三维激光扫描技术在隧道质量检测中的应用

蔡林东

（贵州顺康检测股份有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

随着我国基础设施建设的大力开展，隧道工程的施工规模及数量都稳居世界前列。虽然建设质量与建设水平较高，但在隧道质量检测方面仍存在一些不足。而三维激光扫描技术的引入与应用能够有效弥补隧道质量检测方面的不足，可进一步提升我国隧道工程的建设效率与质量，使隧道工程质量检测向着实时化、可视化、动态化、智能化的方向快速跃进。

1 三维激光扫描技术的原理及技术特点

三维激光扫描技术是近年来受到广泛关注的新兴技术，相对于传统技术而言，效率更高，准确性更强[1]。它是基于激光测距原理，快速扫描目标物体表面点的三维坐标、反射率、纹理等信息，实现数据收集，后通过计算机数据处理，可实现对被扫描物体的模型创建。三维激光扫描仪通常由激光扫描仪、相机、电源、配套附属设施及后期处理软件组成。

三维激光扫描技术相较于传统使用全站仪、断面仪进行隧道质量检测的方法，具有工作效率高、采样率高、全数字特征自动化、配备相机、拥有定位装置等诸多优势，操作较为便捷。由于三维激光扫描技术所具备的诸多特性，使其能够快速获取空间点位信息的三维坐标，从而建立具有极高还原度的三维模型，使相关技术人员能够清晰、直观地判断隧道建设质量，获取隧道健康状况及病害信息。

2 三维激光扫描技术在隧道质量检测中的应用范畴

2.1 隧道开挖质量检测

三维激光扫描技术应用于隧道开挖质量检测，能够详细记录、展现隧道开挖构造物的情况与周边环境的实景信息，为隧道工程的后续施工奠定数据基础[2]。三维激光扫描技术应用于断面检测时，可以以更高的检测效率，通过实景还原手段，使施工团队对实测断面产生较为清晰、直观的认知，并能够与设计断面进行对比分析，以便后期施工调整。三维激光扫描技术应用于开挖方量控制时，可以根据点云数据，实现实际断面施工情况与计划方案对比，从而简单判断出超挖、欠挖数量，以便后续施工的顺利开展。

2.2 隧道初期支护质量检测

2.2.1 隧道初期支护喷射混凝土平整度检测

初期支护喷射混凝土能够提升开挖暴露岩石强度，使松散岩块胶结，填充岩石的裂缝和凹陷，承担压力及剪应力，是隧道初期建设必不可少的工艺技术。喷射混凝土的平整度越高则质量越好，较为平整的喷射混凝土可以避免在二衬防水板安置过程中扎破止水袋，也能减少二衬混凝土施工时出现空洞等问题的概率。因此，隧道初期支护喷射混凝土平整度的检测十分重要。三维激光扫描技术相较于传统以尺作为测量工具的检测手段而言，检测速度更快、检测范围更加全面、检测结果更加准确，可以直观地呈现喷射混凝土的平整度情况。

2.2.2 隧道初期支护喷射混凝土厚度检测

除平整度检测，隧道初期支护喷射混凝土还需进行厚度检测，该检测环节同样可以通过三维激光扫描技术完成，将开挖后的扫描断面与喷射混凝土施工完成后的断面进行对比，即可得到初期喷射混凝土的厚度数据，整体过程快捷且结果准确直观。把控喷射混凝土的厚度，一方面可以对隧道初期支护的工程质量产生客观认知，另一方面可以保证隧道初期支护的整体质量，以促进整体隧道工程质量的提升。

2.2.3 隧道净空稳定性检测

隧道净空稳定性检测是保证隧道安全性与稳定性的必要环节，能够通过开挖面地质素描、隧道拱顶下沉、围岩周边位移等项目检测对隧道的稳定性进行判断。应用三维激光扫描技术前，对隧道净空稳定性的检测多采用全站仪。使用全站仪检测时，想得到极为精准的检测结果，需要缩短检测断面间距，使得整体检测工作强度较大。如果检测断面间距较大，则无法得出精准的检测结果。而将三维激光扫描技术应用于隧道净空稳定性检测，可以以40～80m/3min 的速度完成隧道内表面的实景复制，全面反映隧道的变形情况，检测精度与全站仪接近，但整体工作强度得以降低。

2.3 隧道二次衬砌质量检测

2.3.1 隧道净空分析

隧道工程完成二次衬砌施工后，可采用三维激光扫描技术对其进行净空分析，通过对当前阶段隧道工程的数据采集与后期分析，得出当前阶段隧道工程的断面影像，即可实现实际断面影像与计划断面的直观对比，从而获得隧道中线偏移、高程偏差等数据，实现对隧道质量的检测与把控。

2.3.2 隧道二次衬砌厚度检测

隧道二次衬砌厚度是影响整体隧道工程质量的重要环节，隧道二次衬砌厚度检测也是隧道质量检测的重要组成部分。三维激光扫描技术在隧道二次衬砌厚度检测的应用原理与断面检测相同，通过已完成二次衬砌与未进行二次衬砌两阶段隧道内点云数据的对比，得出二次衬砌厚度的数据。除此之外，在此环节，还可额外完成二次衬砌所需混凝土方数的判断，将断面检测数据与模型钢筋方量进行对比即可。根据所需混凝土方数数据，结合实际混凝土的浇筑数据，即可判断隧道二次衬砌混凝土的密实度、空洞等问题。

2.3.3 隧道二次衬砌钢筋检测

在隧道二次衬砌阶段，除混凝土厚度外，还需检测钢筋放置的数量和位置。传统检测方法虽然结果精准，但可能存在遗漏，可能对隧道工程的整体质量造成影响。而三维激光扫描技术可根据采集到的点云数据生成计算机三维模型，不会出现遗漏现象，能够在减少检测工作量、提升检测工作效率的同时提升检测质量[3]。

3 三维激光扫描技术的实际应用流程

应用三维激光扫描技术进行隧道质量检测的整体流程如图1 所示，可分为4 个阶段：第一，前期准备。通过现场踏勘，制订作业计划，对实际扫描位置进行选择判断，并以此制订相关设施摆放位置的计划。第二，数据采集。依据作业计划进行数据采集，在作业过程中须对采集数据进行监控，以便及时增减测站。第三，数据处理。包含点云拼接、过滤、去噪等流程，整体工作须耗费较长时间。第四，点云应用。完成数据的二次处理，实现三维建模、虚拟可视化等。

图1 三维激光扫描技术进行隧道质量检测的整体流程

3.1 前期准备

由于隧道工程的独特性，隧道质量检测受环境限制较大，且外业检测现场呈长带状。但通常情况下，需要隧道质量检测的各方面数据有极高的精准度及可靠性。因此，在隧道工程质量检测前，应充分进行前期准备，以保障整体检测工作顺利完成。首先，应进行现场探勘，了解隧道内部结构的变化情况，并以此制订扫描计划，对扫描参数、扫描范围、扫描路线、测站数目与位置、工作人员配备等内容进行合理规划，保证隧道质量检测工作顺利开展。其次，需进行隧道相关数据的测量，对平曲线、纵曲线、断面资料进行收集，为后续内业数据处理奠定基础。最后，需完成仪器配备，包括全站仪、三维激光扫描仪、TMS 隧道检测专用配件等设施。

3.2 竣工控制测量方案设计

采用三维激光扫描技术进行隧道质量检测，需要设置分测站，合理设置控制点，以平面控制测量与高程控制测量两种形式完成控制点坐标的获取，以便后期将点云数据坐标引入测量坐标系实现点云数据拼接。控制点的设置需通过踏勘进行优化选择，应确保每个控制点的精度都达到实际检测标准，避免因控制点位置不准确导致测量精度下降。

3.3 外向扫描作业

3.3.1 APM 定位法

APM 定位法可通过全站仪快速传递隧道控制坐标系统至扫描仪基座与定向球形靶，实现扫描仪的测站定位与定向。具体操作流程如下：第一，扫描仪放置于隧道中央，球棱镜放置于相隔适宜位置。第二，进行扫描作业。第三，从左向右、从右向左两次进行绝对坐标获取。扫描完成后，通过云处理软件进行数据处理。第四，前往下一作业点，重复上述步骤。

在此过程中应注意：保证扫描仪平稳架设于专用木架上，位置应尽量位于隧道正中央，且高于地面1.6m 以上，并在正式扫描前进行预扫描；在正式扫描过程中，应保证扫描仪的操作面板朝向一致，且扫描范围内不应出现杂物、操作人员等可能影响扫描结果的因素。

经实践检测，使用该方法进行扫描，总体精度在2mm 左右，相对精度较高，可满足隧道质量检测工作的需求。并且，使用这种方法，可以改变多测站测量时需人工拼接点云数据的问题，转而由软件实现高效自动拼接，可以提升后期数据分析处理效率，减少人工消耗。

3.3.2 TMS 隧道扫描

采用TMS 隧道扫描方法，主要是借助三维激光扫描仪对隧道进行点云数据收集。通常需要根据隧道的长度，设置多个测站进行数据收集，且保证各测站间距不超过1m。相关工作人员应根据实际需求，架设全站仪、扫描仪、球棱镜，球棱镜应位于全站仪与扫描仪之间。测量时，应保证棱镜、靶球编号固定，以便提高后续数据处理的准确性。

3.4 内业数据处理

对三维激光扫描技术所采集到的隧道质量数据进行处理的整体流程可简单概括为：新建工程文件—设置工程坐标—输入竣工测量数据（平曲线、竖曲线、横坡数据等）—设置理论断面—扫描文件绝对定位—扫描数据处理—断面提取、分析、出报告。接下来将对数据处理阶段的部分重要内容进行分析。

3.4.1 坐标转换

通过三维激光扫描技术完成对隧道的扫描、数据收集后，所得到的数据仅为点与点之间相对位置的关系，需要结合全站仪测量的坐标数据完成坐标转换，最终形成可供后续操作处理的常规数据形式。

3.4.2 点云拼接

点云拼接的主要目的是将所采集到的多段隧道数据进行整合拼接，使之成为一个完整的整体[4]。点云拼接的操作原理是通过公共标靶、重合点云等形式对数据进行整合，点云拼接有公共标靶、重合点云与混合拼接3 种形式。使用公共标靶形式进行点云拼接，需要在扫描过程中，在相邻2 个测站之间设置多个公共标靶，并以此作为拼接基点实现拼接。使用重合点云形式进行点云拼接，是通过重合2 个测站扫描数据的公共部分的形式实现拼接，通常需要人工辅助，以避免计算机自动处理时出现错漏。混合拼接即是结合上述两种形式，通常在扫描场景情况复杂时使用，通过两种形式的结合，提升复杂情境下数据处理的准确性。

3.4.3 点云去噪

因为激光扫描时，扫描仪会产生一定的噪声，噪声会附着在被扫描物体表面，从而影响扫描结果，所以要进行点云去噪。点云去噪是对点云数据进行优化的处理流程，简单来说便是通过一定技术操作去除隧道扫描数据中的噪点，只保留有效数据，以此提升隧道扫描数据的真实性与准确性。点云去噪方式有人工剔除、反射率过滤、减少噪声、删除体外孤点4 种形式[5]。

第一，人工剔除是通过人工形式对噪点进行辨别与删除。

第二，反射率过滤即利用点的不同反射率进行错误噪点剔除。

第三，减少噪声可利用软件自带命令进行操作。

第四，由于激光接触到物体边缘时会被切割，所采集到的点源数据便会存在误差。进行隧道扫描时，部分边缘位置或裂缝便会因激光切割出现偏离点，需要采用删除体外孤点的形式进行处理。

3.4.4 点云裁切

为了完成完整的隧道数据采集，通常会设置多个测站连续进行三维激光扫描。为保障采集数据的完整性与准确性，应确保相邻测站的间距小于激光扫描的最大距离。但这样点云数据会存在部分重复数据，需要在后期数据处理时进行裁切处理，以减少后期数据处理时的干扰因素，提升整体数据处理效率。在一些大型隧道质量检测工作中，由于所采集到的数据量过大，常规计算机难以满足运算需求，可能会出现严重卡顿问题，因此需要通过点云裁切手段进行数据削减，从而保证数据处理的流畅性。

4 结语

三维激光扫描技术在隧道质量检测中的应用能够突破传统质量检测方式的局限性，其能够以更加快速、准确、全面的优势，实现隧道建设过程中多个环节的质量检测，并完成自动化、信息化、可视化的优化突破。相信在未来，三维激光扫描技术必会应用于隧道建设的更多方面，也能进一步提高隧道工程的整体建设质量。