三維激光掃描技術在隧道質量檢測中的應用

蔡林東

（貴州順康檢測股份有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

隨著我國基礎設施建設的大力開展，隧道工程的施工規模及數量都穩居世界前列。雖然建設質量與建設水平較高，但在隧道質量檢測方面仍存在一些不足。而三維激光掃描技術的引入與應用能夠有效彌補隧道質量檢測方面的不足，可進一步提升我國隧道工程的建設效率與質量，使隧道工程質量檢測向著實時化、可視化、動態化、智能化的方向快速躍進。

1 三維激光掃描技術的原理及技術特點

三維激光掃描技術是近年來受到廣泛關注的新興技術，相對于傳統技術而言，效率更高，準確性更強[1]。它是基于激光測距原理，快速掃描目標物體表面點的三維坐標、反射率、紋理等信息，實現數據收集，后通過計算機數據處理，可實現對被掃描物體的模型創建。三維激光掃描儀通常由激光掃描儀、相機、電源、配套附屬設施及后期處理軟件組成。

三維激光掃描技術相較于傳統使用全站儀、斷面儀進行隧道質量檢測的方法，具有工作效率高、采樣率高、全數字特征自動化、配備相機、擁有定位裝置等諸多優勢，操作較為便捷。由于三維激光掃描技術所具備的諸多特性，使其能夠快速獲取空間點位信息的三維坐標，從而建立具有極高還原度的三維模型，使相關技術人員能夠清晰、直觀地判斷隧道建設質量，獲取隧道健康狀況及病害信息。

2 三維激光掃描技術在隧道質量檢測中的應用范疇

2.1 隧道開挖質量檢測

三維激光掃描技術應用于隧道開挖質量檢測，能夠詳細記錄、展現隧道開挖構造物的情況與周邊環境的實景信息，為隧道工程的后續施工奠定數據基礎[2]。三維激光掃描技術應用于斷面檢測時，可以以更高的檢測效率，通過實景還原手段，使施工團隊對實測斷面產生較為清晰、直觀的認知，并能夠與設計斷面進行對比分析，以便后期施工調整。三維激光掃描技術應用于開挖方量控制時，可以根據點云數據，實現實際斷面施工情況與計劃方案對比，從而簡單判斷出超挖、欠挖數量，以便后續施工的順利開展。

2.2 隧道初期支護質量檢測

2.2.1 隧道初期支護噴射混凝土平整度檢測

初期支護噴射混凝土能夠提升開挖暴露巖石強度，使松散巖塊膠結，填充巖石的裂縫和凹陷，承擔壓力及剪應力，是隧道初期建設必不可少的工藝技術。噴射混凝土的平整度越高則質量越好，較為平整的噴射混凝土可以避免在二襯防水板安置過程中扎破止水袋，也能減少二襯混凝土施工時出現空洞等問題的概率。因此，隧道初期支護噴射混凝土平整度的檢測十分重要。三維激光掃描技術相較于傳統以尺作為測量工具的檢測手段而言，檢測速度更快、檢測范圍更加全面、檢測結果更加準確，可以直觀地呈現噴射混凝土的平整度情況。

2.2.2 隧道初期支護噴射混凝土厚度檢測

除平整度檢測，隧道初期支護噴射混凝土還需進行厚度檢測，該檢測環節同樣可以通過三維激光掃描技術完成，將開挖后的掃描斷面與噴射混凝土施工完成后的斷面進行對比，即可得到初期噴射混凝土的厚度數據，整體過程快捷且結果準確直觀。把控噴射混凝土的厚度，一方面可以對隧道初期支護的工程質量產生客觀認知，另一方面可以保證隧道初期支護的整體質量，以促進整體隧道工程質量的提升。

2.2.3 隧道凈空穩定性檢測

隧道凈空穩定性檢測是保證隧道安全性與穩定性的必要環節，能夠通過開挖面地質素描、隧道拱頂下沉、圍巖周邊位移等項目檢測對隧道的穩定性進行判斷。應用三維激光掃描技術前，對隧道凈空穩定性的檢測多采用全站儀。使用全站儀檢測時，想得到極為精準的檢測結果，需要縮短檢測斷面間距，使得整體檢測工作強度較大。如果檢測斷面間距較大，則無法得出精準的檢測結果。而將三維激光掃描技術應用于隧道凈空穩定性檢測，可以以40～80m/3min 的速度完成隧道內表面的實景復制，全面反映隧道的變形情況，檢測精度與全站儀接近，但整體工作強度得以降低。

2.3 隧道二次襯砌質量檢測

2.3.1 隧道凈空分析

隧道工程完成二次襯砌施工后，可采用三維激光掃描技術對其進行凈空分析，通過對當前階段隧道工程的數據采集與后期分析，得出當前階段隧道工程的斷面影像，即可實現實際斷面影像與計劃斷面的直觀對比，從而獲得隧道中線偏移、高程偏差等數據，實現對隧道質量的檢測與把控。

2.3.2 隧道二次襯砌厚度檢測

隧道二次襯砌厚度是影響整體隧道工程質量的重要環節，隧道二次襯砌厚度檢測也是隧道質量檢測的重要組成部分。三維激光掃描技術在隧道二次襯砌厚度檢測的應用原理與斷面檢測相同，通過已完成二次襯砌與未進行二次襯砌兩階段隧道內點云數據的對比，得出二次襯砌厚度的數據。除此之外，在此環節，還可額外完成二次襯砌所需混凝土方數的判斷，將斷面檢測數據與模型鋼筋方量進行對比即可。根據所需混凝土方數數據，結合實際混凝土的澆筑數據，即可判斷隧道二次襯砌混凝土的密實度、空洞等問題。

2.3.3 隧道二次襯砌鋼筋檢測

在隧道二次襯砌階段，除混凝土厚度外，還需檢測鋼筋放置的數量和位置。傳統檢測方法雖然結果精準，但可能存在遺漏，可能對隧道工程的整體質量造成影響。而三維激光掃描技術可根據采集到的點云數據生成計算機三維模型，不會出現遺漏現象，能夠在減少檢測工作量、提升檢測工作效率的同時提升檢測質量[3]。

3 三維激光掃描技術的實際應用流程

應用三維激光掃描技術進行隧道質量檢測的整體流程如圖1 所示，可分為4 個階段：第一，前期準備。通過現場踏勘，制訂作業計劃，對實際掃描位置進行選擇判斷，并以此制訂相關設施擺放位置的計劃。第二，數據采集。依據作業計劃進行數據采集，在作業過程中須對采集數據進行監控，以便及時增減測站。第三，數據處理。包含點云拼接、過濾、去噪等流程，整體工作須耗費較長時間。第四，點云應用。完成數據的二次處理，實現三維建模、虛擬可視化等。

圖1 三維激光掃描技術進行隧道質量檢測的整體流程

3.1 前期準備

由于隧道工程的獨特性，隧道質量檢測受環境限制較大，且外業檢測現場呈長帶狀。但通常情況下，需要隧道質量檢測的各方面數據有極高的精準度及可靠性。因此，在隧道工程質量檢測前，應充分進行前期準備，以保障整體檢測工作順利完成。首先，應進行現場探勘，了解隧道內部結構的變化情況，并以此制訂掃描計劃，對掃描參數、掃描范圍、掃描路線、測站數目與位置、工作人員配備等內容進行合理規劃，保證隧道質量檢測工作順利開展。其次，需進行隧道相關數據的測量，對平曲線、縱曲線、斷面資料進行收集，為后續內業數據處理奠定基礎。最后，需完成儀器配備，包括全站儀、三維激光掃描儀、TMS 隧道檢測專用配件等設施。

3.2 竣工控制測量方案設計

采用三維激光掃描技術進行隧道質量檢測，需要設置分測站，合理設置控制點，以平面控制測量與高程控制測量兩種形式完成控制點坐標的獲取，以便后期將點云數據坐標引入測量坐標系實現點云數據拼接。控制點的設置需通過踏勘進行優化選擇，應確保每個控制點的精度都達到實際檢測標準，避免因控制點位置不準確導致測量精度下降。

3.3 外向掃描作業

3.3.1 APM 定位法

APM 定位法可通過全站儀快速傳遞隧道控制坐標系統至掃描儀基座與定向球形靶，實現掃描儀的測站定位與定向。具體操作流程如下：第一，掃描儀放置于隧道中央，球棱鏡放置于相隔適宜位置。第二，進行掃描作業。第三，從左向右、從右向左兩次進行絕對坐標獲取。掃描完成后，通過云處理軟件進行數據處理。第四，前往下一作業點，重復上述步驟。

在此過程中應注意：保證掃描儀平穩架設于專用木架上，位置應盡量位于隧道正中央，且高于地面1.6m 以上，并在正式掃描前進行預掃描；在正式掃描過程中，應保證掃描儀的操作面板朝向一致，且掃描范圍內不應出現雜物、操作人員等可能影響掃描結果的因素。

經實踐檢測，使用該方法進行掃描，總體精度在2mm 左右，相對精度較高，可滿足隧道質量檢測工作的需求。并且，使用這種方法，可以改變多測站測量時需人工拼接點云數據的問題，轉而由軟件實現高效自動拼接，可以提升后期數據分析處理效率，減少人工消耗。

3.3.2 TMS 隧道掃描

采用TMS 隧道掃描方法，主要是借助三維激光掃描儀對隧道進行點云數據收集。通常需要根據隧道的長度，設置多個測站進行數據收集，且保證各測站間距不超過1m。相關工作人員應根據實際需求，架設全站儀、掃描儀、球棱鏡，球棱鏡應位于全站儀與掃描儀之間。測量時，應保證棱鏡、靶球編號固定，以便提高后續數據處理的準確性。

3.4 內業數據處理

對三維激光掃描技術所采集到的隧道質量數據進行處理的整體流程可簡單概括為：新建工程文件—設置工程坐標—輸入竣工測量數據（平曲線、豎曲線、橫坡數據等）—設置理論斷面—掃描文件絕對定位—掃描數據處理—斷面提取、分析、出報告。接下來將對數據處理階段的部分重要內容進行分析。

3.4.1 坐標轉換

通過三維激光掃描技術完成對隧道的掃描、數據收集后，所得到的數據僅為點與點之間相對位置的關系，需要結合全站儀測量的坐標數據完成坐標轉換，最終形成可供后續操作處理的常規數據形式。

3.4.2 點云拼接

點云拼接的主要目的是將所采集到的多段隧道數據進行整合拼接，使之成為一個完整的整體[4]。點云拼接的操作原理是通過公共標靶、重合點云等形式對數據進行整合，點云拼接有公共標靶、重合點云與混合拼接3 種形式。使用公共標靶形式進行點云拼接，需要在掃描過程中，在相鄰2 個測站之間設置多個公共標靶，并以此作為拼接基點實現拼接。使用重合點云形式進行點云拼接，是通過重合2 個測站掃描數據的公共部分的形式實現拼接，通常需要人工輔助，以避免計算機自動處理時出現錯漏。混合拼接即是結合上述兩種形式，通常在掃描場景情況復雜時使用，通過兩種形式的結合，提升復雜情境下數據處理的準確性。

3.4.3 點云去噪

因為激光掃描時，掃描儀會產生一定的噪聲，噪聲會附著在被掃描物體表面，從而影響掃描結果，所以要進行點云去噪。點云去噪是對點云數據進行優化的處理流程，簡單來說便是通過一定技術操作去除隧道掃描數據中的噪點，只保留有效數據，以此提升隧道掃描數據的真實性與準確性。點云去噪方式有人工剔除、反射率過濾、減少噪聲、刪除體外孤點4 種形式[5]。

第一，人工剔除是通過人工形式對噪點進行辨別與刪除。

第二，反射率過濾即利用點的不同反射率進行錯誤噪點剔除。

第三，減少噪聲可利用軟件自帶命令進行操作。

第四，由于激光接觸到物體邊緣時會被切割，所采集到的點源數據便會存在誤差。進行隧道掃描時，部分邊緣位置或裂縫便會因激光切割出現偏離點，需要采用刪除體外孤點的形式進行處理。

3.4.4 點云裁切

為了完成完整的隧道數據采集，通常會設置多個測站連續進行三維激光掃描。為保障采集數據的完整性與準確性，應確保相鄰測站的間距小于激光掃描的最大距離。但這樣點云數據會存在部分重復數據，需要在后期數據處理時進行裁切處理，以減少后期數據處理時的干擾因素，提升整體數據處理效率。在一些大型隧道質量檢測工作中，由于所采集到的數據量過大，常規計算機難以滿足運算需求，可能會出現嚴重卡頓問題，因此需要通過點云裁切手段進行數據削減，從而保證數據處理的流暢性。

4 結語

三維激光掃描技術在隧道質量檢測中的應用能夠突破傳統質量檢測方式的局限性，其能夠以更加快速、準確、全面的優勢，實現隧道建設過程中多個環節的質量檢測，并完成自動化、信息化、可視化的優化突破。相信在未來，三維激光掃描技術必會應用于隧道建設的更多方面，也能進一步提高隧道工程的整體建設質量。