三維激光掃描技術在隧道監控量測中的應用

段 磊，羅曉豐，彭學軍，廖根根，凌 濤，陳 鵬

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

常規的隧道監控量測方法需要在圍巖上按照一定的間距埋設測點，采用全站儀、水準儀、收斂儀等傳統測量儀器進行觀測。該方法受施工影響較大、點位容易被破壞、數據采用手工記錄不便長期保存，應用于工程會帶來諸多不便，因此需要有新的方法和技術以彌補常規監控量測方法的不足。

三維激光掃描技術與常規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據等特點，能利用其三維立體全面掃描的優勢，結合云數據實現對檢測工程內全方位數據的采集和形態的監測。將三維激光掃描應用到隧道監控量測中，測量速度快、無死角，有效彌補了傳統監測技術的不足[1-4]。

1 三維激光掃描技術

1.1 技術概述

三維激光掃描技術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、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，為后續的內業處理、數據分析等工作提供依據。該技術具有快速、效益高、不接觸、動態、主動性、高密度、高精度、數字化、自動化、實時性強等特點，很好地解決了目前空間信息技術的應用瓶頸[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能夠實現對隧道的全方位、無死角掃描，并根據不同時間段采集的數據及時掌握隧道圍巖變形情況，以采取有效的施工措施，提升隧道工程質量，保證隧道施工安全，因此該方法在隧道監控量測中極為適用[9]。

1.2 技術特點

（1）非接觸式。三維激光掃描技術采用的是非接觸式高速激光測量方式，與傳統方法相比不需要埋設測量點，可直接對目標體進行掃描，采集目標體表面點的三維坐標信息。在目標危險、環境惡劣、人員無法到達的情況下，一般傳統測量技術無法完成指定的測量工作，此時三維激光掃描技術優勢明顯。

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

（3）數字化程度高、擴展性強。三維激光掃描系統采集的數據為數字信號，具有全數字的特征，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行數據交換及共享，可與外接全站儀、GPS配合使用，拓寬其應用范圍，具有較好的擴展性。

（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、襯砌厚度等提供準確的依據。

2 工程應用實踐

鄭萬鐵路巴東隧道全長13553m，是鄭萬鐵路重難點工程，設3座平導和2座橫洞。其中，出口三號平導位于線路左側，長度為2044m，受地質條件影響較大。該地地質構造發育，以Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖居多，圍巖變形較大，且處于強富水區，地下水有腐蝕性，易發生突水突泥現象。巴東隧道出口三號平導監控量測采用三維激光掃描監測技術對隧道圍巖的穩定性進行監測。

2.1 系統組成

三維激光掃描監測系統包括三維激光掃描儀、后處理軟件、電腦及附屬設備。

（1）三維激光掃描儀。根據隧道工程的特點，隧道為一狹長結構，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。該系統后處理軟裝選用的是由南方測繪開發的PPVision UC，該軟件是隧道測量專業軟件，功能強大，操作界面友好，更新周期較快，可根據用戶的需求進行修改和定制，能夠實現三維立體重現、現場施工定位測量、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

三維激光掃描系統操作流程圖如圖1所示。

2.3 操作要點

（1）根據現場情況，以遠離施工機械為原則，保證掃描范圍內無其他干擾物。

圖1 三維激光掃描系統操作流程圖

（2）在儀器前方0.6～5m內放置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（此時棱鏡常數和棱鏡桿高度均需調為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。數據處理完成后，系統可輸出三維效果圖，通過不同的顏色立體展示隧道不同時段的掃描情況，呈現不同區域的圍巖變化狀態，然后對變化趨勢進行統計分析，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 結束語

工程應用實踐表明，隧道三維激光掃描監控量測方法取得了較好的應用效果，但相較于常規的方法，在測量精度方面是否滿足要求，需要在以后的實踐中進一步進行分析與探究。