三维激光扫描技术在老林岗隧道工程隧道贯通测量误差调整中的应用

丁志刚

隧道变形监测是反映隧道施工情况的重要途径，传统变形监测方法主要围绕部分点和断面展开，采集的数据缺乏全面性，不具备足够的指导意义，同时存在工作量大、效率低等多重局限性。相比之下，三维激光扫描技术具有自动化、高精度等多重特点，能够一次完成扫描作业，基于采集的数据建立三维矢量模型，直观反映隧道的变形情况，是一种更具可行性的隧道变形监测手段。鉴于此，文章以老林岗隧道工程为例，着重围绕三维激光扫描技术在贯通测量误差调整中的应用要点展开探讨。

一、工程概况

老林岗隧道工程全长4555.25m，为350km/h的单洞双线隧道，隧洞所在区域以碳酸盐岩地质为主，Ⅲ级围岩3125m、Ⅳ级围岩1295m、Ⅴ级围岩135.2m。考虑到现场通风、排水等基础施工要求，于线路左侧30m处设1座辅助坑道：进口平导，与线路方向平行。

二、三维激光扫描技术在隧道监测中的应用概述

三维激光扫描技术具有突出的技术先进性，在高速激光扫描测量后，采集物体表面各点的三维坐标数据、反射率以及RGB颜色信息等，由于点的数量丰富，可构成完善的真彩色三维点云模型，给工程内业处理等相关工作的开展提供重要的参考。

三、三维激光扫描测量

仪器选用的是天宝X7三维激光扫描仪，由专员按照规范布设到位，合理操作。对于三维激光扫描测量的具体工作要点，做如下分析。

1.约束点的布设

在隧道内布设约束点，加以扫描，在完成此类点的扫描后，做融合计算，由此实现对各点三维坐标的转化，即变为工程独立坐标。根据隧道工程进度计划可知，施工时已经将CPⅢ控制网控制工作落实到位，形成丰富的CPⅢ点，因此将其直接作为约束点使用即可，此时可以高效开展三维激光扫描测量工作。

2.扫描主站的布置

扫描装置需无死角地覆盖整个扫描区域，为满足此要求，按120m的间距依次设主测站，各测站扫描的平面高程约束点的数量至少为4个，在该作业方式下，能够使相邻两个测站间有2个及以上的约束点。按照前述提及的方法设站，共形成38个主测站，扫描约束点的数量为73个。

3.扫描

（1）准备工作：在测站前后的两对CPⅢ控制点上设测量标靶，经此操作后，形成三维坐标约束点；按规范将设备安装好后，开机运行30min以上，在此过程中加强对设备运行状态的检查，有问题则及时处理，确保无异常，否则将由于设备自身的问题而影响扫描工作的顺利开展。

（2）正式扫描：将三维激光扫描仪安装到位，首先扫描设置在测站前后的两对约束点，此举能够准确掌握约束点在测站坐标系统的具体分布情况，而后再对测站覆盖范围做全方位的扫描。

4.内业数据的处理

（1）相邻测站数据的拼接

每一测站均会建立独立的三维坐标系统，在多测站扫描过程中，采集各测站的点云数据，统一汇聚在相同的自由坐标系中，而为了实现此效果，需执行三维坐标转换操作。取3个或更多的公共反射标靶约束点坐标，经计算后确定转换的旋转矩阵和平移矩阵，明确各项具体的转换参数，再借助矩阵将各测站数据汇总至独立坐标系内，而此时相邻测站的数据也将得到拼接处理，达到数据“化零为整”的效果。

测站扫描数据用天宝Field Link软件拼接，统计分析相邻测站的拼接精度，具体内容如表1所示。

表1 相邻测站拼接精度分析

根据表1内容可知，在隧道相邻测站拼接中，平面中误差、高程中误差分别为7.0mm、1.5mm，通过与隧道净空测量精度的对比分析发现，两处误差均在许可范围内，满足要求。

（2）点云配准

测量期间不可避免地产生误差，根据产生机制的不同，可分为系统误差和人为误差，各自均会对测量结果以及数据处理结果的准确性带来影响，因此如何提高精度至关重要。在本项目中，先对测站扫描点云数据做拼接处理，而后再选取相邻两站点云数据，进行点云精确配准，由此提高点云数据的准确性，尽可能减小误差。

（3）扫描数据坐标转换

按照流程完成各站数据的拼接、配准操作后，还需选取点云数据，将其转换至工程坐标系中，此环节依然根据标靶约束点的三维坐标操作。具体而言，将标靶置于CPⅢ控制点上，此布置关系下，标靶中心的坐标则指的是CPⅢ的坐标，推导自由坐标转换至工程系坐标的转换参数，再以所得的参数为指导，完成点云数据向工程坐标系的转换操作。具体至本文提及的隧道工程中，坐标转换平面中误差、高程中误差分别为4.5mm、1.5mm，得到有效的控制，满足隧道净空测量的精度要求，切实可行。关于坐标转换精度情况，如表2所示。

表2 坐标转换精度分析

（4）点云数据的抽稀处理与输出

经拼接、坐标系统转换后，点云密度较高，此时产生极为庞大的数据量，后续操作难度较大。为此，引入致筑网Z3D软件，依托于该平台，对数据按0.05m一个点做抽稀处理，而后输出产生的数据，在此前提下，高效完成断面采集工作。

四、贯通误差的调整

1.调整的基本原则

按照如下原则，组织贯通误差调整工作：

（1）对于采用坐标法施工测量的隧道，较为适宜的是采用平差法，此时的调整效果较佳。

（2）对于曲线隧道，若无法增设大半径曲线，则优先考虑顶点内移法，此时能够高效且准确地确定线路中线位置；而对于满足变更曲线半径的隧道，则采用变更曲线要素的方式。

2.平面贯通误差的调整

在本文所提的工程中，隧道位于曲线范围内，结合前述提及的平面贯通误差调整基本原则，开展相应的调整工作。曲线要素为：ɑz-24°35'04＂，R-7000m，l0-70m。综合考虑接触网杆布设位置、净空断面等相关数据，灵活地调整切线边及曲线半径，经过相应的调整操作后，曲线要素得到优化，此时有：ɑz-24°35'3.7＂，R-6993.5m，l0-140m。可以发现，按特定的原则分析后，确定贯通误差调整方法并落实到位，实际结果显示隧道中线达到线路的设计要求以及隧道限界要求，由此也表明该贯通误差调整方法具有可行性。

五、结语

综上所述，三维激光扫描技术是一项综合应用效果优于常规方法的技术，例如具有高密度采集三维数据、非接触式测量等突出的特点，采集的数据具有全面性，能够基于数据建立三维模型，以便技术人员根据模型做直观的分析，对隧道施工情况做出判断，进而合理规划后续的工作。在本文中，着重围绕三维激光扫描技术展开探讨，提出在约束点布设、扫描主站布设、扫描、内业数据处理、贯通误差调整等方面的工作要点，希望对同仁提供参考。