全斷面檢測掃描儀技術研究

袁金寶

中鐵隧道局集團三處有限公司 廣東深圳 518000

1 隧道測量現狀

目前國內施工地下隧道工程的建筑企業，在隧道測量放樣過程控制中普遍采用全站儀，全站儀具有操作簡便、靈活，測量精度高，效率快等特點，在隧道施工線型、標高方面等控制運用廣泛，但全站儀測量也有其局限性，因為其對點位的測量精度非常高，而我們在隧道斷面侵限測量（尤其是隧道初期支護斷面）時，使用全站儀測量僅能對目測有鼓包的部位進行打點測量，或認為操作一定的縱環向間距進行測量并采集數據，所得到的數據具有局限性，不能全面反映測量段內斷面的侵限情況，容易造成局部漏測而產生的侵限，以及二襯施工后的欠厚等質量缺陷。精度更高、更快速的過程控制設備的引入，勢在必行。

2 FARO Focus3D-X70 3D全斷面檢測掃描儀簡介

經多方調研，我單位采用FARO Focus3D-X70全斷面檢測掃描儀，作為初支表面超欠挖的過程控制設備，該設備中硬件采用的是美國法如機身，軟件部分采用的是瑞士生產的安伯格后處理軟件系統，這套系統具有快速、精度高、成果直觀三大特點。

（1）快速：3分鐘即可完成一段隧道全斷面掃描（一般有效距離以儀器中心前后15米為佳）。

（2）精度高、范圍廣：以每秒100萬次的點云掃描，精度為點間距2mm（最高精度可達0.6mm），單次工作最大測量洞長為70m。

（3）成果直觀：在電腦展開的2D圖中我們設置綠色為不侵限，黃色為不超不欠，紅色為有侵限部分。掃描后現場在電腦上可以通過顔色直觀看到整個隧道斷面有無侵限情況。具體操作流程如下圖所示。

（4）襯砌混凝土方量把控：通過對隧道輪廓的掃描數據自動采集與設計輪廓線進行分析和計算，能精確計算出本段二襯需要的砼方量（可精確值0.5m3）。對下一步的砼用量提供了數據支持，提高了管理效率和生產效率。

3 工作流程

3D全斷面檢測掃描儀欠挖檢查處理流程圖

（1）測量組對本循環的開挖輪廓線進行放樣，在開挖結束后，采用3D掃描儀對開挖斷面進行掃描檢查，數據導入電腦之中進行處理，2D、3D成像檢查，保留好斷面數據。若存在初支斷面侵限，架子隊立即組織對侵限部位進行處理，待處理完成后再次進行復核[1]。如果有超挖，則保留好相應的數據，用做后續工序的材料消耗驗證和材料消耗考核。

（2）檢測小組復測無侵限后，再次出具書面技術交底，由檢測小組負責人、架子隊隊長、技術主管共同簽認后現場方可進行轉序作業。隧道在施作防排水系統即鋪設土工布前必須完成初支斷面的全斷面掃描工作，確保初支斷面無侵限現象；斷面確定沒有侵限后開始進行下一工序施工。

（3）初支全斷面檢測由架子隊技術主管提前（即仰拱施工完成后的初支段均可）向全斷面檢測小組報檢。

（4）檢測小組在接到架子隊報檢后24h內組織人員到場進行初支斷面檢測，同時將檢測結果向現場負責人、架子隊隊長、架子隊技術主管等進行書面交底。

（5）初支噴射混凝土施工，在噴射混凝土施工過后，各作業單元對噴射混凝土進行統計，對比，將混凝土消耗量提交給工作小組，工作小組根據設計及交底數據做出對比分析，計算出混凝土節超，判斷初支是否存在空洞。

（6）現場初支驗證孔驗證疑問部位是否真的存在空洞，根據驗證結果及時處理初支空洞，為后續的二襯施工提供保障。

4 管理方法

4.1 組織機構

中鐵隧道集團興泉鐵路XQNQ-5標項目經理部為一級機構。成立以項目總工為組長，測量主任、3D測量掃描隊人員為副組長，各架子隊主管、技術員為組員的隧道3D全斷面掃描系統管理小組，負責對本項目已經施工的初支面進行全覆蓋檢測，并按照程序及時上報資料，確保二襯施工前初支欠挖檢測工作已結束。

領導小組下設辦公室（設在項目部工程部），歸口管理測工作；項目部工程部、安質部、現場負責人和技術負責人，負責對重大異常情況的施工方案進行研究，并作為隧道實施性施工組織設計和隧道測量工作實施辦法的重要組成部分。

4.2 考核制度

隧道3D全斷面掃描系統作為本項目的重點關注工作，為確保該項工作的順利推進，特制定以下考核辦法：

⑴3D掃描儀屬貴重、精密儀器，為了使測量儀器保持良好狀態，3D掃描儀儀器實行統一管理，專人負責。對于人為原因造成儀器損壞，可根據損壞程度給予當事人維修費用10%～20%的處罰。

⑵對于檢查發現二襯已經施工，但未出具相應簽字完善的3D掃描資料時，對于3D掃描測量隊長、對應架子隊測量主管、技術主管予以每人500元/組的處罰。

⑶以第三方檢測結果為準，根據每次檢測范圍，給予本系統相關組織人員相應的考核[2]。

5 3D掃描數據應用

借助該套設備的工作機制，通過對開挖斷面和初支斷面掃描結果進行擬對，可對初支砼厚度進行驗證、通過對防水板鋪掛完成的斷面進行掃描，可對防水板鋪掛質量進行檢查、通過對初支斷面和襯砌施工完成的內凈空斷面掃描結果擬對可對襯砌厚度進行初步驗證、通過對襯砌內凈空斷面檢測數據，可對模板臺車變形情況進行檢測、通過防水板和初支凈空斷面檢測數據，分析防水板托空數據。上述幾項研究結果，對襯砌厚度、防水板鋪掛、襯砌臺車施工情況，提供真正意義上數據指導，但針對開挖面掃描，在某些工法下存在一定的局限性：

5.1 臺階法單次開挖進尺短(0.6～0.8m)和圍巖較差段落（存在掉塊、滲水等）開挖面掃描施工開展難度大，無法實行

受工法和圍巖條件制約，單次開挖距離短（0.6～0.8m），掃描段落被已施工完成的初期支護遮擋，無法進行掃描；若儀器架設在開挖段正下方，開挖臺架須進行挪動，且儀器架單次架設時間為15min（再無設備等因素干擾下），對施工循環時間影響較大；同時圍巖穩定性較差段，未初噴前進行測量，拱頂掉塊兒或滲水對測量人員和設備存在安全隱患。

5.2 全面段開挖段實行的限制條件

⑴為保證斷面掃描正常進行，開挖臺架須進行挪動；儀器架單次架設時間為15min（再無設備等因素干擾下），對施工循環時間影響較大；

⑵單次開挖長度為3m，初支厚度為8cm。掃描時須將儀器置于待掃描段落后方15m。

6 現場實際應用效果

結合第三方襯砌無損檢測分析情況來看，在引入該設備后，我標段隧道由于初支面欠挖造成的襯砌厚度欠厚現象，大大降低，大部分隧道口現階段實現了零欠厚，控制效果顯著。

7 3D掃描儀的研究成果

7.1 掃描參數確定

單次工作精度最優：測量洞長為35m，覆蓋網格大小為5cmx5cm。

7.2 首次測量限制條件

在隧道口首次進行測量時，因防水板臺架在臺車正前方，受臺架遮擋影響該段初支掃描數據無法收集，須采用原始的全面段掃描儀進行超欠挖檢測，后續檢測不受該項制約。

7.3 斷面檢測時機

待拱墻初支完成50m以上時即可對30m數據進行采集，在采集過程中，段落內不得有設備、人員、臺架等工裝遮擋物的存在，減少人工數據分析量，提高檢測精度。

檢測須在隧道通風完成無大量粉塵存在的環境下進行，防止灰塵影響激光掃描效果，影響測量精度。

8 結束語

一種新的科技手段應用于新的領域，總是需要實踐的檢驗。三維激光掃描技術應用于圍巖量測上，無論從理論上還是手段上，都不會很快被現場技術人員所接受。但它的測量理念將成為未來監控測量上的主流思想。