三維激光掃描技術在隧道施工應用中的新進展

關為民

（中鐵十六局集團有限公司 北京 100018）

1 引言

在工程施工測繪領域，三維激光掃描技術是繼GPS技術之后的又一次技術革命。該技術是通過掃描采集點云數據，經處理分析后獲取高精度、高分辨率的數字模型，進而利用生成的成果進行后續工作的綜合技術，是快速創建三維影像模型的全新技術手段，使工程施工大數據應用成為現實。

2 工程概況

某高速鐵路項目含長度超過10 km的隧道兩座，沿線地形地貌多變，工程地質和水文條件復雜。為提升施工管控效率，保障和提高施工質量，在隧道施工中使用三維激光掃描技術，用于隧道開挖、初期支護及二次襯砌的斷面檢測及收斂監測。

3 三維激光掃描技術

3.1 應用內容

（1）隧道超欠挖檢測分析；（2）噴錨層平整度檢測分析；（3）斷面收斂監測分析；（4）隧道模型構建應用。

3.2 系統組成

（1）硬件配置：能輸出*.pts／ptx格式數據的三維激光掃描儀；電腦（配置4G獨顯、16G／32G內存）；平板電腦（內存16G以上）。

（2）軟件配置：電腦端和云平臺軟件。

3.3 工作原理

采用激光測距原理，快速獲取待測物表面點的三維坐標（x，y，z）、反射率等信息，由大量點信息形成三維效果模型［1］。通過發射激光脈沖，同時接收反射信號，測量斜距S、垂直角α和水平角β，計算可得掃描點與測站的空間相對坐標（見圖1），計算公式：

圖1 掃描點坐標計算原理

式中：S為掃描儀激光中心點到掃描點的斜距；α為豎直角；β為水平角。

4 現場應用方案

激光掃描測量分為三個階段：外業（掃描測量）、內業（數據處理）、檢測成果輸出。

4.1 工藝流程

三維激光掃描操作流程見圖2。

圖2 三維激光掃描操作工藝流程

4.2 測量實施方案

4.2.1 外業操作

激光掃描儀布置在中心軸線附近，在掃描儀前0.6～5 m內呈不規則三角形擺設3個球棱鏡，放置于寬敞通視處，且每個球棱鏡間距離不大于5 m，并保持棱鏡面朝向全站儀，反光面朝向掃描儀，見圖3。球棱鏡架設完成后用全站儀測量棱鏡坐標（此時棱鏡常數和棱鏡桿高度均調為零），保持球棱鏡不動直至掃描完畢。測站間距小于30 m。

圖3 掃描儀測量布置

現場要保證掃描范圍內無干擾物，并嚴禁車輛和行人通過，避免影響掃描范圍和精度。同時為減少全站儀因素造成的系統誤差，數據采集過程使用同一臺全站儀，由同一組測量人員完成操作，過程中確保全站儀的穩定性。

4.2.2 內業處理

（1）點云數據拼接

通過計算坐標系間的轉換參數，采取平移或旋轉數據的方式，將現場掃描的點云數據統一拼接到一個坐標系內［2］。

拼接方法：一是基于標靶點坐標轉換進行拼接；二是基于計算標記點數據間的拼接參數進行拼接；三是基于點信息、幾何特征信息、動態和影像拼接算法綜合處理后進行拼接［3］。

現場基于標靶點坐標采用掃描儀配套專用軟件完成數據拼接。首先輸入設計線路及斷面參數，導入掃描儀測量的數據，進行靶球提取后輸入靶球坐標，完成坐標轉換；然后，計算線路坐標，進行點云數據拼接，裁掉多余斷面數據。

（2）成果數據處理

整體侵限分析后，根據實測超欠挖情況進行斷面去噪處理，去除隧道整體輪廓多余部分，保留合格數據，形成隧道整體輪廓并導出數據成果［4］，見圖4。

圖4 隧道整體輪廓分析成果

4.3 成果輸出

數據處理完成后，可輸出三維效果圖及各類檢測結果報告、報表，直觀地反映隧道超欠挖、平整度及斷面侵限、收斂等情況。

超欠挖分析三維效果圖可實現對隧道開挖的綜合評價，用冷暖色對超欠挖情況進行立體展示，暖色代表欠挖，冷色代表超挖［5］，見圖5。

圖5 超欠挖分析三維效果及展開圖

沿線路法線方向生成的隧道斷面超欠挖分析報表，最小斷面間距可達0.01 m，能顯示斷面詳細信息，見圖6。通過自動搜索功能準確定位欠挖部位，便于現場精確處理。可根據隧道斷面信息，適當調整施工方法、工藝及預留沉降量等，做到動態控制［6］。

圖6 系統生成的單斷面超欠挖分析報表截圖

在快速識別超欠挖的同時，可用于計算初支、二襯混凝土用量，有利于材料超耗原因分析。

4.3.2 平整度檢測

高速鐵路對初支平整度要求較高，掃描成果可將整條隧道表面影像圖展開，用不同顏色直觀展現隧道表面平整度［7］，見圖7。黃色區域的平整度指數大于0.1（相當于采用1 m靠尺測量隧道表面所得到的最大凹凸不平度超過10 cm），桔紅色到紅色區域平整度指數為0.2～0.3。據此可知：整個區間段的邊墻底部平整度較差。

圖7 隧道初支平整度影像

4.3.3 斷面檢測（侵限控制、收斂監測）

初支侵限控制：拱頂下沉和圍巖收斂穩定后，及時進行初支斷面掃描測量。應用其完整的點云數據建立三維模型，繪制橫縱斷面圖，檢驗隧道初支斷面凈空［8］。

斷面收斂監測：將掃描儀置于同一測站進行多次掃描，通過在同一里程分別截取掃描斷面，以首次掃描斷面作為理論斷面，對比斷面間的投影距離，從而確定斷面收斂數據，見圖8。分析數據結果可知，在同一個測站上設站，監測同一個斷面的精度基本在1～2 mm之間。個別位置會存在較大誤差，究其原因：（1）因兩次掃描點位置隨機，不可能完全一致；（2）掃描過程產生噪點，數據采集有輕微擾動影響［9］；（3）隧道平整度指數較大，點云數據稀疏。

圖8 斷面收斂分析成果

為了排除誤差，可將分析斷面設在通風管之上，分析其線性平均誤差。

選擇閥桿密封面與閥體底面的距離作為目標參數，目標參數在隨履帶運動時在不同時間位置對應的數值如圖6所示。

線性平均誤差＝（超挖面積＋欠挖面積）／多段線長度。

對于隧道圍巖表面起伏不嚴重的部位（平整度指數小于0.2），斷面監測精度誤差可優于2 mm，滿足精度要求。為進一步提高精度，可將待測面劃分為若干小區，分塊采集高密度點云數據進行監測分析［9］，其精度優于全站儀法、收斂計法等測量手段，但數據量極大，對設備性能要求很高，建議局部重點部位監測可以考慮采用。

5 三維激光掃描儀誤差分析及誤差控制

三維激光掃描技術可適應復雜的現場環境，為保障測量精度，通過多組掃描成果與全站儀實測數據進行對比，分析具體應用條件下誤差產生原因，并據之進一步完善實施方案［10］。

5.1 現場對比測量試驗方案

選取具有代表性的初期支護段落20 m作為試驗段，選取特征斷面3個，間距5 m，另設置特征標靶點4個，間距5 m，對稱貼于待測段表面。

為對比分析掃描精度的影響因素，在不同測量條件下對試驗段進行3組掃描，其中第一組測量時空氣質量較好，測量條件最好，第二組空氣質量一般，第三組空氣質量較差；后視標靶球數量第一組4個，第二、三組2個。

測量步驟：全站儀測量特征標靶點坐標及特征斷面→全站儀測量標靶球坐標→三維激光掃描儀進行掃描測量→全站儀復核測量。

5.2 兩種方法下的標靶點坐標數據對比

針對4個標靶點，同時掃描測量三組數據，因篇幅原因僅列舉2個點位進行數據對比（以全站儀測量結果為基準），見表1。

表1 標靶點坐標測量數據對比

對比最大偏差值，第一組為5 mm，第二組為17 mm，第三組為26 mm。從數據對比分析看，第一組測量數據精確度最高。

5.3 兩種方法下的特征斷面結果對比

因斷面有效測點數較多，3個特征斷面對比數據量較大，僅列舉掃描斷面極大值、極小值和平均值。以全站儀測量結果為基準進行對比，見表2。

表2 斷面測量數據對比

由表2數據可知，第一組掃描數據與全站儀測量數據最為接近，精度最高。

5.4 誤差原因分析

通過數據對比，第一組測量后視約束點位多、測量條件好，測量精度最高，滿足規范及施工要求。導致誤差的原因主要有以下幾個方面：

（1）掃描儀自身精度誤差，尤其是標靶球的定位精度誤差，會導致球棱鏡球面沒有完全對準掃描儀，從而導致坐標擬合的球心偏移產生誤差，屬于后視誤差，在掃描測量時會被放大。

（2）掃描點云數據需要經全站儀測量的坐標傳遞，存在兩個誤差源：一是受全站儀誤差影響，二是受測量誤差影響，尤其是測量中多為臨時控制點的原因［11］。

（3）外界環境因素引起的誤差，包括空氣環境、施工作業環境影響等，如空氣可見度、空氣中粒子含量等因素的影響及施工產生的振動等外界因素影響。當外界環境比較惡劣時對掃描測量精度影響較大［12］。

（4）分析軟件計算方法的差異產生的誤差（在對比試驗中選用2套內業處理軟件進行數據分析對比），配套的軟件與硬件能有效減少誤差。

5.5 誤差控制措施

在現有技術條件下，為提升測量精度，可采取以下措施：

（1）限定掃描段落長度，一般控制在20～30 m范圍，并定期采用常規方法對三維激光掃描儀測量數據進行復核測量。

（2）做好三維激光掃描儀不定期檢查和定期檢測；選用高精度全站儀，減少全站儀測量中誤差傳遞；適當增加后視標靶球數量，不少于3個，提高后視精度［12］；內業處理選用掃描儀配套軟件。

（3）重視外部環境（空氣質量、溫度、濕度等）對測量精度的影響，并進行有效控制，避開施工高峰期等極端條件下的掃描作業。

（4）強化操作管理，測量人員要經過專業培訓和經驗積累，固定專人測量，減少人員操作誤差。

6 結束語

通過成果對比，三維激光掃描儀的精度滿足隧道施工需求，其外業操作簡單，數據采集速率可達數十萬點／s，單站測量時間小于3 min，傳統測量方式難以比擬，且一次測量可同時獲得用于隧道侵限、超欠挖、拱頂沉降、收斂變形等所需的點云數據，工作效率高。采用三維激光掃描技術是控制隧道施工超欠挖、避免和減少超欠挖造成返工和混凝土超耗的有效措施，也是及時掌握圍巖收斂及斷面變形狀況和保證施工安全的可靠手段，已具備包括隧道在內的施工和監測領域廣泛推廣應用的基礎和條件。