三維激光掃描技術(shù)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

蔡林東

（貴州順康檢測股份有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力開展，隧道工程的施工規(guī)模及數(shù)量都穩(wěn)居世界前列。雖然建設(shè)質(zhì)量與建設(shè)水平較高，但在隧道質(zhì)量檢測方面仍存在一些不足。而三維激光掃描技術(shù)的引入與應(yīng)用能夠有效彌補(bǔ)隧道質(zhì)量檢測方面的不足，可進(jìn)一步提升我國隧道工程的建設(shè)效率與質(zhì)量，使隧道工程質(zhì)量檢測向著實(shí)時(shí)化、可視化、動(dòng)態(tài)化、智能化的方向快速躍進(jìn)。

1 三維激光掃描技術(shù)的原理及技術(shù)特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)是近年來受到廣泛關(guān)注的新興技術(shù)，相對于傳統(tǒng)技術(shù)而言，效率更高，準(zhǔn)確性更強(qiáng)[1]。它是基于激光測距原理，快速掃描目標(biāo)物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、紋理等信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集，后通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，可實(shí)現(xiàn)對被掃描物體的模型創(chuàng)建。三維激光掃描儀通常由激光掃描儀、相機(jī)、電源、配套附屬設(shè)施及后期處理軟件組成。

三維激光掃描技術(shù)相較于傳統(tǒng)使用全站儀、斷面儀進(jìn)行隧道質(zhì)量檢測的方法，具有工作效率高、采樣率高、全數(shù)字特征自動(dòng)化、配備相機(jī)、擁有定位裝置等諸多優(yōu)勢，操作較為便捷。由于三維激光掃描技術(shù)所具備的諸多特性，使其能夠快速獲取空間點(diǎn)位信息的三維坐標(biāo)，從而建立具有極高還原度的三維模型，使相關(guān)技術(shù)人員能夠清晰、直觀地判斷隧道建設(shè)質(zhì)量，獲取隧道健康狀況及病害信息。

2 三維激光掃描技術(shù)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用范疇

2.1 隧道開挖質(zhì)量檢測

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道開挖質(zhì)量檢測，能夠詳細(xì)記錄、展現(xiàn)隧道開挖構(gòu)造物的情況與周邊環(huán)境的實(shí)景信息，為隧道工程的后續(xù)施工奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于斷面檢測時(shí)，可以以更高的檢測效率，通過實(shí)景還原手段，使施工團(tuán)隊(duì)對實(shí)測斷面產(chǎn)生較為清晰、直觀的認(rèn)知，并能夠與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對比分析，以便后期施工調(diào)整。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于開挖方量控制時(shí)，可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際斷面施工情況與計(jì)劃方案對比，從而簡單判斷出超挖、欠挖數(shù)量，以便后續(xù)施工的順利開展。

2.2 隧道初期支護(hù)質(zhì)量檢測

2.2.1 隧道初期支護(hù)噴射混凝土平整度檢測

初期支護(hù)噴射混凝土能夠提升開挖暴露巖石強(qiáng)度，使松散巖塊膠結(jié)，填充巖石的裂縫和凹陷，承擔(dān)壓力及剪應(yīng)力，是隧道初期建設(shè)必不可少的工藝技術(shù)。噴射混凝土的平整度越高則質(zhì)量越好，較為平整的噴射混凝土可以避免在二襯防水板安置過程中扎破止水袋，也能減少二襯混凝土施工時(shí)出現(xiàn)空洞等問題的概率。因此，隧道初期支護(hù)噴射混凝土平整度的檢測十分重要。三維激光掃描技術(shù)相較于傳統(tǒng)以尺作為測量工具的檢測手段而言，檢測速度更快、檢測范圍更加全面、檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以直觀地呈現(xiàn)噴射混凝土的平整度情況。

2.2.2 隧道初期支護(hù)噴射混凝土厚度檢測

除平整度檢測，隧道初期支護(hù)噴射混凝土還需進(jìn)行厚度檢測，該檢測環(huán)節(jié)同樣可以通過三維激光掃描技術(shù)完成，將開挖后的掃描斷面與噴射混凝土施工完成后的斷面進(jìn)行對比，即可得到初期噴射混凝土的厚度數(shù)據(jù)，整體過程快捷且結(jié)果準(zhǔn)確直觀。把控噴射混凝土的厚度，一方面可以對隧道初期支護(hù)的工程質(zhì)量產(chǎn)生客觀認(rèn)知，另一方面可以保證隧道初期支護(hù)的整體質(zhì)量，以促進(jìn)整體隧道工程質(zhì)量的提升。

2.2.3 隧道凈空穩(wěn)定性檢測

隧道凈空穩(wěn)定性檢測是保證隧道安全性與穩(wěn)定性的必要環(huán)節(jié)，能夠通過開挖面地質(zhì)素描、隧道拱頂下沉、圍巖周邊位移等項(xiàng)目檢測對隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)前，對隧道凈空穩(wěn)定性的檢測多采用全站儀。使用全站儀檢測時(shí)，想得到極為精準(zhǔn)的檢測結(jié)果，需要縮短檢測斷面間距，使得整體檢測工作強(qiáng)度較大。如果檢測斷面間距較大，則無法得出精準(zhǔn)的檢測結(jié)果。而將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道凈空穩(wěn)定性檢測，可以以40～80m/3min 的速度完成隧道內(nèi)表面的實(shí)景復(fù)制，全面反映隧道的變形情況，檢測精度與全站儀接近，但整體工作強(qiáng)度得以降低。

2.3 隧道二次襯砌質(zhì)量檢測

2.3.1 隧道凈空分析

隧道工程完成二次襯砌施工后，可采用三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行凈空分析，通過對當(dāng)前階段隧道工程的數(shù)據(jù)采集與后期分析，得出當(dāng)前階段隧道工程的斷面影像，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)際斷面影像與計(jì)劃斷面的直觀對比，從而獲得隧道中線偏移、高程偏差等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對隧道質(zhì)量的檢測與把控。

2.3.2 隧道二次襯砌厚度檢測

隧道二次襯砌厚度是影響整體隧道工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，隧道二次襯砌厚度檢測也是隧道質(zhì)量檢測的重要組成部分。三維激光掃描技術(shù)在隧道二次襯砌厚度檢測的應(yīng)用原理與斷面檢測相同，通過已完成二次襯砌與未進(jìn)行二次襯砌兩階段隧道內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對比，得出二次襯砌厚度的數(shù)據(jù)。除此之外，在此環(huán)節(jié)，還可額外完成二次襯砌所需混凝土方數(shù)的判斷，將斷面檢測數(shù)據(jù)與模型鋼筋方量進(jìn)行對比即可。根據(jù)所需混凝土方數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際混凝土的澆筑數(shù)據(jù)，即可判斷隧道二次襯砌混凝土的密實(shí)度、空洞等問題。

2.3.3 隧道二次襯砌鋼筋檢測

在隧道二次襯砌階段，除混凝土厚度外，還需檢測鋼筋放置的數(shù)量和位置。傳統(tǒng)檢測方法雖然結(jié)果精準(zhǔn)，但可能存在遺漏，可能對隧道工程的整體質(zhì)量造成影響。而三維激光掃描技術(shù)可根據(jù)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成計(jì)算機(jī)三維模型，不會(huì)出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象，能夠在減少檢測工作量、提升檢測工作效率的同時(shí)提升檢測質(zhì)量[3]。

3 三維激光掃描技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用流程

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道質(zhì)量檢測的整體流程如圖1 所示，可分為4 個(gè)階段：第一，前期準(zhǔn)備。通過現(xiàn)場踏勘，制訂作業(yè)計(jì)劃，對實(shí)際掃描位置進(jìn)行選擇判斷，并以此制訂相關(guān)設(shè)施擺放位置的計(jì)劃。第二，數(shù)據(jù)采集。依據(jù)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在作業(yè)過程中須對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，以便及時(shí)增減測站。第三，數(shù)據(jù)處理。包含點(diǎn)云拼接、過濾、去噪等流程，整體工作須耗費(fèi)較長時(shí)間。第四，點(diǎn)云應(yīng)用。完成數(shù)據(jù)的二次處理，實(shí)現(xiàn)三維建模、虛擬可視化等。

圖1 三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道質(zhì)量檢測的整體流程

3.1 前期準(zhǔn)備

由于隧道工程的獨(dú)特性，隧道質(zhì)量檢測受環(huán)境限制較大，且外業(yè)檢測現(xiàn)場呈長帶狀。但通常情況下，需要隧道質(zhì)量檢測的各方面數(shù)據(jù)有極高的精準(zhǔn)度及可靠性。因此，在隧道工程質(zhì)量檢測前，應(yīng)充分進(jìn)行前期準(zhǔn)備，以保障整體檢測工作順利完成。首先，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場探勘，了解隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，并以此制訂掃描計(jì)劃，對掃描參數(shù)、掃描范圍、掃描路線、測站數(shù)目與位置、工作人員配備等內(nèi)容進(jìn)行合理規(guī)劃，保證隧道質(zhì)量檢測工作順利開展。其次，需進(jìn)行隧道相關(guān)數(shù)據(jù)的測量，對平曲線、縱曲線、斷面資料進(jìn)行收集，為后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)。最后，需完成儀器配備，包括全站儀、三維激光掃描儀、TMS 隧道檢測專用配件等設(shè)施。

3.2 竣工控制測量方案設(shè)計(jì)

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道質(zhì)量檢測，需要設(shè)置分測站，合理設(shè)置控制點(diǎn)，以平面控制測量與高程控制測量兩種形式完成控制點(diǎn)坐標(biāo)的獲取，以便后期將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)引入測量坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接?？刂泣c(diǎn)的設(shè)置需通過踏勘進(jìn)行優(yōu)化選擇，應(yīng)確保每個(gè)控制點(diǎn)的精度都達(dá)到實(shí)際檢測標(biāo)準(zhǔn)，避免因控制點(diǎn)位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致測量精度下降。

3.3 外向掃描作業(yè)

3.3.1 APM 定位法

APM 定位法可通過全站儀快速傳遞隧道控制坐標(biāo)系統(tǒng)至掃描儀基座與定向球形靶，實(shí)現(xiàn)掃描儀的測站定位與定向。具體操作流程如下：第一，掃描儀放置于隧道中央，球棱鏡放置于相隔適宜位置。第二，進(jìn)行掃描作業(yè)。第三，從左向右、從右向左兩次進(jìn)行絕對坐標(biāo)獲取。掃描完成后，通過云處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第四，前往下一作業(yè)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟。

在此過程中應(yīng)注意：保證掃描儀平穩(wěn)架設(shè)于專用木架上，位置應(yīng)盡量位于隧道正中央，且高于地面1.6m 以上，并在正式掃描前進(jìn)行預(yù)掃描；在正式掃描過程中，應(yīng)保證掃描儀的操作面板朝向一致，且掃描范圍內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)雜物、操作人員等可能影響掃描結(jié)果的因素。

經(jīng)實(shí)踐檢測，使用該方法進(jìn)行掃描，總體精度在2mm 左右，相對精度較高，可滿足隧道質(zhì)量檢測工作的需求。并且，使用這種方法，可以改變多測站測量時(shí)需人工拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)的問題，轉(zhuǎn)而由軟件實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)拼接，可以提升后期數(shù)據(jù)分析處理效率，減少人工消耗。

3.3.2 TMS 隧道掃描

采用TMS 隧道掃描方法，主要是借助三維激光掃描儀對隧道進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)收集。通常需要根據(jù)隧道的長度，設(shè)置多個(gè)測站進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，且保證各測站間距不超過1m。相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，架設(shè)全站儀、掃描儀、球棱鏡，球棱鏡應(yīng)位于全站儀與掃描儀之間。測量時(shí)，應(yīng)保證棱鏡、靶球編號(hào)固定，以便提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

3.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

對三維激光掃描技術(shù)所采集到的隧道質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的整體流程可簡單概括為：新建工程文件—設(shè)置工程坐標(biāo)—輸入竣工測量數(shù)據(jù)（平曲線、豎曲線、橫坡數(shù)據(jù)等）—設(shè)置理論斷面—掃描文件絕對定位—掃描數(shù)據(jù)處理—斷面提取、分析、出報(bào)告。接下來將對數(shù)據(jù)處理階段的部分重要內(nèi)容進(jìn)行分析。

3.4.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過三維激光掃描技術(shù)完成對隧道的掃描、數(shù)據(jù)收集后，所得到的數(shù)據(jù)僅為點(diǎn)與點(diǎn)之間相對位置的關(guān)系，需要結(jié)合全站儀測量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最終形成可供后續(xù)操作處理的常規(guī)數(shù)據(jù)形式。

3.4.2 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云拼接的主要目的是將所采集到的多段隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行整合拼接，使之成為一個(gè)完整的整體[4]。點(diǎn)云拼接的操作原理是通過公共標(biāo)靶、重合點(diǎn)云等形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，點(diǎn)云拼接有公共標(biāo)靶、重合點(diǎn)云與混合拼接3 種形式。使用公共標(biāo)靶形式進(jìn)行點(diǎn)云拼接，需要在掃描過程中，在相鄰2 個(gè)測站之間設(shè)置多個(gè)公共標(biāo)靶，并以此作為拼接基點(diǎn)實(shí)現(xiàn)拼接。使用重合點(diǎn)云形式進(jìn)行點(diǎn)云拼接，是通過重合2 個(gè)測站掃描數(shù)據(jù)的公共部分的形式實(shí)現(xiàn)拼接，通常需要人工輔助，以避免計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)漏?；旌掀唇蛹词墙Y(jié)合上述兩種形式，通常在掃描場景情況復(fù)雜時(shí)使用，通過兩種形式的結(jié)合，提升復(fù)雜情境下數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

3.4.3 點(diǎn)云去噪

因?yàn)榧す鈷呙钑r(shí)，掃描儀會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，噪聲會(huì)附著在被掃描物體表面，從而影響掃描結(jié)果，所以要進(jìn)行點(diǎn)云去噪。點(diǎn)云去噪是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化的處理流程，簡單來說便是通過一定技術(shù)操作去除隧道掃描數(shù)據(jù)中的噪點(diǎn)，只保留有效數(shù)據(jù)，以此提升隧道掃描數(shù)據(jù)的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。點(diǎn)云去噪方式有人工剔除、反射率過濾、減少噪聲、刪除體外孤點(diǎn)4 種形式[5]。

第一，人工剔除是通過人工形式對噪點(diǎn)進(jìn)行辨別與刪除。

第二，反射率過濾即利用點(diǎn)的不同反射率進(jìn)行錯(cuò)誤噪點(diǎn)剔除。

第三，減少噪聲可利用軟件自帶命令進(jìn)行操作。

第四，由于激光接觸到物體邊緣時(shí)會(huì)被切割，所采集到的點(diǎn)源數(shù)據(jù)便會(huì)存在誤差。進(jìn)行隧道掃描時(shí)，部分邊緣位置或裂縫便會(huì)因激光切割出現(xiàn)偏離點(diǎn)，需要采用刪除體外孤點(diǎn)的形式進(jìn)行處理。

3.4.4 點(diǎn)云裁切

為了完成完整的隧道數(shù)據(jù)采集，通常會(huì)設(shè)置多個(gè)測站連續(xù)進(jìn)行三維激光掃描。為保障采集數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性，應(yīng)確保相鄰測站的間距小于激光掃描的最大距離。但這樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)存在部分重復(fù)數(shù)據(jù)，需要在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行裁切處理，以減少后期數(shù)據(jù)處理時(shí)的干擾因素，提升整體數(shù)據(jù)處理效率。在一些大型隧道質(zhì)量檢測工作中，由于所采集到的數(shù)據(jù)量過大，常規(guī)計(jì)算機(jī)難以滿足運(yùn)算需求，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重卡頓問題，因此需要通過點(diǎn)云裁切手段進(jìn)行數(shù)據(jù)削減，從而保證數(shù)據(jù)處理的流暢性。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)在隧道質(zhì)量檢測中的應(yīng)用能夠突破傳統(tǒng)質(zhì)量檢測方式的局限性，其能夠以更加快速、準(zhǔn)確、全面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過程中多個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢測，并完成自動(dòng)化、信息化、可視化的優(yōu)化突破。相信在未來，三維激光掃描技術(shù)必會(huì)應(yīng)用于隧道建設(shè)的更多方面，也能進(jìn)一步提高隧道工程的整體建設(shè)質(zhì)量。