隧道断面3D激光扫描监测技术实践研究

武向乾

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300459)

0 引言

在黑暗、封闭、潮湿等工作条件比较差的公路隧道施工环境中，如果采用传统的隧道测量方法，如倒挂尺、收敛计、全站仪等，存在工作时间长、成本高等缺点，不能满足当前公路工程建设的要求。

3D激光扫描测量技术是一种利用激光测距采集3D坐标的测量技术。与传统的测量设备和技术相比，3D激光扫描仪适应公路环境能力更强，应用范围更广[1]。3D激光扫描测量技术具备“立体式测量”的特征，能够在黑暗潮湿的隧道中进行扫描，它已成功应用于隧道变形、边坡沉降检测等施工领域[2]。以四川九绵高速公路桂溪隧道为例，研究了3D激光扫描测量技术在公路隧道变形、超挖和欠挖中的监测应用。

1 3D激光扫描隧道断面质量管理系统简介

基于3D激光扫描测量技术的隧道断面质量管理系统包括3个部分：

1)参数收集板块。通过3D激光扫描仪和全站仪互相配合进行测量监测，得到立体测量数据，构筑从点测量到线测量再到表面测量的三维模式，能迅速构建隧道工程项目的3D立体模型[3]。

2)前端处理板块。对采集到的点云数据进行清理优化，实现超欠挖、平整度、平直度、圆度、截面、变形、方量、中心线偏差等关键指标的分析计算。对点云数据进行处理，形成立体工程模拟图像，利用点云数据的颜色、反射强度等信息对隧道渗水、裂缝进行分析，实现隧道质量的可视化管理，促进隧道工程质量的有效管理[4]。

3)系统研究板块。系统研究端是项目断面测量系统的核心。借助对点云参数的处理，与隧道BIM模型开展相关比较，研究断面步距对开挖的影响、第一次支护和二次衬砌的超欠挖、平整度验算、断面分析、变形验算、体积验算、真圆度验算、实现中心线偏差验算等功能。根据超欠挖数据分析、平整度数据分析、体积数据对比、变形数据等信息，科学研究各区间内的施工过程参数和成型质量参数，形成综合评价指标。该评价指标既能判断已完工程的质量，又能为后续施工提出改进措施，防止出现超挖、欠挖的情况。基于3D激光扫描测量技术的隧道断面质量管理系统内容详如图1所示。本文仅对基于3D激光扫描测量技术的公路隧道变形、超欠挖监测进行了研究[5]。

2 3D激光扫描技术优点

3D激光扫描技术具有以下优点：1)主动性强，可实现全覆盖；2)精度比较高，能快速反馈隧道开挖面成形的结果，及时修正，提高开挖成形质量。3)全数字功能，方便进行信息处理、传输[6]。传统测量方法与3D激光扫描仪的比较情况详见表1。传统测量技术不能及时发现超欠挖位置，而3D激光扫描仪可以连续、自动、快速地采集大量数据，也就是点云，可迅速发现具体超欠挖的位置。

图1 基于3D激光扫描测量技术的隧道断面质量管理系统功能架构

表1 监测方法对比表

3 3D激光扫描仪的测量公式

3D扫描隧道监测技术监测示意图如图2所示。测距光束沿着仪器的纵横轴旋转，纵横轴作为测站坐标系的Z轴和Y轴。目的是计算点云数据中目标点P的站坐标。测量原理如图3所示。

图2 扫描仪监测示意图

图3 测量原理图

目标点P的3D坐标计算公式[7]如式(1)，其中S、θ、α依次是斜距、垂直角和水平角。

(1)

得到目标点P的点位中误差公式[8]如式(2)：

(2)

式中mXp、mYp、mZp、mSsp、mθ、mα分别为Xp、Yp、Zp、Ssp、θ、α的中误差。

3D激光扫描技术工艺流程图如图4所示，详细步骤为：1)3D坐标可采用棱镜靶球或平面测量靶，控制基准数要求≥3个；如果站数>1个，则目标球作为相邻两个站的配准标记，并确保数量>3个。2)对点云数据进行坐标变换。3)建立隧道设计模型，按照设计数据构建隧道设计中心轴以及设计断面。4)找出隧道设计模型和点云模型间的偏差。5)详细测算隧道工程变形以及超欠挖数据[9-10]。

图4 3D激光扫描技术工艺流程图

4 工程应用实例

4.1 项目概述

四川九绵高速公路桂溪隧道，长度为5 722.917 m。将K194+330～K197+200里程范围作为试验断面，该断面平均埋深约67 m。从开挖和支护开始到铺设防水板，使用3D激光扫描仪进行连续监控。

隧道通过三台阶法开挖施工。测站之间的距离是S′，隧道直径是D′，入射角是θ′，于是S′=D′×tanθ′。要求最佳入射角θ′的范围<60°。断面图详如图5所示。

选取K194+248断面进行监测，根据施工节点计算隧洞各掘进阶段的累计变形量。变形统计如图6～7所示。

图5 设计断面图(单位：m)

图6 K194+248断面阶段性累计变形(单位：m)

图7 隧道整体变形曲面图(单位：m)

从图 6～7可以看出：1)最大变形在偏离20 m处。 2)中台阶施工时，上台阶已经出现比较大的形变。左侧中间台阶及上台阶存在一些变形，终累积变形接近。3)不同断面进行对比，下台阶能及时闭合成环，有效防止了变形。

从图7可以看出，最大变形位置为左中台阶与下台阶的交界处(偏离位置为 17 m)，以及中台阶与左上台阶。

4.2 精准论证

4.2.1 稳定性分析

对隧道变形进行3D激光扫描监测：通过选取10个里程(每个里程选取19个监测点)进行监测，共得到190个监测数据，每组有12个测量值。由于监测精度受角度测量、距离测量以及客观环境条件制约，平均中位误差是2.54 mm，中位误差≤2 mm的比例是65.26%，平均误差是1.7 mm，平均误差没≤2 mm的比例是77.89%。

4.2.2 超欠挖分析

根据表2的超欠挖情况，在隧道对应位置用红漆标出，然后人工用冲击钻凿除，以满足现场二次衬砌混凝土衬砌的要求。最后再使用全站仪或3D激光扫描仪重新测量，闭合成型后即可开展修复施工，从而满足二次衬砌厚度及现场施工质量要求。

表2 测量成果技术交底

5 结论

实践证明3D激光扫描仪在隧道超欠挖控制中具备更加精准、快速、立体而全面的特点。3D激光扫描测量技术作为一项先进技术，能够精准、快速地获得公路隧道的相关检测数据，提高了施工效率和施工质量。