三維激光掃描技術在承平高速項目中的應用

摘要：近年來，隨著交通運輸行業的快速發展，隧道工程的建設規模日益擴大。目前，我國隧道施工采用的主要是新奧法，對洞壁進行復合襯砌。襯砌的施工質量直接關系到隧道的施工安全與使用壽命，襯砌質量控制是施工中的一個難點。采用三維激光掃描技術，對隧道截面進行測量，比常規的測量效率更高，更能保證測量精度，是一種很有應用前景的方法。承平高速公路隧道初支、二襯施工應用了三維激光掃技術，通過軸線偏差分析、二襯表面三維建模，解決了以往單次觀測的缺陷，可以為以后類似的大變形軟巖隧道施工提供有益的借鑒。

關鍵詞：三維激光掃描技術；承平高速公路項目；隧道；初襯；二襯

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.044

中圖分類號：P 225.2" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-0-03

Application of 3D Laser Scanning Technology in Chengping High Speed Project

ZHANG Zhikun1， ZHANG Long2， QI Pengzhi1

（1. China Communications Information Technology Group Co.， Ltd. CCCC Xingyu Technology Co.， Ltd.， Beijing 101300， China; 2. CCCC Road and Bridge Construction Co.， Ltd.， Beijing 101300， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of the transportation industry， the construction scale of tunnel engineering is expanding day by day. At present， the new Austrian tunneling method （NATM） is mainly used in tunnel construction in China， and the composite lining is used. The construction quality of lining is directly related to the safety and service life of tunnel， and the quality control of lining is a difficult point in construction. Using 3D laser scanning technology to measure the tunnel section is more efficient than conventional measurement and easier to ensure the measurement accuracy. It is a promising method. Taking Chengping Expressway tunnel as an example， this paper has carried out the application of 3D laser scanning technology to the construction of tunnel primary support and secondary lining. Through axis deviation analysis and 3D modeling of secondary lining surface， the defects of previous single observation have been solved， which can provide useful reference for similar large deformation soft rock tunnel construction in the future.

Key words： 3D laser scanning technology; Chengping expressway project; tunnel; primary lining; secondary lining

三維激光掃描儀是以掃描儀、數碼相機和軟件為主要部件的掃描儀。三維激光掃描儀具有連續、快速、無接觸的特性。在隧道施工中，采用三維激光掃描儀對點云、三維坐標、發射率等數據進行采集，通過計算機對三維點云進行三維數據分析和三維模型模擬，實現隧道工程全流程的可視性再現。在高速公路隧道施工中，采用三維激光掃描技術可以快速高效地獲取高分辨率點云數據，充分發揮技術的高可運算能力，提高能見度，采用點云進行高邊坡、隧道結構、橋梁構件的逆向建模，并與BIM的空間形態進行比較，得出挖掘前、后的設計表面和實際表面的外形，并快速地算出開挖后的土方量等。

隨著我國高速公路隧道建設逐步向長、寬、深方向發展，出現了巖爆、大變形、高地溫的高應力巖爆。因此，正確選擇支護參數和支護時機是十分重要的。然而，由于隧道地質情況復雜，圍巖結構的力學性能會隨時間、空間的不同而不同。因此，在設計階段，往往很難準確地預報出隧道的變形，導致支護設計不能滿足工程的需要。為此，要實現支護設計的科學合理，就需要對施工過程進行監測，并對現場實際環境狀況進行監測[1-6]。

1" 三維激光掃描技術

三維激光掃瞄技術，即采用激光測距技術，在測量對象的三維立體坐標、反射率基礎上，實現對測量對象三維模型的實時再現。根據三維激光測量的基本理論，利用單色性、方向性、相干性、高亮度等特點，將其分為三角法、沖法、相移法和脈動法，而將測臺分為地面固定法、車載法、手持法和地面運行載法。利用自適應的伺服馬達系統精確地操縱多個角度的旋轉來確定光束的發射方位，使得該光束可以在橫向和縱向軸線上進行快速掃描，并在一定的距離內對整個視野的縱向反射進行掃描，完成點云的空間定位與特性的采集，其掃描速度快，定位精度高，能夠實現全景區域的實時測量。三維激光掃瞄技術是一種比傳統的單一測距技術更具革命性的技術，其能大規模地采集到物體的數據。

1.1 三維激光掃描系統組成及其測量原理

三維激光掃描系統由激光掃描儀、控制器、計算機和電源供應系統等組成[7]，如圖1所示。其中激光掃描儀是整個系統的核心組成部分，主要包含激光發射器、接收器、CCD相機以及旋轉系統，負責發射激光掃描實景表面點云。

三維激光掃描系統的工作原理是通過激光掃描儀發出激光脈沖，通過控制器的控制，將兩個平面反射脈沖和垂直反射脈沖反射到預定的方向上，并以一定的速度、順序、連續地轉動，從而實現對目標的連續掃視。在目標的面上，通過漫射的激光脈沖，由檢波器來檢測。通過對各激光脈沖在目標表面上的柱座標進行測試，其中包含了S、橫角和高角角線。設備電腦接收所測到的柱狀坐標和方位參量，并按照式（1）將坐標變換成三維笛卡兒空間坐標，從而快速獲得被測對象的點云的方位。

1.2 三維激光掃描儀和常規的隧道探測掃描儀比較研究

與常規的單一點（全站儀、水準儀等）掃描儀相比，三維激光掃描儀具有以下優勢。

（1）探測效率高：常規的探測只能進行單一的探測，也就是一次只對某一區域進行探測，而且探測的時間較長，探測剖面不連續、探測效果差。三維激光掃描儀則可以做到對多個位置探測，50 m范圍內可以在10 min之內完成兩次掃描，而且每一次探測剖面都是連續的，每一次都是隨機抽取，所以探測速度非常快。

（2）數據豐富：常規探測僅能給出單個位置的相對位移值，信息量少，而三維激光掃描儀則可以獲得三維空間坐標數據、灰度數據和RGB彩色數據，可以在一定程度上獲得所有區域的數據。

2" 三維激光掃描技術在隧道襯砌質量控制中的應用

2.1 隧道開挖質量控制

將三維激光掃描儀應用到隧道施工中，可以快速提取隧道斷面數據，并提高斷面測量效率。隧道開挖后可對開挖斷面進行掃描，提取點云數據生成實測斷面，與設計斷面進行比對分析，可得到超欠挖部位、數量，便于進行隧道開挖質量控制。

2.2 隧道二襯厚度的計算與分析

應用Geomagic qualify軟件，采用3D精確測量技術，在第一次支護及二次襯砌后，可精確地進行16 mm的最大偏差對比，并做出最優校正。經過準確地擬合，可以有效地解決隧道工程設計計算中出現的偏差，從而得出隧道初、二次襯砌后的比較和計算結果。二次襯砌的厚度基本沒有明顯的改變，其平均厚度約為25 cm。通過對比分析，得到了不同類型的偏差對比表、任意方向、任意截面分析對比圖表、截面曲線等；能夠進行點云的對比標記，并產生點云圖的比較文檔，或者將其進行融合、拆分。采用二階對比法，對二次襯層的兩個截面（橫向）進行厚度計算，可以對任何一處的二次襯層進行深度調查，并編寫剖面分析報表，進行厚度檢驗?？蓪⒂嬎阏`差的允許值，并與隧洞的結構模式進行比較，并采用實測的方法計算出基坑的開挖偏差和初始的支入限[8-9]，提高隧道二襯厚度計算與分析的準確性和效率。

2.3 隧道二襯質量控制

二襯鋼筋間距控制。二襯鋼筋間距是隧道二襯施工質量檢查的重要指標之一，傳統抽檢方式采用鋼卷尺測量方式。應用三維激光掃描數據建立鋼筋展開模型，可在計算機模型上檢查任意部位鋼筋間距，便于二襯鋼筋間距控制。

二襯斷面與厚度控制。與初支斷面檢測及厚度分析原理相同，對二襯掃描點云數據進行分析可獲得二襯厚度是否達標、二襯凈空是否滿足要求等相關信息，便于對二襯斷面與厚度控制，保證二襯施工質量。

二襯混凝土用量控制。分析初支、二砌斷面數據可準確計算二襯混凝土實際用量，結合拌和站混凝士產量進行比對，能夠準確核查二襯澆筑是否存在較大空洞，可及時發現問題并進行處理。

該研究結果可解決當前高速公路施工中遇到的施工質量管理、檢測時間過久的問題，實現從“點”向“面”的檢測轉換，對提高隧道和邊坡檢測的準確性、保證應急時間，具有重大的學術和實際應用價值，可提高企業的經濟效益，減少企業的財產損耗。綜合運用此項技術，其優點如下：改進了企業精細管理控制方式；改善二層內層的厚度探測方法；使得檢測更方便快捷；無接觸測量，檢測速度快，測量精度高，能夠檢測到一般方法不能測得的部位、外形等。與常規的方法比較，三維激光掃描儀在工作的精度和工作效率上有很大的提升，而常規方法無法快速準確地反映出實體的整體物理特征。

2.4 隧道二次襯砌質量的評價與檢測

二次襯砌是在隧洞施工前期支護的基礎上進行的一種新型的預制混凝土襯砌，其與早期支護一起構成了一種新型的組合襯里，是一種能夠抵御軟巖蠕變壓力、膨脹力及外加載荷等的技術手段，既是支護加固、優化線路排水系統、美化隧道外觀的重要手段，又具有方便設置通信、照明、監控等設施的作用。因此，二次襯砌的厚度與品質直接影響到整個隧道的安全性與壽命。傳統的地下二次襯層厚度是通過地質雷達探測來測定的，但由于受空間探測和測線數目的限制，無法對二次襯層的厚度進行充分的了解，因此，利用三維激光掃描儀，通過與二次開挖后的對比，可以快速、全面地掌握隧道二次襯砌的厚度和二次襯砌的質量，全面地評估隧道工程的施工效果。

（1）定位標定。雷達探測：在隧道的縱長方向上共有5條測線，每個測段40 m（一條），環向5條測點，在拱頂、拱腰及左右側壁分別設一測點。如果在檢查過程中，發現了有問題的區域，必須對線路進行加密。

（2）資料加工。利用該方法對原始資料（時間斷面）進行數字化加工，可以得出時深度的斷面，通過對該斷面進行深度的解析，就可以得出該斷面的厚度和澆注狀況。

地質雷達資料的加工目的在于抑制隨機、有規律的擾動，使影像的回波具有最高的解析度，并從中抽取出各種有用的參量，從而有助于對探測結果進行合理的分析。

地質雷達數據可反映地層中電的分布情況，要把地質雷達數據轉換成地質體，必須綜合地質、施工、地質雷達等數據，才能得到探測目標的全貌。

2.5 隧道施工三維建模

三維激光點云數據可生成基于隧道施工各環節的三維精細化模型，實現隧道施工可視化場景再現，超欠挖部位、侵限數量可以色彩化展示，并能與BIM模型相融合進行工程數量、結構尺寸碰撞檢查。

3" 結束語

在隧道施工中，襯砌是隧道施工的主體，施工和維護是關鍵環節。本文主要探討了隧道襯砌的施工技術及施工技術。采用三維激光掃描儀，測量了二次襯砌前后的點云圖，得到了不同截面及不同部位的襯砌厚度，通過對這些數據的分析，可以對混凝土的滲透性能及裂紋進行識別。采用三維激光掃描儀監測和評估隧道工程質量，其具有施工簡便、結構簡單、內容全面等優點，可以應用于隧道施工及全壽命維護工作。■

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