三維激光掃描技術在公路隧道測量中的應用

汪貴鵬

(三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

三維激光掃描技術突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢[1-2]。針對地下溶腔等地形，傳統測量手段均無法完整準確地獲取溶腔的位置信息，同時由于地下沒有GNSS信號，所以無人機、RKT等測量手段也無法獲取地下地形[3-4]，而采用全站儀測量，工程進度較慢，且測量點數較小，無法真實反應整個溶腔形態[5]。因此采用背包式激光掃描儀，對在高速公路隧道段出現的溶腔進行三維激光掃描，得到溶腔整體三維激光點云。

1 工程實例

某高速公路隧道段，在掌子面施工至ZK154+765，拱頂揭露出一大型干溶洞，縱向長約60 m，環向寬約30 m，徑向高約25 m，溶洞內填充物為泥土、孤石混合堆積物，厚度10～15 m，左側空溶洞往前延伸約50 m看不到盡頭，右側空溶腔，往右70～80 m看不到盡頭，拱頂孤石穩定狀態難以判斷，有少量水滲出。由于溶腔構造不規則，傳統測量手段均無法全面準確地描述溶腔整體特征特貌，故采用激光掃描儀對溶腔進行掃描，得到溶腔的三維模型；由于溶腔體積小，故采用背包式激光掃描儀對溶腔進行掃描。

2 三維激光點云掃描及建模

2.1 三維激光掃描介紹

SLAM激光掃描系統主要由激光掃描儀(Laser Scanner)、慣性測量單元(Inertial measurement unit，簡稱IMU)與SLAM算法(simultaneous localization and mapping)3個部分組成。由激光測距儀的激光器產生并發射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被激光測距儀的接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發出之前收到前一個反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可轉換為對距離的測量，結合激光器的高度和激光掃描角度，就可以準確地計算出空間每一點的坐標x、y、z信息。

慣性測量單元是測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置。一個IMU包含了3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態，在導航中有著很重要的應用價值。

SLAM算法是這3個部分中最重要的，SLAM算法的好壞決定了解算出的移動軌跡的精準度，移動軌跡的精準度決定了空間場景三維數據的精準度。SLAM算法根據激光測距儀所獲得三維數據中時間軸上共同的特征點加上IMU獲取的姿態數據，實時解算設備從出發點移動的距離、角度信息，逆向地構建連續的空間場景數據，即被動式依據當前周圍場景的數據實時計算出連續的空間數據。

2.2 三維激光掃描

采用SLAM背包式激光掃描儀對溶腔進行三維掃描，通過后期軟件的拼接處理，并對激光點云進行著色，得到如圖1的原始激光點云整體圖。在溶腔壁布設“+”字型靶標，并采用全站儀對靶標坐標進行量測，通過后處理軟件對激光點云整體進行平差，得到工程坐標系下的激光點云。

圖1 溶腔原始激光點云整體圖

2.3 三維激光點云建模

原始激光點掃描比較密集，抽稀后通過3D Reshaper對原始點云進行封裝，并進行簡單修飾，得到完整的溶腔三維模型。將隧道三維模型采用3dmax軟件建成后，再用3dmax軟件對溶腔三維模型和隧道三維模型進行紋理貼圖，并融合在一起展示，得到如圖2的溶腔三維模型與隧道三維模型融合俯視圖和圖3的溶腔三維模型與隧道三維模型融合左視圖。在圖2中，可以清晰地看到溶腔和隧道的相對位置關系。

圖2 溶腔三維模型與隧道三維模型融合俯視圖

圖3 溶腔三維模型與隧道三維模型融合左視圖

2.4 生成斷面圖

采用3D Reshaper對溶腔三維模型與隧道三維模型進行斷面切割，分別在左側測設線和右側測設線對溶腔進行縱斷面切割，并將溶腔縱斷面與原設計的隧道圖紙疊加，得到圖4的右洞測設線處縱斷面示意圖和圖5的左洞測設線處縱斷面示意圖。由圖4和圖5可以查詢測設線到溶腔底板的距離。

圖4 右洞測設線處縱斷面示意圖

圖5 左洞測設線處縱斷面示意圖

沿測設線方向每隔5 m對溶腔進行橫斷面切割后，根據測設線距離溶腔位置，將溶腔橫斷面與隧道橫斷面疊加，得到圖6的部分右洞橫斷面示意圖和圖7的部分左洞橫斷面示意圖，由于橫斷面過多，圖中只集中展示了溶腔對隧道影響較大部分。

圖6 部分右洞橫斷面示意圖

圖7 部分左洞橫斷面示意圖

由圖6和圖7可以看出，在右洞YK154+670處和右洞YK154+675處溶腔伸入隧道中，對隧道日后的施工產生較大影響。具體斷面情況詳見圖8右洞YK154+670橫斷面和圖9右洞YK154+675橫斷面。

圖8 右洞YK154+670橫斷面

圖9 右洞YK154+675橫斷面

2.5 溶腔與高速公路隧道段的關系

由圖10的溶洞與隧道平面圖可以看出以下幾點關系。

圖10 溶洞與隧道平面圖

1)平面：溶腔長軸大致沿長軸方向101°可測量段長度約552.7 m，最寬處約84.2 m；平均寬度約49.5 m。

2)溶腔與隧道位置關系：溶腔與隧道軸線相交角度約25°，平面上投影與隧道左線相交最大長度124.01 m，與隧道右線相交最大長度88.94 m，整個溶洞絕大部分位于隧道拱頂上方，局部斷面侵入隧道斷面。

3)高程：溶洞底部地形由溶洞起點至終點降低(崩塌、堆積、沖刷后非均勻下坡)，起點高程約205.33 m，終點高程187.58 m，沿長軸方向縱向平均坡度3.2%；隧道設計高189.5～193.6 m；斷面上南側高，北側低，最大坡度1：1，呈現狹窄溶槽。

2.6 解決方案

由圖11的溶腔與隧道位置關系圖可以給出以下的解決方案。

圖11 溶腔與隧道位置關系圖

1)溶腔位于隧道輪廓線以外且與隧道距離大于1D段落，不做額外的處治。

2)溶腔位于隧道上方與隧道間距大于1D，且地下水較發育。處治方案：局部徑向注漿止水及加固(動態)，隧道結構加強為S-Ⅳd型襯砌。

3)溶腔位于隧道范圍內大于0.5D小于1D。處治方案：對隧道周邊軟弱圍巖進行徑向注漿加固，隧道結構加強為S-Ⅳa型襯砌。

4)溶腔位于隧道范圍內小于0.5D。處治方案：溶腔與隧道輪廓線間距不足5 m時，先對溶腔內塊石和填充物進行回填固結；采用L=9 m Φ 89×6 mm中管棚及L=4.5 m Φ50 mm×5 mm大角度注漿小導管進行輔助施工；隧道結構加強為S-Ⅴb襯砌；初期支護完成后對隧道周邊軟弱圍巖進行徑向注漿加固。

3 結語

在高速公路修建過程中，隧道段一般在高山中，而山中情況復雜，前期的地質勘察手段可能無法勘察出詳細的溶洞情況，在隧道修建過程中遇到溶腔是常有的情況，而測量溶腔問題卻一直是公路建設的難點。本文給出三維激光掃描溶洞得到三維激光點云，并對三維激光點云進行建模，得到三維模型，在相關軟件中對三維模型進行斷面切割的方式得出溶腔與擬建隧道的相互關系，從而為設計和施工提供決策依據，指導后期的設計和施工。