三维激光扫描技术在隧道衬砌质量控制中的应用

（广东云茂高速公路有限公司，广东 广州 527221）

在公路建设中，经常需要修建隧道，我国公路隧道施工主要以新奥法为主。在新奥法出现早期，一般认为二次衬砌不是承载结构，仅作为安全储备提高安全度。深入研究后发现，二次衬砌也是受力的，而且在Ⅳ级及以下围岩中，其承载比例最高可达41.38%。由此可见，在软弱围岩段，二次衬砌也是承载结构。

地质雷达无损检测法可以确定衬砌厚度和密实度，被广泛应用于隧道衬砌质量检测。但地质雷达只能检测测线附近的局部情况，覆盖面积十分有限。在衬砌施工作业前后分别对隧道表面进行三维扫描，通过一定算法就可以获取衬砌的厚度值。三维激光扫描技术的精度、可靠性都有了很大的提高，这使得其在隧道监测检测中的应用成为行业的研究热点。本文将主要探讨三维激光扫描技术在隧道二次衬砌厚度控制中的应用。

一、数据获取

（一）设备和研究对象

此次采用的三维激光扫描仪数据获取速率超过100万点每秒，50米处精度最高可达0.8mm，是一台高性能、高精度的旗舰扫描仪，非常适合应用于隧道的高精度监测和检测。该扫描仪的具体参数如表1所示。

表1.三维激光扫描仪的技术参数

监测对象为广东省某高速公路隧道。该隧道为分离式长隧道，穿过构造剥蚀丘陵区，地形起伏大，地面标高138.0～342.5m，最大相对高差约204.5m。山体植被较茂密，生长灌木，种植有松树、杉树。两端洞口坡形较陡，最大坡角约45°。根据工程地质调绘成果，隧道第四系覆盖层及全-强风化层较厚，植被较发育，隧道洞身、出口一带测得部分节理结构面产状。

（二）数据采集过程

为便于后续数据处理和分析，需布设控制公共点将点云数据转换到施工坐标系中。布设好控制点后，用高精度全站仪测出控制点在施工坐标系中的坐标。在隧道内扫描时，先进行全景扫描，再对靶标球进行精扫（高精度、高质量），以提高配准精度。扫描过程中应有人看守靶标球，以避免工人触摸或误动使球的位置发生变化，影响后续点云配准精度。

2018年12月12日和12月20日，按上述要求，在相同位置分别对该高速公路隧道初期支护和二次衬砌表面进行了扫描，获得的数据质量较好。

二、数据处理和分析

（一）点云数据处理

外业扫描完成后，将扫描仪中的数据复制到计算机上并导入点云数据处理软件。在仪器自带的数据处理软件中，对扫描数据进行滤波去噪、靶标提取、点云配准、坐标转换和数据导出等处理，最终得到隧道表面的三维坐标数据文件。

同时，根据获取的衬砌表面灰度图像信息，可以清楚地发现衬砌表面的渗水区域，通过特定的边缘提取算法可以准确地计算出渗水区域的面积。衬砌表面的纹理特征在灰度图像上表现得非常详细，如果有裂缝也可以通过数字图像处理计算出其位置和长度。

（二）初支数据应用

利用初支扫描的点云数据，经过断面分析以及和设计二衬内轮廓断面进行计算可以预测出二衬厚度，防止二衬浇筑后才发现厚度不足，导致返工，从而避免造成巨大的经济损失。实际施工过程中，业主明确要求必须对初期支护进行扫描，确保二衬能够达到厚度。预测二衬厚度的具体做法是：

1、根据隧道设计信息计算出某里程s处的断面中心（拱顶所在圆圆心）三维坐标O（x0,y0,ℎ0）及该断面的法向量n=(a,b,c)进而得到该断面的方程：

2、由此可以计算出点云数据中的点到断面的距离，设定一个阈值

3、为了便于厚度计算，利用断面中心坐标O（和其法向量n再将得到的点云集转换到平面坐标系中，判断断面中的每一点所对应的设计断面圆弧，根据式（3）计算预测厚度

式中，(x′,y′)为断面点云在平面坐标系中的坐标，为设计圆弧的圆心坐标，R为相应的圆弧半径。

该隧道K39+510处初支断面的设计厚度为50cm，根据初支点云数据对该断面处的设计厚度进行了预测，考虑到施工实际情况，将二衬设计断面外扩了5cm（实际施工中一般预留5cm左右的沉降量）。该断面处的预测二衬厚度最大为55.8cm，最小为49.6cm，平均厚度为52.1cm，二衬厚度得到了有效保证，可以进行二次衬砌浇筑。

（三）实测二衬厚度

根据二次衬砌浇筑后获取的点云数据，结合在相同位置扫描的初支表面数据，可以计算出该隧道K39+510处的实际二衬厚度，计算方法与前述方法类似。为了和预测的二衬厚度进行比较，实测二衬厚度值的位置与预测二衬厚度位置相同。

根据实测结果，该断面处的二衬厚度最大为55.1cm，最小为49.1cm，平均厚度为52.8cm，二衬厚度满足相关规范要求。

将预测的厚度值与实测厚度值进行对比可以得到表2。从表中可以看出，二次衬砌厚度的预测值与实测值存在一定偏差，但偏差较小，最大偏差仅为3.5cm，说明预测结果比较准确。

表2.实测厚度与预测厚度对比

三、结语

衬砌结构是隧道工程的主体结构，隧道衬砌质量控制是隧道施工管理和运营养护的重要内容，研究隧道衬砌质量检测和控制的新方法具有重要的理论意义和工程应用价值。应用三维激光扫描技术对隧道二次衬砌前后分别进行扫描，根据两次扫描所得的点云数据可以计算出扫描范围内任意断面、任意点位处的衬砌厚度值；根据扫描获取的灰度图像，还可以对衬砌表面的渗水区域和裂缝进行检测和识别。应用三维激光扫描技术对隧道衬砌质量进行控制和评价，方法简单，实施方便，内容全面，并且可以为隧道建设和全生命周期养护提供重要的基础数据。