高速公路隧道施工监测技术研究

楼慧元

【摘 要】依据获取的监测信息，结合经验反馈和回归分析，合理确定支护时机和支护参数，确保施工安全及良好的经济性，有效评价围岩和隧道结构的稳定性，并总结出围岩和隧道结构的变形和受力变化规律，为隧道设计和施工提供参考。本文主要介绍了隧道三维点云施工监测技术与应用，仅供参考。

【关键词】隧道；施工；监测

一、监测原理

隧道真三维点云施工监测技术基于三维激光测量原理，所采用的激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，测距原理可分为三角法、脉冲法、相位移法和脉冲-相位移法，测量平台可分为地面固定型、车载型、手持型及机载型。通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描，在测程范围内扫描视场范围内的反射体，进行空间坐标定位测量和点云特征采集，具有扫描度快、定位精度高和全景范围实时测量的优点。

二、数据采集

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复制出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。

三维激光扫描仪数据采集过程可分为以下步骤：（1）根据已知控制点放置好参考球或标靶；（2）打开三角架，正确安装扫描仪器；（3）开机，设置测量项目和分辨率；（4）开始扫描；（5）文件检查与浏览；（6）关机。

三维激光扫描仪数据采集过程必须遵循以下原则：（1）仪器安装位置一般应居监测区近中间的位置，每个隧道监测前必须提供不少于三个坐标控制点（k1，k2，k3，k4），仪器安装位置如图1所示；（2）控制点图形优选等边三角形控制，三角形最小内角不小于25°；（3）标志球位置采用强制对中措施，最大误差不超过2 mm；（4）仪器镜头出现水印或面状灰尘时，监测数据视为无效；（5）仪器超出适用保护状态时，监测数据视为无效。

三、隧道监测坐标系统与坐标转换

四、数据处理与监测成果

数据处理主要内容是将噪点剔除，进行点云拼接等，获取正确连续性的信号。处理方法可采用系统处理或人工处理，首先采用系统去噪消除背景干扰信号，再用人工局部处理删除干扰信号。

成果文件输出操作步骤：

（1）导入隧道标准模型数据，并进行模型封装；

（2）导入隧道监测成果数据，并进行模型封装；

（3）进行模型对比计算；

（4）进行任意断面浏览查看；

（5）输出隧道模型变形对比数据与颜色预警预报表；

（6）输出隧道模型与监测模型对比图；

（7）生成隧道固定断面图；

（8）生成隧道断面监测数据和对比数据；

（9）生成断面侵限对比分析图；

（10）生成隧道结构应力监测与预警预报图。

五、工程应用与对比分析

本隧道所在区域地层构造为青藏高原东南缘，是川滇菱形块体、华南块体和临沧-思茅块体的结合部位，全隧道7 377 m均为富水软弱Ⅴ级围岩，岩性为砂岩、板岩、灰岩等，地层以不整合接触为主，极易发生突水突泥事故。地表有水库、铁路、高速公路等特殊构筑物，特别是富水条件Ⅴ级围岩横洞与正洞交叉段喇叭口施工控制难度极高，在施工过程中曾多次发生突水突泥事故，以及隧道周边膨胀变形等地质灾害。

隧道施工三维点云信息化监测系统自2014年在本隧道开始运用，主要功能是对监测隧道进行数据信息采集、点云数据处理、坐标转换、模型对比分析、变形对比分析和侵限对比分析等。

根据隧道设计文件可以在隧道坐标系中建立隧道标准模型，根据监测到的点云数据可以行隧道开挖过程与标准模型的对比分析，确定隧道的开挖进度、方向和尺寸大小。圖3为隧道监测模型与标准模型对比结果，图中彩色部分为已开挖的隧道，颜色深浅处表示隧道超欠挖的多少和位置，图4表示具体断面的超欠挖尺寸和大小。

隧道施工三维点云信息化监测系统可以进行任意时间段内的隧道开挖过程与模型对比分析，本隧道三号斜井大里程不同时间隧道变形分析模型对比如图5（图中兰颜色表示隧道右侧收敛值，红颜色表示隧道左侧收敛值）所示，断面侵限对比分析如图6所示。，由隧道变形对比分析图可知，本隧道三号斜井大里程在隧道开挖初期变形量较小，变形基本上是对称分布的；随着开挖后时间的增加，变形量逐渐增加，并出现不对称变形。由图6可知，隧道开挖后出现不对称变形，左侧多处侵限。

六、监测数据精度对比与分析

为检查和分析三维激光检测系统的精度结果，采用Leica TPS1200全站仪测量结果与三维激光测量系统检测的同一天不同测量断面的测量结果进行了对比，对比结果如图7所示。

光扫描仪测量，断面测量数据精度均达到铁路监测规程规定的要求，二种方法测量结果吻合非常好，点位相对误差均小于2 mm，高程相对误差均小于2 mm。

2、测量数据对比分析

为衡量三维激光扫描仪的测量精度，采用全站仪和扫描仪分别测量同一隧道的断面大小，并进行对比。由图7可知，无论采用全站仪测量还是采用激光扫描仪测量，断面测量数据精度均达到铁路监测规程规定的要求，二种方法测量结果吻合非常好，点位相对误差均小于2 mm，高程相对误差均小于2 mm。

结束语

隧道施工三维点云信息化监测系统是隧道开挖过程中的监测与分析系统，主要功能是数据信息采集、点云数据处理、坐标转换、模型对比分析，变形对比分析和侵限对比分析；及时地掌握隧道施工过程中隧道的沉降和收敛情况、隧道结构的受力和变形情况，为及时调整支护参数、确定二次衬砌最佳时机、修改设计提供可靠的依据；并对监测成果进行分级预警预报、分级风险管理。

采用隧道三维坐标监测系统可以根据监测到的点云数据进行隧道开挖过程与标准模型的对比分析，确定隧道的开挖进度、方向和尺寸大小。

三维激光扫描系统采用激光相位移测量原理，具有速度快、精度高等优点。其测量结果与LeicaTPS1200全站仪对比表明，精度符合规范规定的相关要求，数据十分接近。

参考文献：

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