三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用

侯海元

(广西交投科技有限公司，广西 南宁 530021)

0 引言

近年来，随着交通建设的不断发展，各类型的隧道越来越长、越来越复杂。隧道开挖是公路、地铁等大型基础工程建设的重要施工环节之一。隧道按设计要求开挖是隧道施工的关键步骤，不论是超挖还是欠挖都会延误工期增加施工成本。现有监测手段如全站仪、水准仪、测量机器人等均存在效率低的问题，都是基于点的测量不能整体反映隧道形态变化等劣势。三维激光扫描技术在业内有“实景复制技术”的美誉，是测绘地理信息领域继“GPS定位技术”后的又一项重大技术革新[1]。三维激光扫描技术突破了传统测量中由点到线、再由线到面的单点作业模式，能快速获取被扫描物表面的海量三维点云数据，实现了从点测量到面测量的跨越。

三维激光扫描属于非接触性测量，无需与被测物体接触，可以在很多复杂环境中应用。另外伴随着点云处理技术的快速发展及软件使用的简便化，获取的点云数据只需经过简单的处理即可直接使用，大大降低了使用难度，十分适用于隧道施工建设。目前三维激光扫描技术在隧道建设的施工测量、断面测量、变形监测、竣工测量、三维地理信息系统等方面越来越受到重视。

1 三维激光扫描原理及应用

1.1 三维激光原理

三维激光扫描是从激光测距仪发展来的。单点激光测距仪出现了50多年，价格已经很便宜，但是只能针对特定点单点测距。如果将激光测距仪安装在转台上，随着旋转平台旋转一周，点状的单束激光就会测出一个截面信息，得到了二维激光雷达扫描。将点状的单束脉冲激光，在进行水平旋转的同时，垂直方向也进行旋转，就得到了三维激光雷达扫描[2]。三维激光扫描仪的关键部件有激光发射器、扫描控制模块器、距离测量模块、水平发射镜和垂直反射镜等感应器[3]，其基本组成见图1。

图1 三维激光扫描仪基本组成图

1.2 三维激光技术在隧道方面的应用

1.2.1 竣工测量

竣工测量的主要内容包括：超欠挖断面分析、断面收敛、侵界检测、隧道中心轴线、砌衬厚度、方量测量、材料用量和工程量分析等。

1.2.2 断面测量

隧道断面测量主要内容包括：隧道中心线生成；隧道断面参数设定(其中包括隧道断面位置设置、隧道断面属性设置以及断面提取位置设置)；分析成果报表输出。

1.2.3 变形监测

隧道变形监测主要内容包括：全面断面收敛分析、中心轴线偏差、线路侵界、隧道渗水、裂缝、钢筋裸露异状等多种分析。

1.2.4 三维建模

采用当前成熟先进的三维建模技术，构建项目区域内的三维模型，包括隧道内及附属机电设施模型。

2 地面三维激光在隧道超欠挖中的应用

隧道超欠挖分为超挖和欠挖两种形式。当隧道开挖轮廓线大于隧道设计轮廓线时即是超挖；而当隧道开挖轮廓线小于隧道设计轮廓线时即是欠挖[4]。想要判断隧道是否超欠挖，首先需要计算隧道的设计面积，然后计算实际开挖后截取断面的面积。控制超欠挖主要是开挖轮廓线(或周边孔线)的精度要控制好。由于测量错误引起的超欠挖在隧道施工中将是致命的，必须规避此类风险[5]。

某隧道采用爆破的形式开挖。开挖后在洞壁上布设钢筋网，然后再喷射水泥浇筑来完成一衬，一衬和二衬之间还有40 cm的支护厚度，一衬结束后要保证二衬的水泥厚度。所以一衬的水泥衬砌厚度要得到控制，超挖没有问题，欠挖区域需要凿下去。在项目开展过程中采用三维激光技术进行隧道超欠挖分析，既能保证测量放样隧道中线和标高的准确性，也能定制化分析结果输出，方便了施工管理。主要作业步骤如下：

(1)数据采集及预处理。项目中采用一台相位式三维激光扫描仪进行数据采集工作，测距范围0.3～187.3 m，采点速率：101.6万/s；内置相机：全景8 000万像素(HDR技术)；扫描视角：360°×320°。

三维激光扫描仪作业现场用全站仪获取标靶的绝对坐标，辅助后期三维激光扫描数据的绝对坐标转换。利用设备自带的LASER CONTROL软件进行数据预处理，主要进行站点数据拼接、去噪、绝对坐标转换、各种常见点云数据的导出等预处理工作。软件界面如图2所示。

图2 点云处理软件界面图

(2)设计数据与实测数据套合。主要完成设计断面和设计中轴线的套合工作。具体而言首先将隧道的一衬设计断面从CAD中提取出来，做成一条闭合的多段线(主要是为了在3DReshaper中制作闭合的设计模型)，通过道路设计要素(道路设计要素一般都是由设计院给出的，包括平曲线要素表、竖曲线要素表、断链表)来计算逐桩表，然后在CAD中生成设计中轴线(见图3)。

图3 设计数据和实测数据套合效果图

(3)隧道断面检测和隧道超欠挖数据处理。将设计模型、设计中轴线、实测点云数据套合在一起，按照设计中轴线进行切片，在断面上显示按照设计模型的法线方向计算设计模型和实测模型之间的距离。通过设置断面切片间隔、起始里程值、超欠挖色谱等，对比结果导出.dxf格式数据文件。断面数据可清晰反映各个区域的变形量，方便分析和评估变形带来的安全隐患(如图4所示)。通过设定不同的阙值来控制显示区域的面积和显示颜色，定量并且直观地分析出与施工质量相关的一些问题，作为对施工质量把关的一种参照。此外，也可以按照里程方向依次显示隧道超欠挖体积，并以标签方式定量显示。

图4 3D隧道超欠挖分析色谱定量分析图

(4)隧道对比检测结果和隧道超欠挖体积分析成果和报告导出。利用3DReshaper软件制作形式多样的分析成果报告，并结合现场要求进行报告的定制化输出，方便施工单位和监理单位进行施工质量检查，指导后期对欠挖区域进行处理。例如根据施工单位需要，将隧道欠挖区域的坐标值和欠挖体积量导出到EXCEL，方便以后在实地指导施工中使用；将软件分析出来的欠挖区域的坐标用标签的形式标注以指导施工作业；将断面对比成果导出成DXF文档，作为监理方检测成果资料等(见图5)。

图5 超欠挖体积分析展示图

3 结语

利用三维激光扫描技术，对在建隧道进行超欠挖分析，结果表明：

(1)与传统测量技术相比，三维激光扫描技术不仅可以保证设计施工所要求的测量精度，更具有数据采集效率高、数据全面性强、结果可三维立体化展示等特点。

(2)使用3DReshaper软件制作形式多样的分析成果报告，并结合现场要求进行报告的定制化输出，应用于隧道开挖相关的施工流程，可以为隧道超欠挖分析提供更完备、更精准、更多样化的数据服务。

(3)三维激光扫描技术不仅有效地提高了测绘作业的效率，而且提升了隧道施工测量的安全性。

随着我国对隧道建设质量要求的日益提高和对工程安全意识的日渐重视，三维激光扫描技术必将成为一种重要的隧道测量技术手段。