三維激光掃描儀在軟巖大變形隧道變形監(jiān)測中的應用研究
——以木寨嶺隧道為例

丁杰

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

0 引言

在隧道施工中，開挖是一道重要工序，超欠挖會威脅隧道施工安全以及影響后期運營。因此，超欠挖控制是隧道施工質(zhì)量評定的重要指標。目前對隧道進行斷面測量大都使用精密測量儀器進行自動觀測，主要有斷面儀法、全站儀法及三維激光掃描儀法，能夠獲取高精度數(shù)據(jù)，并通過后處理軟件生成超欠挖報告[1]。當前，隧道監(jiān)測最常用的檢測手段是斷面儀法和全自動全站儀法。前者用途單一，自動化程度較低；后者方式靈活，但無法全部反映隧道超欠挖情況[2]。三維激光掃描技術不僅監(jiān)測效率高，而且可以連續(xù)獲取高精度的空間數(shù)據(jù)信息。在隧道工程領域應用三維激光掃描技術，主要聚焦于點云拼接方法、去噪算法等數(shù)據(jù)預處理研究[3]、隧道變形分析和三維模型構(gòu)建、點云擬合中軸線和提取橫斷面算法等技術研究[4]。目前三維激光掃描技術已經(jīng)廣泛應用于公路、鐵路、地鐵隧道施工監(jiān)測、支護評估體系、預留變形量研究及災害診斷和服役狀態(tài)評價等領域。借助三維激光掃描技術的實景復制功能，在隧道施工領域，可以實現(xiàn)對施工開挖、初支、襯砌等不同工序，進行快速數(shù)據(jù)掃描，進而可以實現(xiàn)隧道監(jiān)測從點到面的跨越。

1 三維激光掃描技術的原理、特點分析

1.1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：激光發(fā)射器發(fā)出脈沖信號，到達目標點后經(jīng)漫反射反向同路徑傳回到接收器，得到目標點與掃描儀的距離；通過控制編碼器得到橫向、縱向掃描角度的觀測值。這樣就可以通過編譯得到地形及目標物體的幾何空間數(shù)據(jù)。最后，將獲取的空間數(shù)據(jù)、點云坐標通過后處理軟件換算成以不同格式輸出的絕對坐標系中的空間模型或坐標，滿足不同應用的需求。

1.2 三維激光掃描技術的特點

相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術，三維激光掃描技術具備：數(shù)據(jù)掃描的非接觸性；掃描密度高；掃描的精度高；快速獲取點云數(shù)據(jù)；掃描方式齊全；可視化、自動化、數(shù)字化掃描；可獲取不同坐標下的三維坐標等優(yōu)點。

1.3 三維激光掃描隧道斷面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

Leica Cyclone、Polyworks、Point-cloud 等點云數(shù)據(jù)處理軟件基本功能都是對點云數(shù)據(jù)進行配準、建模等操作，一般適用于對點云數(shù)據(jù)進行前期處理。由于隧道施工中，隧道內(nèi)粉塵大、滲水、噪音大、光線暗等會對測量造成影響。為減少測量誤差，盡量在隧道中軸線設置測站，還必須控制測站與測量斷面距離在30m以內(nèi)。在進行點云數(shù)據(jù)處理時，柱狀過濾、角度過濾和多邊形過濾等。如圖1所示，三維激光掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)點云配準、斷面提取、斷面對比分析、斷面收斂變形分析等功能。

圖1 三維激光掃描隧道斷面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成

2 工程應用與對比分析

2.1 工程概況

木寨嶺隧道是蘭海高速（G75）渭源至武都段控制性工程，穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧道左線進口里程ZK210+635，出口里程ZK225+856，全長15231m；右線進口里程K210+635，出口里程K225+798，全長15173m。洞身最大埋深約629.1m。木寨嶺隧道巖性主要為礫巖、炭質(zhì)板巖、千枚化炭質(zhì)板巖、砂巖等。隧址區(qū)構(gòu)造交匯部位地應力高度集中，最大水平主應力達到了18.76MPa，圍巖強度應力比小于4，屬極高應力區(qū)。隧址穿越了3 個背斜、3 個向斜、12 條斷層、6 處褶皺，地質(zhì)構(gòu)造極其復雜。在施工過程中，由于圍巖軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈現(xiàn)薄層狀結(jié)構(gòu)（1～3cm），揉皺發(fā)育，變形嚴重；斷層構(gòu)造明顯，層理呈壓扭性不規(guī)則狀等，整體性差，自穩(wěn)能力弱，易掉塊坍塌、且易發(fā)生順層滑塌；掌子面有股狀水、滲水，局部有突涌水；變形數(shù)據(jù)不收斂，造成大部分段落初支侵限拆換，部分段落二次襯砌開裂破壞。

2.2 三維激光掃描技術在木寨嶺隧道中的應用

2.2.1 現(xiàn)場監(jiān)測方案與方法

外業(yè)工作主要包括：采用設備：FARO Focus 3D三維激光掃描儀、全站儀；控制測量：采用全站儀進行隧道控制網(wǎng)測量，測得控制點坐標；掃描數(shù)據(jù)采集：利用掃描儀全景掃描；掃描與控制測量的結(jié)合：三聯(lián)腳架法、后方交會（坐標拼接）。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括：點云數(shù)據(jù)拼接；點云數(shù)據(jù)去噪；成果提取：點、線、三維模型數(shù)據(jù)提取；將隧道中心線作為基線導入軟件中。通過軟件自動生成里程斷面；與設計值進行比較，輕松獲取超欠挖數(shù)據(jù)。為了檢驗該方法在大變形隧道的適用性、監(jiān)測精度，本文選取拱頂、拱腰三個監(jiān)測點，如圖2所示，作為研究對象，進行監(jiān)測精度對比。傳統(tǒng)監(jiān)控量測主要使用全站儀，通過預設控制點，預埋監(jiān)測點標靶，分別采用兩種監(jiān)測方法，監(jiān)測出同期三個監(jiān)測點的變形，進行對比。

圖2 隧道開挖斷面檢測方案

2.2.2 隧道超欠挖分析

將三維激光掃描儀測得的隧道開挖后斷面與設計毛洞斷面做對比分析，即可得到斷面的超欠挖量。在隧道初支施做完畢后，通過軟件，從監(jiān)測范圍內(nèi)提取任意實測斷面輪廓，將其與設計初期支護斷面進行對比，即可得到該斷面的凈空尺寸，從而判斷該斷面的預留值以及是否侵入設計輪廓線。

2.2.3 襯砌厚度分析

對同一里程的不同施工階段（開挖、初支、二襯）的實測斷面數(shù)據(jù)可以做對比，得到該里程的襯砌厚度值。外圈為初支實測斷面，內(nèi)圈為二襯實測斷面，通過對比處理即可得到二襯厚度值，外圍數(shù)字是該里程斷面在某一點處的實際二襯厚度。

2.2.4 隧道變形分析

通過對前后兩次測量提取出的同一里程斷面尺寸圖進行對比，可以得到該斷面任意部位的變形量，能夠全面的掌握隧道的變形情況。通過對比K213+281 斷面5.19 和5.25 所測的初支斷面，可以看出該斷面拱頂及左側(cè)區(qū)域變形較大，右側(cè)區(qū)域變形較小。

綜上，如圖3所示，木寨嶺隧道右洞K213+281～YK213+290 斷面5.19 與5.25 三維激光掃描所測得的隧道實測斷面積、超欠挖面、實測周長等數(shù)據(jù)表。通過分析三維激光掃描所測得的隧道斷面數(shù)據(jù)，可快速直觀的三維立體化展示超挖欠挖情況。

圖3 三維激光掃描隧道部分斷面超欠挖數(shù)據(jù)分析圖

3 結(jié)語

三維激光掃描技術在木寨嶺隧道工程實例表明，三維激光掃描技術不僅具有與傳統(tǒng)測量技術相當?shù)臏y量精度，更具有自動化、數(shù)字化、可視化采集數(shù)據(jù)，效率高，數(shù)據(jù)可以全面、立體化展示等優(yōu)點，可應用于隧道超欠挖、支護變形分析，為其提供更精準、更完備的數(shù)據(jù)支撐。證實三維激光掃描技術能夠成功實現(xiàn)在高速公路隧道變形監(jiān)測中的應用。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、點云數(shù)據(jù)配準、斷面處理、隧道變形分析、數(shù)據(jù)輸出等流程，可以快速批量地進行斷面的超欠挖分析。