三维激光扫描技术在公路隧道检测中的应用

李青松

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000)

随着我国经济水平的提升，我国的隧道施工技术也得到了极大的进步，近些年公路隧道的修建数量也呈现出逐渐增长的趋势。统计数据表明，我国隧道的总长度高居世界第一位，且我国在许多环境复杂的公路路段也进行了隧道的修建[1]。伴随着隧道数量的增加，也对隧道检测技术提出了更高层面的要求。三维激光扫描技术近些年被应用的日益广泛，并在隧道检测过程中发挥着更为重要的作用。运用三维激光扫描技术可以对隧道内的结构状况进行清晰的认知，有助于隧道工程的进一步推进。

1 三维激光扫描技术概述

1.1 三维激光扫描技术概念

三维激光扫描系统主要是由电源、供应系统、计算机、三维激光扫描仪、支架和系统配套的软件所构成的。三维激光扫描系统的一大重要组成部分就是三维激光扫描仪，扫描仪主要是由时间计数器、激光射器、微电脑以及软件等所构成的。现阶段在测绘领域三维激光扫描技术发挥着重要的作用，被认为是继GPS技术之后又一次伟大的技术革命[4]。三维激光扫描仪普遍具有专业性、高效性的特点，它能够更加清晰地将图像印射出来，在运用它进行拍照时，能够将细节更加清晰地呈现出来，同时也能够展现出全景。三维激光扫描仪还能够运用自身的自动化系统对所拍摄的图片进行处理、加工，避免了传统摄像机的调整步骤，且三维激光扫描仪的应用区域极为广泛，它可以被应用于隧道、滑坡、矿山等不同的区域。

1.2 技术原理

三维激光扫描仪、配件以及软件操作设备共同组成了三维现阶段的三维激光扫描技术，该技术被认为是一种新型的信息获取技术[5]。同时，三维激光扫描仪也可以被称之为“激光测距仪”，其工作原理是信号反射的原理。三维激光扫描仪可以通过自身实现信号源的发射，其发射出的信号源又会被转化成为新的信号并反射回来，在这一过程中，平面与扫点形成的斜距和平面垂直坐标就可以形成一个三维空间图。

随着三维激光扫描技术在公路隧道检测中的应用逐渐深入，该技术的特点也逐渐被认知。现将三维激光扫描技术特点总结为以下几个方面。

1.2.1 扫描密度高

在对数据进行采集时，三维激光扫描技术可以对采样点进行自由设置，然后再对物体进行扫描，最终就可以得到不同精度的数据。由此可见，该技术具有时间长且扫描间隔小的特点。

在公路隧道测检测工作中条件普遍较为恶劣，有许多测量工作是通过人力无法完成的，而三维激光扫描技术却可以轻松完成[6]。这就表明三维激光扫描技术能够无接触、快速的对隧道空间图进行还原。

1.2.2 获得点云数据速度快

在隧道检测工作过程中，需要进行大量数据的收集，为了推进公路隧道施工的进程，收集数据需要高效、快速，三维激光扫描技术对隧道的检测可以达到每秒千点甚至十万点的数据。将三维激光扫描技术应用其中可以进行大范围的扫描，在几秒之内就可以得到隧道的全部信息，通过这样的方式极大提高了隧道检测工作的质量以及效率。

2 隧道施工检测要点

隧道施工一直具有施工时间长、难度大的特征，为了更好地将三维激光检测技术应用于公路隧道检测过程中，就应当对隧道施工进检测进行全面的研究。经过不断的实践研究，现将隧道施工检测要点总结如下。

2.1 隧道进洞开挖

隧道施工的第一步就是隧道进洞开挖，隧道工程的质量与隧道进洞开挖关系密切，且隧道进洞开挖与后期许多工作都有着一定的关联[7]。隧道从开挖到建成会牵扯到很多问题，若前期挖的过多，则后期就需要进行回填，在回填的过程中也需要进行回填的测量，如若回填量不够，就有可能造成隧道的结构不稳定；如若挖的少，又会对隧道的内部空间产生影响，无法保证隧道的稳定性。挖掘隧道往往会涉及山体，山体中就会有一定的水渗透的情况，所以在隧道开挖的过程中，还应当做好内部防水的工作。这种情况的出现就对隧道开挖的整齐性有一定的要求，所以隧道开挖是建设隧道一个极为重要的环节，工作人员必须在开发前去实地进行考察，并对各种情况进行测算，进而完成隧道开挖方案的制定。同时，在施工过程中也应当将制定的方案不断完善和改进。

2.2 选择恰当的断面开挖方式

随着建筑技术的日益发展，断面开挖的方式也逐渐丰富起来，每一种不同的断面开挖方式都具有自身的优点以及缺陷，这就需要在施工过程中根据隧道的实际情况进行开挖方式的选择。开挖方式选择的目的主要是根据围岩条件、施工方法和安全性以及经济性等因素，减少对围岩的扰动，使隧道的稳定性增强，降低在施工过程中发生意外的概率。在隧道断面开挖前应当进行地质勘测，通过这样的方式可以减少施工事故的发生率。只有隧道施工过程中的安全性得以保证，隧道施工技术才会逐渐走向成熟[8]。隧道开挖前的前期工作是隧道工程稳步推进的关键一步，只有选择最为恰当的断面开挖方法，才能够保证施工过程的安全。

2.3 超前地质预报监控

超前地质预报指的是运用严密的科学计算对可能出现的地质情况进行推算并形成预报，超前地质预报被认为是隧道工程施工过程中的保护伞[9]。超前地质预报可以根据施工地的周围环境，判断出周围以一定范围内的围岩的地质条件。在隧道施工过程中，切忌盲目施工，应当率先对地质情况进行清晰的了解，而后具体问题具体分析，根据施工地的实际情况制定可行性最大的方案，规避可能出现的风险[10]。超前地质预报对施工人员技术提出了极高的要求，施工人员必须经过严格勘察、精准计算后才能进行施工方案的制定。同时在突发情况发生时应尽快作出反应，并立即将问题解决。整体隧道检测需要做到未雨筹谋，应对即将对有可能出现的困难进行推测，并提前预先做好防护。

3 三维激光扫描技术在公路隧道检测中的应用

3.1 识别结构面

在隧道岩体结构的研究过程中，结构面一直都是研究的重点对象，且结构面具有一定的结构特征，如在二维面上无限延伸性。结构面的相关参数主要包含密度、面积、结构等，所以在对隧道稳定性进行评价或者是对其掌子面岩体结构进行检测的时候，率先应当对结构面的有关数据进行分析与检测。检查结构面缝隙是隧道中最常的检验数据，在这一过程中，经常使用的工具有皮尺以及罗盘。现阶段三维激光扫描技术已经对罗盘实现了全面的替代。由于三维激光扫描技术检测也具有一定的局限性，它只能够检测到高密度的岩体结构面，且该结构面需露出地表，而后三维激光检测技术才能够通过露出部分的三维点得到所需要的岩体监测数据。故而在公路隧道检测过程中，应当秉持因地制宜的原则，充分利用三维激光扫描技术获得较为准确的检测数据，并将这些数据应用到公路隧道实际施工过程当中。以湖北项目隧道为例，运用莱卡Cyclone软件和其在CAD中的插件绘制断面图，并将点云导入到软件中。为了在能够进行断面点云的截取，应当建立一个坐标系。坐标系的三轴应当以隧道前进正方向为X轴的正方向，Y轴是水平向右，Z轴则指向天空。而后设置纵断面与YOZ平面，对投影到断面的点云厚度进行调整，对断面点云进行截取。完成点云截取后，应当将Cyclone所得到的视图导入至CAD中进行断面图的绘制。再通过对断面图进行绘制过程中，也可以对隧道结构的情况进行详细的了解。

3.2 测量和获取产状

公路隧道在施工中会极大受到地质条件的影响，所以在地质勘探时，岩石信息的获取难度较大。但三维激光扫描技术却可以完成这一项工作，它能够非常轻松地越过这些难题，并发挥自身的优势，获取到岩石体的三维点数据，而后能够将这些数据输入到计算机程序当中，并进行计算和编译。最终在复杂的作业环境中将工作完成，还能够保证隧道施工的正常进行，也能够保证施工的安全性。

3.3 测量结构面间距和迹长

间距通常情况下指的是隧道结构面中节理的建造情况。迹长指的是岩石结构和迹线相交时所余出的那一部分的长度。运用三维激光扫描技术可以实现对结构面间距和迹长的测量，三维激光扫描技术主要是通过对结构面的端点进行监测，而后实现对间距的计算和测量。将三维激光扫描技术应用其中可以保证测量数据的准确性，推进隧道施工的正常进行，进而提高施工效率。

3.4 统计和分析节理

节理是指岩石的表面特征，所有具有一定年代的岩石都存在节理。统计数据表明，在隧道中的节理需要对其密度进行统计，密度通常情况下会分为三种，第一种是线的密度，也就是间距，它能够对结构面的数量进行反映；第二种就是面的密度，它是指在一定的范围内节理的数量；第三种就是体密度，体密度指的是一定体积内的节理数量。在隧道地质勘查中，极为重要的指标就是线密度。因为隧道的结构面对于维护隧道的稳定性至关重要，如若未观察仔细就会出现结构面互相交叉的情况。所以在进行地质调查时，一定要将线密度作为充分考量的因素。现阶段关于线密度测量方法有很多种，三维激光扫描技术就是其中一种，该技术可以以最快的速度将间距测量出来，同时也能够用运用计算机系统将爆破以后的隧道场景呈现出来，完成对节理数的测算。将三维激光扫描技术应用在节理的分析与统计过程中，可以实现对节理数据更加清晰地呈现，为隧道工程的顺利推进提供数据上的支持，保障公路隧道工程可以在客观科学数据指导下进行建设，还能够对工程质量进行最大程度上的保障。

4 结 语

三维激光扫描技术是近些年较为新兴的技术，该技术是一种自动化技术，且具有精度高、立体扫描的特点。通过三维激光扫描技术可以在极短的时间内将三维空间图像呈现出来。现阶段三维激光扫描技术被应用的领域愈发广泛，将三维激光扫描技术应用到公路隧道检测过程中弥补了传统检测的弊端，丰富了检测方式，提高了检测质量。我国三维激光扫描技术具有起步较晚的特征，所以在日后的工作过程中应当加强对三维激光扫描技术的完善。同时也应当在公路隧道检测过程中更多的使用三维激光扫描技术，促进公路隧道检测进一步向前发展。