摘要：傳統(tǒng)隧道變形監(jiān)測(cè)多采用全站儀進(jìn)行，測(cè)量工作量較大。三維激光掃描系統(tǒng)可提供場(chǎng)內(nèi)、有效測(cè)程的一定采樣密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量精度加高，數(shù)據(jù)采集進(jìn)度快。文章首先對(duì)三維激光掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的構(gòu)成和工作流程進(jìn)行分析，然后對(duì)三維激光掃描變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)采集與分析進(jìn)行了闡述，最后結(jié)合實(shí)例對(duì)隧道變形進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道變形監(jiān)測(cè)方法；全站儀；采樣密度；測(cè)量精度；數(shù)據(jù)采集 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U456 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0218-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.110

1 概述

三維激光掃描技術(shù)為非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量有很大差異。該技術(shù)通過掃描便可快速獲得高密度、高精度、大面積的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，掃描速度快，可達(dá)萬點(diǎn)每秒。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的光線條件沒有明確要求，即使在黑暗環(huán)境下也可進(jìn)行測(cè)量，一次測(cè)量便可獲得隧道內(nèi)部的全面數(shù)據(jù)，再根據(jù)測(cè)量要求和目的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便可獲得隧道任一斷面的變形數(shù)據(jù)，了解隧道當(dāng)前的運(yùn)行狀況。由此可見，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，便于操作和數(shù)據(jù)

處理。

2 三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成和工作流程

三維掃描技術(shù)又名實(shí)景復(fù)制技術(shù)，該技術(shù)是在激光測(cè)距技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可以獲得隧道內(nèi)部實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理分析可以建立相應(yīng)的三維實(shí)體模型，其精確度較高。然后結(jié)合坐標(biāo)控制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化分析與比較即可獲得實(shí)體變形特征數(shù)據(jù)。

為了便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、斷面提取、斷面對(duì)比分析和斷面收斂變形分析等諸多功能，需要建立完善的三維激光掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)聯(lián)合了Matlab數(shù)據(jù)平臺(tái)，根據(jù)三維激掃描系統(tǒng)的工作原理采集隧道變形數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的具體優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：第一，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，該系統(tǒng)可直接對(duì)隧道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并在處理過程中剔除無效信息，如激光反射光束、隧道管線、現(xiàn)場(chǎng)人員的噪聲點(diǎn)等；第二，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，在各站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作結(jié)束后，其坐標(biāo)系統(tǒng)一，便于后期數(shù)據(jù)的再處理；第三，斷面處理，對(duì)于已經(jīng)設(shè)定的間隔提取斷面點(diǎn)云，需對(duì)隧道中心軸線進(jìn)行最小二乘擬合；第四，對(duì)隧道的變形量進(jìn)行計(jì)算與分析，依據(jù)每個(gè)斷面的測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面擬和，并將其與設(shè)計(jì)圖紙和以往工程資料進(jìn)行比對(duì)了解隧道收斂變形情況；第五，數(shù)據(jù)輸出，可以通過文本或圖形顯示數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)結(jié)果。作業(yè)流程如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 布設(shè)控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)

本文研究采用的徠卡三維激光掃描儀，其為高速度和高精度的激光掃描儀，集合了多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用于各類工程測(cè)量項(xiàng)目。單點(diǎn)測(cè)量精度高達(dá)6mm。測(cè)距范圍為300m，模型表面精度為±2mm。采用三維掃描儀可以快速獲得密集目標(biāo)物體表面的三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，但是在使用三維掃描儀進(jìn)行測(cè)設(shè)之前需要做好準(zhǔn)備工作，合理布設(shè)控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)。因?yàn)槿S掃描技術(shù)特征以及獲取數(shù)據(jù)的后期處理要求有所差異，控制點(diǎn)的布設(shè)方案也就有所不同。依據(jù)不同掃描儀的有效測(cè)距范圍和多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等相關(guān)要求進(jìn)行控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)工作。為了保證掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一，便于后期數(shù)據(jù)處理，且可進(jìn)行多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，盡量不將控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在不同的直線與平面上。

這里對(duì)隧道掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)分析。所謂點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是指使兩幅點(diǎn)運(yùn)輸局同名點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)（）滿足相同變換矩陣T，需滿足如下方程：

式中：P、Q分別為兩次掃描的點(diǎn)集；pi、qi分別為點(diǎn)集P以及Q中的某點(diǎn)。

在應(yīng)用上述公式解決實(shí)際問題時(shí)，會(huì)遇到查找點(diǎn)對(duì)以及求解矩陣T的問題，為此可以用所有同名點(diǎn)匹配誤差大小對(duì)配準(zhǔn)進(jìn)行判斷，如下：

式中：E為配準(zhǔn)誤差；Np為點(diǎn)對(duì)數(shù)量；D為兩個(gè)相似點(diǎn)的最近距離。

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件的配準(zhǔn)模塊中一般支持兩種配準(zhǔn)方式，即點(diǎn)云配準(zhǔn)和基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。部分軟件可以用于大地控制點(diǎn)的配準(zhǔn)。

第一，基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)?；邳c(diǎn)云的配準(zhǔn)就是在兩副點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找出不在統(tǒng)一直線上的三個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行電源匹配。軟件中基于電源的配準(zhǔn)方法是先選擇3個(gè)同名的點(diǎn)進(jìn)行初步配準(zhǔn)，然后按照式（1）進(jìn)行優(yōu)化，保證配準(zhǔn)精確，最高精度可達(dá)3mm；第二，基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。三維激光掃描系統(tǒng)中有專用的平面標(biāo)靶，在每站測(cè)量工作中可將其作為標(biāo)志點(diǎn)，架設(shè)在變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上用作變形點(diǎn)的分析工作，也可以隨意架設(shè)作為配準(zhǔn)目標(biāo)；第三，基于大地控制點(diǎn)的配準(zhǔn)。實(shí)地測(cè)量過程中會(huì)受到多種因素的影響，如儀器電源使用時(shí)間等，為了縮短測(cè)量工作時(shí)長(zhǎng)，需在不影響測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的情況下制定最佳的測(cè)量方案?；诖蟮乜刂泣c(diǎn)的配準(zhǔn)方法綜合三維激光掃描儀測(cè)量工作的性質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)的布設(shè)要求，任意架設(shè)掃描儀，將標(biāo)靶在控制點(diǎn)上作為特征點(diǎn)便可快速獲得隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中需將測(cè)量得到的標(biāo)靶架設(shè)高度輸入至大地坐標(biāo)軟件中，輸入之后再進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)便可。

3.2 數(shù)據(jù)采集

布設(shè)控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)后則可以定期對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描。需要注意的是，在獲取數(shù)據(jù)過程中，需將掃描儀安裝在測(cè)站上，并調(diào)整好儀器的角度等，將其與計(jì)算機(jī)相連接，設(shè)置好功能參數(shù)，再啟動(dòng)掃描儀，需保證單獨(dú)測(cè)站之間有部分點(diǎn)云重合。

3.3 數(shù)據(jù)處理

在掃描時(shí)，因?yàn)槭褂玫臏y(cè)量設(shè)備、測(cè)量工作環(huán)境和被測(cè)物體表面光滑整潔度有所不同，獲得的數(shù)據(jù)中就會(huì)存在不合理的測(cè)量數(shù)據(jù)，主要為噪聲。但是這時(shí)噪聲數(shù)據(jù)的存在會(huì)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最終處理結(jié)果造成影響，為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果精確，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲濾波處理。與此同時(shí)，地面三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是將測(cè)站作為中心的局部坐標(biāo)體系下，不同測(cè)振測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)其采用的坐標(biāo)體系有所不同。若在掃描中設(shè)置了多個(gè)測(cè)站，則需要對(duì)多站掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，使其坐標(biāo)系統(tǒng)一，為此需進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接。

4 隧道變形分析

某隧道處于高山峽谷地帶，因?yàn)樵缙诘暮庸认虑兴俣容^慢，后期的下切速率提高，所以整體地形上方較為陡峭，下方趨于平緩，為典型的V型谷。該隧道周邊公路和隧道開挖施工反復(fù)進(jìn)行，對(duì)原始山體造成了擾動(dòng)，并且在長(zhǎng)期降雨和積水的影響下，斜坡變形速率加快。為此需加強(qiáng)隧道的變形監(jiān)測(cè)，為后期加固維護(hù)提供依據(jù)。采用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)的變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。該隧道工程采用瑞士徠卡公司ScanStation2三維激光掃描儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掃描速率為50000點(diǎn)/s，點(diǎn)位精度在6mm內(nèi)。該掃描儀掃描視角為360°×270°，可獲得全斷面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該工程采樣點(diǎn)之間的間隔距離設(shè)置為2mm。

4.1 變形特征

該隧道受到上部坡體下滑推力的影響，造成隧道全段均出現(xiàn)了不同程度的變形或者是損壞，洞形已嚴(yán)重?cái)D歪變形。采用徠卡三維激光掃描儀進(jìn)行掃描獲得隧道點(diǎn)云影響特征或獲得30355477個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析，與原有隧道數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出隧道擠壓偏移量，如圖3所示，然后選取典型單面進(jìn)行隧道變形量值的分析。經(jīng)過測(cè)量和數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該隧道最大的偏移量為1.08m。通過圖3可知，該隧道發(fā)生變形的主要原因是長(zhǎng)期受到靠山側(cè)坡體蠕滑擠壓作用，且多集中于拱體的上部。拱腿位置由于擠壓和反翹，在距離洞口30～225m位置出現(xiàn)了嚴(yán)重的隆起破壞，其中50～180m路段最為嚴(yán)重。

4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在2015年3月對(duì)該隧道進(jìn)行二次掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)共28357614個(gè)，將本次獲得的數(shù)據(jù)與初次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析得知這一時(shí)間段內(nèi)隧道變形量值為0.012～0.037m?？傮w的變形量較小，和坡表觀測(cè)點(diǎn)的變形情況相似。由于該隧道的埋深較大，高達(dá)50m，因此采用三維激光掃描系統(tǒng)可以對(duì)該隧道全長(zhǎng)進(jìn)行全面檢測(cè)，并及時(shí)掌握隧道各個(gè)區(qū)段和坡體內(nèi)部的變形情況。

4.3 變形機(jī)制

第一，內(nèi)因。研究區(qū)域坡體原巖成分主要為千枚狀板巖和變質(zhì)砂巖等，層面產(chǎn)狀：N35°W/NE75°～85°，較為陡峭的坡體存在傾倒變形的可能性。河流快速下切，巖體經(jīng)過卸荷回彈→板梁彎曲→彎折破碎→重力潰狀等發(fā)展過程，引發(fā)巖體碎裂且碎裂嚴(yán)重；第二，外因。公路隧道工程建設(shè)過程中需要開挖大量土方，其施工作業(yè)也會(huì)對(duì)周邊土體結(jié)構(gòu)造成影響，破壞了土體結(jié)構(gòu)的平衡，累積性變形速率也會(huì)不斷加快。與此同時(shí)，在地震的作用下，若山體高速較高且較為陡峭，則高程放大的作用效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)得更加明顯，地震動(dòng)效應(yīng)的影響也會(huì)十分突出。最終造成一定面積內(nèi)坡體的破壞嚴(yán)重，土壤顆粒在地震作用下重組，在自然天氣的影響下如持續(xù)降水和地表徑流，土壤應(yīng)力關(guān)系發(fā)生改變，蠕變速率加快，最終造成破碎巖體對(duì)隧道產(chǎn)生了較大的擠壓效應(yīng)，隧道最終呈現(xiàn)出擠扁、路面隆起破壞。

5 結(jié)語

綜上所述，由于隧道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)受到多種因素影響發(fā)生變形和破壞，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)整體的安全性和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。為此需要加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確、客觀評(píng)估變形破壞程度，為后期的整修加固提供參考依據(jù)，編制具有針對(duì)性的施工方案。傳統(tǒng)檢測(cè)模式工作周期較長(zhǎng)，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不全面，為此采用三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行隧道變形分析，便于結(jié)隧道變形量值和變形特征，分析變形原因。由此可見，在隧道變形監(jiān)測(cè)中采用三維激光掃描系統(tǒng)具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：唐奇軍（1981-），男，湖南長(zhǎng)沙人，湖南大地巖土工程勘察設(shè)計(jì)有限公司工程師，研究方向：勘測(cè)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）