三維激光掃描技術在老林崗隧道工程隧道貫通測量誤差調整中的應用

丁志剛

隧道變形監測是反映隧道施工情況的重要途徑，傳統變形監測方法主要圍繞部分點和斷面展開，采集的數據缺乏全面性，不具備足夠的指導意義，同時存在工作量大、效率低等多重局限性。相比之下，三維激光掃描技術具有自動化、高精度等多重特點，能夠一次完成掃描作業，基于采集的數據建立三維矢量模型，直觀反映隧道的變形情況，是一種更具可行性的隧道變形監測手段。鑒于此，文章以老林崗隧道工程為例，著重圍繞三維激光掃描技術在貫通測量誤差調整中的應用要點展開探討。

一、工程概況

老林崗隧道工程全長4555.25m，為350km/h的單洞雙線隧道，隧洞所在區域以碳酸鹽巖地質為主，Ⅲ級圍巖3125m、Ⅳ級圍巖1295m、Ⅴ級圍巖135.2m。考慮到現場通風、排水等基礎施工要求，于線路左側30m處設1座輔助坑道：進口平導，與線路方向平行。

二、三維激光掃描技術在隧道監測中的應用概述

三維激光掃描技術具有突出的技術先進性，在高速激光掃描測量后，采集物體表面各點的三維坐標數據、反射率以及RGB顏色信息等，由于點的數量豐富，可構成完善的真彩色三維點云模型，給工程內業處理等相關工作的開展提供重要的參考。

三、三維激光掃描測量

儀器選用的是天寶X7三維激光掃描儀，由專員按照規范布設到位，合理操作。對于三維激光掃描測量的具體工作要點，做如下分析。

1.約束點的布設

在隧道內布設約束點，加以掃描，在完成此類點的掃描后，做融合計算，由此實現對各點三維坐標的轉化，即變為工程獨立坐標。根據隧道工程進度計劃可知，施工時已經將CPⅢ控制網控制工作落實到位，形成豐富的CPⅢ點，因此將其直接作為約束點使用即可，此時可以高效開展三維激光掃描測量工作。

2.掃描主站的布置

掃描裝置需無死角地覆蓋整個掃描區域，為滿足此要求，按120m的間距依次設主測站，各測站掃描的平面高程約束點的數量至少為4個，在該作業方式下，能夠使相鄰兩個測站間有2個及以上的約束點。按照前述提及的方法設站，共形成38個主測站，掃描約束點的數量為73個。

3.掃描

（1）準備工作：在測站前后的兩對CPⅢ控制點上設測量標靶，經此操作后，形成三維坐標約束點；按規范將設備安裝好后，開機運行30min以上，在此過程中加強對設備運行狀態的檢查，有問題則及時處理，確保無異常，否則將由于設備自身的問題而影響掃描工作的順利開展。

（2）正式掃描：將三維激光掃描儀安裝到位，首先掃描設置在測站前后的兩對約束點，此舉能夠準確掌握約束點在測站坐標系統的具體分布情況，而后再對測站覆蓋范圍做全方位的掃描。

4.內業數據的處理

（1）相鄰測站數據的拼接

每一測站均會建立獨立的三維坐標系統，在多測站掃描過程中，采集各測站的點云數據，統一匯聚在相同的自由坐標系中，而為了實現此效果，需執行三維坐標轉換操作。取3個或更多的公共反射標靶約束點坐標，經計算后確定轉換的旋轉矩陣和平移矩陣，明確各項具體的轉換參數，再借助矩陣將各測站數據匯總至獨立坐標系內，而此時相鄰測站的數據也將得到拼接處理，達到數據“化零為整”的效果。

測站掃描數據用天寶Field Link軟件拼接，統計分析相鄰測站的拼接精度，具體內容如表1所示。

表1 相鄰測站拼接精度分析

根據表1內容可知，在隧道相鄰測站拼接中，平面中誤差、高程中誤差分別為7.0mm、1.5mm，通過與隧道凈空測量精度的對比分析發現，兩處誤差均在許可范圍內，滿足要求。

（2）點云配準

測量期間不可避免地產生誤差，根據產生機制的不同，可分為系統誤差和人為誤差，各自均會對測量結果以及數據處理結果的準確性帶來影響，因此如何提高精度至關重要。在本項目中，先對測站掃描點云數據做拼接處理，而后再選取相鄰兩站點云數據，進行點云精確配準，由此提高點云數據的準確性，盡可能減小誤差。

（3）掃描數據坐標轉換

按照流程完成各站數據的拼接、配準操作后，還需選取點云數據，將其轉換至工程坐標系中，此環節依然根據標靶約束點的三維坐標操作。具體而言，將標靶置于CPⅢ控制點上，此布置關系下，標靶中心的坐標則指的是CPⅢ的坐標，推導自由坐標轉換至工程系坐標的轉換參數，再以所得的參數為指導，完成點云數據向工程坐標系的轉換操作。具體至本文提及的隧道工程中，坐標轉換平面中誤差、高程中誤差分別為4.5mm、1.5mm，得到有效的控制，滿足隧道凈空測量的精度要求，切實可行。關于坐標轉換精度情況，如表2所示。

表2 坐標轉換精度分析

（4）點云數據的抽稀處理與輸出

經拼接、坐標系統轉換后，點云密度較高，此時產生極為龐大的數據量，后續操作難度較大。為此，引入致筑網Z3D軟件，依托于該平臺，對數據按0.05m一個點做抽稀處理，而后輸出產生的數據，在此前提下，高效完成斷面采集工作。

四、貫通誤差的調整

1.調整的基本原則

按照如下原則，組織貫通誤差調整工作：

（1）對于采用坐標法施工測量的隧道，較為適宜的是采用平差法，此時的調整效果較佳。

（2）對于曲線隧道，若無法增設大半徑曲線，則優先考慮頂點內移法，此時能夠高效且準確地確定線路中線位置；而對于滿足變更曲線半徑的隧道，則采用變更曲線要素的方式。

2.平面貫通誤差的調整

在本文所提的工程中，隧道位于曲線范圍內，結合前述提及的平面貫通誤差調整基本原則，開展相應的調整工作。曲線要素為：ɑz-24°35'04＂，R-7000m，l0-70m。綜合考慮接觸網桿布設位置、凈空斷面等相關數據，靈活地調整切線邊及曲線半徑，經過相應的調整操作后，曲線要素得到優化，此時有：ɑz-24°35'3.7＂，R-6993.5m，l0-140m。可以發現，按特定的原則分析后，確定貫通誤差調整方法并落實到位，實際結果顯示隧道中線達到線路的設計要求以及隧道限界要求，由此也表明該貫通誤差調整方法具有可行性。

五、結語

綜上所述，三維激光掃描技術是一項綜合應用效果優于常規方法的技術，例如具有高密度采集三維數據、非接觸式測量等突出的特點，采集的數據具有全面性，能夠基于數據建立三維模型，以便技術人員根據模型做直觀的分析，對隧道施工情況做出判斷，進而合理規劃后續的工作。在本文中，著重圍繞三維激光掃描技術展開探討，提出在約束點布設、掃描主站布設、掃描、內業數據處理、貫通誤差調整等方面的工作要點，希望對同仁提供參考。