shù)進(jìn)行隧道超欠挖分析，既能保證測(cè)量放樣隧道中線(xiàn)和標(biāo)高的準(zhǔn)確性，也能定制化分析結(jié)果輸出，方便了施工管理。主要作業(yè)步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。項(xiàng)目中采用一臺(tái)相位式三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，測(cè)距范圍0.3～187.3 m，采點(diǎn)速率：101.6萬(wàn)/s；內(nèi)置相機(jī)：全景8 000萬(wàn)像素(HDR技術(shù))；掃描視角：360°×320°。

三維激光掃描儀作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用全站儀獲取標(biāo)靶的絕對(duì)坐標(biāo)，輔助后期三維激光掃描數(shù)據(jù)的絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用設(shè)備自帶的LASER CONTROL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要進(jìn)行站點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接、去噪、絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、各種常見(jiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)出等預(yù)處理工作。軟件界面如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云處理軟件界面圖

(2)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)套合。主要完成設(shè)計(jì)斷面和設(shè)計(jì)中軸線(xiàn)的套合工作。具體而言首先將隧道的一襯設(shè)計(jì)斷面從CAD中提取出來(lái)，做成一條閉合的多段線(xiàn)(主要是為了在3DReshaper中制作閉合的設(shè)計(jì)模型)，通過(guò)道路設(shè)計(jì)要素(道路設(shè)計(jì)要素一般都是由設(shè)計(jì)院給出的，包括平曲線(xiàn)要素表、豎曲線(xiàn)要素表、斷鏈表)來(lái)計(jì)算逐樁表，然后在CAD中生成設(shè)計(jì)中軸線(xiàn)(見(jiàn)圖3)。

圖3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)套合效果圖

(3)隧道斷面檢測(cè)和隧道超欠挖數(shù)據(jù)處理。將設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)中軸線(xiàn)、實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)套合在一起，按照設(shè)計(jì)中軸線(xiàn)進(jìn)行切片，在斷面上顯示按照設(shè)計(jì)模型的法線(xiàn)方向計(jì)算設(shè)計(jì)模型和實(shí)測(cè)模型之間的距離。通過(guò)設(shè)置斷面切片間隔、起始里程值、超欠挖色譜等，對(duì)比結(jié)果導(dǎo)出.dxf格式數(shù)據(jù)文件。斷面數(shù)據(jù)可清晰反映各個(gè)區(qū)域的變形量，方便分析和評(píng)估變形帶來(lái)的安全隱患(如圖4所示)。通過(guò)設(shè)定不同的闕值來(lái)控制顯示區(qū)域的面積和顯示顏色，定量并且直觀(guān)地分析出與施工質(zhì)量相關(guān)的一些問(wèn)題，作為對(duì)施工質(zhì)量把關(guān)的一種參照。此外，也可以按照里程方向依次顯示隧道超欠挖體積，并以標(biāo)簽方式定量顯示。

圖4 3D隧道超欠挖分析色譜定量分析圖

(4)隧道對(duì)比檢測(cè)結(jié)果和隧道超欠挖體積分析成果和報(bào)告導(dǎo)出。利用3DReshaper軟件制作形式多樣的分析成果報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行報(bào)告的定制化輸出，方便施工單位和監(jiān)理單位進(jìn)行施工質(zhì)量檢查，指導(dǎo)后期對(duì)欠挖區(qū)域進(jìn)行處理。例如根據(jù)施工單位需要，將隧道欠挖區(qū)域的坐標(biāo)值和欠挖體積量導(dǎo)出到EXCEL，方便以后在實(shí)地指導(dǎo)施工中使用；將軟件分析出來(lái)的欠挖區(qū)域的坐標(biāo)用標(biāo)簽的形式標(biāo)注以指導(dǎo)施工作業(yè)；將斷面對(duì)比成果導(dǎo)出成DXF文檔，作為監(jiān)理方檢測(cè)成果資料等(見(jiàn)圖5)。

圖5 超欠挖體積分析展示圖

3 結(jié)語(yǔ)

利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)在建隧道進(jìn)行超欠挖分析，結(jié)果表明：

(1)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)不僅可以保證設(shè)計(jì)施工所要求的測(cè)量精度，更具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)全面性強(qiáng)、結(jié)果可三維立體化展示等特點(diǎn)。

(2)使用3DReshaper軟件制作形式多樣的分析成果報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行報(bào)告的定制化輸出，應(yīng)用于隧道開(kāi)挖相關(guān)的施工流程，可以為隧道超欠挖分析提供更完備、更精準(zhǔn)、更多樣化的數(shù)據(jù)服務(wù)。

(3)三維激光掃描技術(shù)不僅有效地提高了測(cè)繪作業(yè)的效率，而且提升了隧道施工測(cè)量的安全性。

隨著我國(guó)對(duì)隧道建設(shè)質(zhì)量要求的日益提高和對(duì)工程安全意識(shí)的日漸重視，三維激光掃描技術(shù)必將成為一種重要的隧道測(cè)量技術(shù)手段。