基于三維激光掃描技術的高速公路下伏采空區探測研究

中圖分類號：TD326 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）18-0080-04

Abstract： There is an iron mine goaf below the K7+715-K7+747 section of the Benhuan Expressway. The distribution of thegoaf isdetectedusingthree-dimensional（3D）laserscaning.Thethree-dimensionallaserscanningofthetargetgoafis dividedintotwostages：thefirststageisscanedusingahandheld3Dlaserscanner，andthesecondstageisscanedusinga drilingtype3Dlaserscaner.ThroughtheuseofLASresultsdatanoiseremovalandredundantdataeliminationwerecaried outinthegoafareainthelaterstage.Modelingandencapsulationwerecariedouttogeneratecross-sectionaldiagrams， providingreliableguarantees foron-siteconstructionsafety.Theresearchresultshavecasereferenceandguidancesignificance forsimilar engineering problems.

Keywords： goaf; highway engineering; three-dimensional （3D） laser scanning; construction; detection

礦山資源開采后遺留下采空區，采空區的形成容易引發地表呈現連續性或非連續性的沉降變形，存在地表塌陷和頂板冒落的隱患，給采空區上方的施工人員與設備帶來極大的安全隱患[1-2]。因此，采取有效的探測方法，準確探明采空區的形態規模、埋藏深度等特征，是公路下伏采空區施工亟需解決的首要問題。近年來，國內外研究人員對采空區探測技術進行了大量的研究，陳強強等基于地球物理勘查技術，對濟源克井一煤礦采空區進行探測，采用EH-4連續電導率剖面法，得到了物探推測采空塌陷區分布圖；束勇4利用廣域電磁法，探測安慶銅礦三號礦體采空區，實現了對采空區的精確定位，并獲得了該區域的地質特性;Chuantao Yu 等采用瞬變電磁法成功探明了 300m 深富水采空區的形態規模，并通過鉆探對探測結果進行了驗證；李英賓等以伊犁盆地南緣采空區為研究對象，結合現場的氣候水文條件，分析磁法與音頻大地電磁測量的優勢，綜合2種物探方法探索伊犁盆地

南緣采空區的分布范圍

近年來，地下采空區探測方法已有數十種，主要包括電阻異常測量法、物探、磁法、鉆探和地震波法等，然而上述方法僅能對采空區進行粗略探測，無法準確揭示其內部具體特征。三維激光掃描技術可以快速地獲得采空區的三維點云數據，通過掃描探測出的點云構建出采空區的“外衣”來最大限度地還原其完整形態并進行三維重建，進而展示出金屬礦山采空區的真實整體結構形態特征。基于此，本文以本桓高速公路段下伏鐵礦采空區為研究對象，采用三維激光掃描技術，根據采空區位置的不同以及內部圍巖不同的復雜程度，分別使用手持式與鉆孔式激光發射裝置，對該采空區進行了精準探測，探測成果可作為對鉆探的驗證，并為后期采空區處治以及路基施工做鋪墊。

1 工程概況

本桓高速公路項目位于本溪市明山區境內，公路主線挖方段內存在一處鐵礦采空區，如圖1所示，根據前期勘察結果，該路段的主要地層為第四系（ ?Q₄^dl+pl） （碎石，太古界（Arcg）變粒巖、磁鐵角閃片巖及石英砂巖，該采空區已停采6年，所處山體主要巖性為變粒巖，為較堅硬巖，圍巖級別為V類。采用三維激光掃描的方式，和洞內外施工地形聯測，匯集采空區激光點云數據、控制點聯測，并生成點云數據模型。確定采空區形態、洞頂距離設計路面高度以及整體高速公路施工通過該采空區的具體方位相對信息。

（a） 創建初始點云并提取\"Surfels”

2掃描儀原理及工作介紹

2.1手持式三維激光掃描儀

手持式移動三維激光掃描儀選用GeoSLAMZEBHorizon，采用目前最輕便的SLAM掃描系統，如圖2所示。

SLAM（Simultaneous localization and mapping），意為“實時定位與地圖構建”。SLAM可以理解為：掃描儀在未知環境中從一個未知位置開始移動，在移動過程中依據位置預估與地圖信息實現自我定位，同時在自身定位的基礎上構建增量式地圖，以達成掃描儀的自主定位和導航，如圖3、圖4所示。

激光掃描數據 特征匹配一點云拼接 三維點云模型IMU位置數據 SLAM算法

當前，車載平臺是地面移動測量系統的基礎，但兩者均離不開全球導航衛星系統（GNSS）及慣性制導技術的支持。然而，室內及地下空間因缺乏GNSS信號，導致傳統移動測量系統無法有效運作。SLAM技術能夠不依托GNSS信號對室內和室外的地面水平環境進行地圖構建和環境建模，對工作環境有極強的適應性，因此其在測繪領域中的應用對于解決傳統測繪中的定位及場景重建問題具有廣闊的前景，具體依次表現為： ① 外業數據采集速度極快，可快速獲得所需點云數據，數據精度高。 ② 內業點云數據預處理時間短，高度自動化，幾乎無需人工介入，能迅速獲取已配準的點云結果。 ③ 操作簡單方便，無需換站，可實現連續采集并保持數據連貫，支持室內外一體化掃描作業。 ④ SLAM技術賦能的移動測繪掃描儀在多樣環境中具備持久作業能力，故障頻率低。針對高精度需求的重點區域，該系統可與固定站式三維激光掃描裝置協同作業，既確保測量精度，又提升作業效率。 ⑤ 外業數據采集速度極快， 100Hz 線掃描速度，ZEBHorizon可在幾分鐘內快速獲取精細的三維空間點云數據。 ⑥ 慣導系統與SLAM算法相結合，無需GPS輔助，即可實現高精度點云的自動配準。

3.1.2 點云精度

2.2鉆孔式三維激光掃描儀

鉆孔式三維激光掃描儀探頭前端配置微型攝像機，可在下放過程中實時觀察鉆孔內部狀況。如孔壁是否變形從而影響繼續下放，孔內積水情況等。在探頭伸入采空區后，由攝像機反饋回來的圖像可以指示探頭伸入鉆孔的深度，為探頭掃描工作開始前選擇合適的位置。設備同時擁有以下諸多優勢： ① 集成化程度高，電腦、電池、控制系統完全集成在一個控制箱內；掃描速度快，電池續航時間長； ② 靈活的使用方法，多種架設方式，體積小，運輸方便； ③ 系統配備電子羅盤、電動絞車，可實現自動提升、下放，降低現場施工人員勞動強度，提升測量作業效率。現場施工如圖5所示。

點云精度絕對誤差小于 5cm ，精度良好，如圖6所示。

3三維激光掃描技術在本桓公路下伏采空區的實際應用

3.1.3 探測成果

探測成果所得采空區斷面圖如圖7所示。

3.1第一次掃描

第一次掃描建模采用手持式三維激光掃描儀，在確保安全的前提下，從洞口進入采空區大概 90m ，地面施工場地聯測約 2000m² 。

3.1.1 作業內容

基于SLAM激光掃描，采用GeoSLAMRTK、靈光SLAM類型儀器，平面坐標與高程系統為獨立坐

3.2 第二次掃描

針對第一次手持式掃描成果分析，在公路施工范圍內有部分采空區沒有完全探測出來，需要探測但人員無法進入，故采用鉆孔式三維激光掃描儀進行二次補測。

3.2.1 作業內容

利用鉆孔式三維激光掃描儀的方式，在預先提供的3個鉆孔，進行空區建模。采集采空區激光點云數據、控制點聯測，并生成點云數據模型。具體補測范圍如圖8所示。

3.2.2 探測成果

因掃描儀無法掃描巖體后物體，故掃描成果顯然分成2段。掃描成果如圖9、圖10所示。其中，圖10左下角部分為鉆孔式三維激光掃描儀掃描數據，其余部分為手持式SLAM掃描成果。

所示，后期施工可根據需要切出設計所需要的縱斷面圖、橫斷面圖和所需的剖面圖。

確定了采空區分布范圍與公路路線的相對位置，如圖12所示。進而明確了采空區處理范圍，為采空區的治理提供了翔實的依據。

4結論

通過2次的掃描、建模，生成了采空區三維立體形態圖，成功地探測出了采空區的形態、規模，如圖11

參考文獻：

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