三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用

摘要：本文介绍了一种用以准确掌握隧道开挖尺寸的三维激光扫描技术，分析了隧道开挖工序中易出现的地质条件、地质结构、地下水、地震活动等多个方面的问题，提出了一种利用激光测距原理，通过快速、连续地扫描，获得被测物体表面的三维坐标点云数据的先进技术方案，通过分析得出了三维激光扫描技术具有很强的空间表达能力，能够生成目标真实、详细的三维模型，为设计、分析和决策提供了直观、可靠的基础数据支撑。

关键词：超欠挖；隧道；三维；激光；扫描；质量；施工

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.041

中图分类号：TU 94 文献标志码：B 文章编码：1672-7274（2025）01-0-03

Application of 3D Laser Scanning Technology in Tunnel Over Excavation Construction

ZHANG Ze

（China Railway Construction Bridge Engineering Group Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China）

Abstract： This article introduces a three-dimensional laser scanning technology to accurately grasp the excavation size of tunnels. It analyzes the geological conditions， geological structures， groundwater， seismic activity and other problems that are prone to occur in the tunnel excavation process， and proposes an advanced technical solution that uses laser ranging principle to obtain three-dimensional coordinate point cloud data of the measured object surface through fast and continuous scanning. Through analysis， it is found that three-dimensional laser scanning technology has strong spatial expression ability and can generate realistic and detailed three-dimensional models of the target， providing intuitive and reliable basic data support for design， analysis and decision-making.

Keywords： over mining and under mining; tunnel; three dimensional; laser; scan; quality; construction

1 研究背景

1.1 隧道超欠挖概述

隧道超欠挖是隧道施工中一个常见的术语，直接关系到隧道工程的质量、安全以及工程成本。超欠挖指的是在隧道开挖过程中，实际开挖的尺寸与设计尺寸之间的差异。超挖是实际开挖尺寸大于设计尺寸，而欠挖则是实际开挖尺寸小于设计尺寸。超挖可能导致材料浪费、工程成本增加和结构安全性下降，而欠挖则可能导致隧道断面不足，影响使用功能和安全。因此，准确掌握隧道开挖的尺寸，控制超欠挖，是隧道施工的重要任务。在隧道施工中，对超欠挖的控制采用多种方法和技术，以满足不同工程条件和需求。

1.2 三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是一种利用激光测距原理，通过快速、连续地扫描，获得被测物体表面的三维坐标点云数据的先进技术。这种技术具有测量精度高、效率高、可获得丰富空间信息等特点，因此在许多领域都得到了广泛应用。三维激光扫描技术还可以用于隧道施工后的质量检查、病害检测和维护保养等，提高隧道工程的管理水平和使用寿命。

在三维激光扫描技术方面，齐成龙等[1]提出利用切割、去噪、补全、降采样等算法，进行激光扫描点云预处理；通过聚类及BPA算法，将点云转化为空间三角网；借助三角网格投影及棱柱体体积积分，统计三维超欠挖情况；朱林等[2]提出运用现场数据，绘出开挖后的隧道断面超欠挖值序列曲线图，通过小波分析方法研究超欠挖值序列曲线图的分形特征，借助Matlab软件计算出某隧道案例开挖后的小波变换系数，将分形维数区间与隧道围岩级别对比，分析其趋势关系。

2 三维激光扫描技术基础

2.1 工作原理

三维激光扫描技术基于激光测距原理，通过发射激光束并接收反射的激光束，测量激光往返时间或相位差异，从而计算出扫描点与设备的距离。由于激光具有方向性强、发散角小、聚焦性好等特性，使得这一技术能够精确地测量目标点的位置。通过系统连续、快速地进行扫描，就能获得被测表面大量的点云数据，进而还原出实际物体的三维模型。三维激光扫描技术因其高精度、高效率、非接触等优点，在许多领域都有着广泛的应用。

2.2 技术特点

三维激光扫描技术具有多个显著的特点。首先，该技术能够提供高精度的测量，一般情况下，精度可达到毫米级别，满足多种应用场景的需求。其次，该技术为非接触式测量，可以远距离、大范围地获得目标的三维信息，适用于不同环境和复杂地形。第三，该技术扫描速度快，能够实时或近实时获得大量的点云数据，有助于提高工作效率。再者，该技术具有较强的适应性，可以在多种环境条件下使用，如夜间、雨雪天气等。

2.3 设备与系统

三维激光扫描技术所涉及的设备主要包括激光扫描仪、定位系统和数据处理系统。激光扫描仪负责发射和接收激光信号，采集点云数据；定位系统通常包括GPS和IMU，用于确定扫描仪在空间中的绝对位置和方向，保证点云数据的精确性和一致性；数据处理系统则用于存储、管理和处理采集到的点云数据，实现三维模型的构建、分析和应用。随着技术的发展，现代三维激光扫描设备已经实现了轻量化、便携化，同时，扫描精度和速度也得到了显著提高。

3 隧道超欠挖施工技术

3.1 超挖施工方法

隧道超挖施工方法是指在实际隧道开挖过程中，开挖尺寸大于设计尺寸的施工方法。超挖通常用于处理不稳定的地层，提供额外的结构支持，或满足特定的施工需求。超挖虽然可能会增加一定的工程成本，但在某些情况下，却能有效避免结构失稳，降低事故风险，确保工程安全。在超挖施工过程中，需要密切监测地下水位、地层变化和周围环境，及时调整施工方案，确保隧道的稳定性和安全性。此外，超挖施工也需符合相关规范和标准，以确保工程的质量和可靠性。

3.2 欠挖施工方法

欠挖施工方法是在隧道开挖过程中，实际开挖尺寸小于设计尺寸的施工方法。欠挖施工方法通常应用于地层稳定、无须额外支撑的情况，目的是减少施工成本、缩短工期，并减少对周围环境的影响。在欠挖施工过程中，虽然减少了材料使用和施工量，但仍需严格控制施工质量，避免因欠挖导致的隧道断面不足、结构强度下降等问题。因此，欠挖施工需要精确的测量和监控，确保实际开挖尺寸满足工程需求，同时保持隧道的结构完整性和使用功能。

3.3 隧道施工过程中的问题与挑战

隧道施工过程中面临多种问题与挑战。地质条件的复杂性与不确定性是隧道施工中的主要挑战之一，地质结构的变化、地下水的存在和地震活动都可能影响隧道的稳定性。其次，隧道施工通常涉及大量的地下开挖和支撑工作，如何保证施工过程中的安全、减少地表沉降和降低对周围环境的影响是施工中需要解决的问题。针对这些问题与挑战，隧道施工需要采取多种技术和管理措施，例如，通过前期地质勘探获取准确的地质信息，制定科学合理的施工方案，采用先进的施工技术和设备，加强施工现场的安全管理，以及实施严格的质量控制。

3.4 质量控制与安全管理

质量控制与安全管理是隧道施工中的重要环节，直接关系到隧道工程的质量、安全与经济效益。在质量控制方面，需要确保施工方案的科学性、合理性，严格按照设计要求和施工规范进行施工，采用合格的材料和设备，加强施工过程中的质量检测和监控，及时处理质量问题，确保工程质量达标。在安全管理方面，需要加强施工人员的安全教育和培训，提高工人的安全意识和自我保护能力，制定和实施严格的安全操作规程，加强施工现场的安全监测和预警，及时发现和处理安全隐患，减少事故发生的风险。

4 三维激光扫描技术在隧道施工中的

应用

4.1 应用前景

（1）高精度测量：三维激光扫描技术可以快速、精确地获取隧道的几何参数，为隧道施工提供精准的数据支持，有助于提高施工精度和质量。

（2）实时监测与预警：该技术能实时监测隧道的变形和位移，及时发现潜在风险，为施工安全提供保障。

（3）施工进度管理：通过定期扫描，工程管理人员可以实时了解施工进度，及时调整施工方案，提高施工效率。

4.2 实际应用案例分析

在某山区隧道项目施工中，由于地质条件复杂，存在滑坡和岩体破碎等风险。工程团队采用三维激光扫描技术，实时监测隧道周围地貌的变化，及时发现了多处滑坡的早期迹象，并采取了加固措施，避免了可能发生的安全事故。同时，通过对隧道内部的连续扫描，工程团队精确掌握了隧道的开挖进度和断面形状，确保了施工质量，并及时调整了施工方案，加快了施工进度。

5 优势与不足

5.1 三维激光扫描技术优势

三维激光扫描技术以其独特的技术特性和应用价值，在众多领域表现出显著的优势。首先，该技术能实现高精度、高效率的数据采集，通过无接触远程测量，即可快速获取目标表面的精确三维坐标信息，大大提高测量的精确度和效率。其次，三维激光扫描技术具有很强的空间表达能力，能够生成目标的真实、详细的三维模型，为设计、分析和决策提供直观、可靠的基础数据。此外，该技术具有良好的适应性和灵活性，不仅适用于各种复杂、特殊的环境和场景，还能通过搭配不同类型的扫描仪和测量系统，满足多样化的测量需求。在隧道施工中，三维激光扫描技术的应用，使得工程人员能够实时监测隧道的施工状态，及时发现和处理问题，确保工程质量和施工安全，同时可优化施工方案，提高施工效率。

5.2 三维激光扫描技术不足

尽管三维激光扫描技术具有显著的优势，但也存在一些不足之处。一方面，三维激光扫描设备的购置和维护成本较高，这在一定程度上限制了其在一些成本敏感的项目中的应用。另一方面，该技术对操作人员的技术水平和经验要求较高，需要经过专业的培训和实践，才能熟练掌握和应用，这增加了项目的人力成本。同时，虽然三维激光扫描技术能够获取大量精确的三维数据，但数据处理和分析的工作量也相应增大，对软件和硬件设备的性能要求较高，需要投入更多的时间和资源。

6 结束语

随着科技的不断发展，三维激光扫描技术在隧道超欠挖施工中的应用越发广泛。随着人们对于精细化、数字化管理需求的不断提升，这一技术将会在隧道施工中发挥更为重要的作用，推动整个建筑行业向着更加智能、高效、安全的方向发展。

参考文献

[1] 齐成龙．基于三维激光扫描的矿山法隧道超欠挖及平整度智能化检测[J]．铁路技术创新，2024（2）：99-105．

[2] 朱林，陈瑞．超欠挖隧道断面轮廓及分形特征研究[J]．交通科技与管理，2023，4（21）：79-82．

作者简介：张 泽（1993—），男，汉族，青海西宁人，工程师，本科，主要从事测量监测方面的研究和管理工作。