劉 歡，王立娟，裴尼松，趙 鵬，馬 松，肖 夢

(1. 四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045； 2. 重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

三維激光掃描技術(shù)在米倉山特長隧道施工中的可行性應(yīng)用研究

劉 歡1，2，王立娟1，2，裴尼松1，2，趙 鵬1，2，馬 松1，2，肖 夢1，2

(1. 四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院，四川 成都 610045； 2. 重大危險源測控四川省重點實驗室，四川 成都 610045)

巴陜高速米倉山特長隧道為我國目前在建最長公路隧道，全長約13.8 km。利用三維激光掃描技術(shù)高速率、高精度獲取對象表面三維坐標的優(yōu)勢，對米倉山隧道LJ2標段右線施工過程中的超欠挖、二襯厚度、掘進面爆破效果進行了檢測，并對開挖斷面圍巖周邊收斂和拱頂下沉進行了變形監(jiān)測。結(jié)果表明，檢測段隧道超挖區(qū)域比例占到81%，其中超挖0～20 cm的占62%，欠挖0～10 cm的為14%；二襯厚度選取不同里程、相同位置121個位置進行分析，最大厚度0.662 m，最小0.456 m，平均厚度0.564 m；掘進面爆破深度約為3.048 m，爆破方量為254.065 m3；K54+030斷面圍巖周邊收斂6 d最大收斂變形量為9.5 mm，拱頂下沉監(jiān)測點6 d最大變形量為5 mm。

三維激光掃描技術(shù)；米倉山特長隧道；超欠挖；二襯厚度；爆破效果；周邊收斂；拱頂下沉

Abstract： Micangshan extra-long tunnel is the longest highway tunnel under construction in China with the total length of 13.8 km.3D laser scanning technology has the advantages of high-speed and high-precision to obtain the surface of the objects’ three-dimensional coordinates.The technology is used to monitoring and analyzing the tunnel’s overbreak-shortbreak, thickness of secondary lining,blasting effect of tunnel face,rock’s deformation of circumjacent convergence and vault settlement.The results showed that tunnel’s overbreak area is accounted for 81%,0～20 cm overbreak area is accounted for 62%,0～10 cm shortbreak area is accounted for 14% in the experimental section;the biggest,smallest and average thickness of secondary lining are 0.662,0.456 and 0.564 m respectively;blasting depth of tunnel face is about 3.048 m and the rock volume is 254.065 m3;maximum circumjacent convergence deformation and vault settlement are 9.5 mm and 5 mm in K54+030 section during 6 days.

Keywords： 3D laser scanning technology;Micangshan extra-long tunnel;overbreak-shortbreak;thickness of secondary lining;blasting effect;circumjacent convergence;vault settlement

隧道施工過程中要對其超欠挖、二襯厚度、開挖斷面圍巖周邊收斂及拱頂下沉等進行監(jiān)測，現(xiàn)有監(jiān)測手段如全站儀、水準儀、測量機器人、探地雷達測量等均存在效率低、不能整體反映隧道形態(tài)變化等劣勢。

三維激光掃描技術(shù)，又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是測繪領(lǐng)域繼“GPS定位技術(shù)”后的又一項技術(shù)革新[1]。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測量中由點到線、再由線到面的單點測量方法，能獲取掃描物體表面的海量三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了從點測量到面測量的跨越。相較于傳統(tǒng)測量方法，三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：①數(shù)據(jù)獲取速率高；②數(shù)據(jù)精度高；③非接觸測量；④數(shù)據(jù)信息多元化；⑤數(shù)據(jù)獲取全面。三維激光掃描技術(shù)目前在建筑施工、三維設(shè)計、古建筑保護、礦山監(jiān)測、道路交通、逆向工程、地質(zhì)巖土工程、林業(yè)資源調(diào)查等領(lǐng)域都已經(jīng)廣泛應(yīng)用并取得了成果[2-4]。

1 米倉山隧道及掃描儀情況

1.1 米倉山隧道

米倉山隧道為特長隧道，是巴陜高速控制性項目工程，橫跨陜川兩省，進口位于陜西省南鄭縣喜神壩鄉(xiāng)小壩，出口位于四川省南江縣關(guān)壩鄉(xiāng)，設(shè)計為雙線分離式隧道，為我國目前在建最長隧道，隧道全長約13.8 km，左、右線基本等線，線間距為40 m。

1.2 Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀

Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀是德國Zoller+Frohlich公司生產(chǎn)的一款三維激光掃描設(shè)備，采用的是相位式激光測距原理，測距范圍為0.3～187.3 m，線性誤差不大于1 mm，共設(shè)置了7種掃描模式，其中最優(yōu)掃描模式0.3 m處的點云分辨率為0.1 mm。

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)米倉山隧道施工流程及進度，前后共進行兩次數(shù)據(jù)采集工作。

2.1 第1次三維激光掃描數(shù)據(jù)采集

2.1.1 現(xiàn)場踏勘

測量控制網(wǎng)布設(shè)：隧道洞口外有工程施工測量控制點，施測等級分別為平面二等GPS網(wǎng)和高程二等水準網(wǎng)；洞內(nèi)有施工放樣及監(jiān)測控制點，施測等級分別為平面三等導(dǎo)線網(wǎng)和高程三等水準網(wǎng)。

隧道掘進：隧道右線由洞口里程K54+526開挖至K54+326處，里程縱深為200 m，其中一襯完成150 m，二襯已完成56 m；開挖前期采用臺階式開挖法，采用光面爆破法進行爆破。

2.1.2 方案制定及數(shù)據(jù)采集

根據(jù)踏勘的情況，決定對K54+526—K54+326已開挖部分進行整體掃描。基于Z+F IMAGER 5010C掃描儀作業(yè)方式、儀器性能，考慮到隧道開挖高度、開挖斷面寬度、數(shù)據(jù)重合度的要求，決定采用全站儀獲取靶標中心位置坐標方法進行各掃描站數(shù)據(jù)拼接的作業(yè)方式，設(shè)置儀器數(shù)據(jù)采集為Ultrahigh-high模式(10 m處點云分辨率為1.6 mm)，20 m設(shè)置一個測站。

掃描過程應(yīng)注意以下3點：①掃描儀的架設(shè)高度應(yīng)合適，以避免障礙物的遮擋及由于掃描激光束與地面夾角過小而造成的數(shù)據(jù)缺失；②每站應(yīng)布設(shè)3個以上的靶標用于數(shù)據(jù)拼接，拼接靶標應(yīng)均勻分布在掃描儀四周，且相互之間具有高度差；③每站掃描完成后，應(yīng)查看數(shù)據(jù)是否完整，確保拼接靶標無遮擋。

此次掃描共設(shè)站11站，完成了隧道口至掘進面的數(shù)據(jù)采集。

2.2 第2次數(shù)據(jù)獲取

2.2.1 計劃掃描內(nèi)容

計劃掃描的內(nèi)容：①采集第1次掃描一襯位置的二襯數(shù)據(jù)，用于二襯厚度檢測；②采集開挖后尚未進行一襯的數(shù)據(jù)，以結(jié)合隧道設(shè)計圖進行超欠挖分析；③采集掘進面爆破前、后數(shù)據(jù)，進行爆破效果分析；④對開挖后、尚未進行襯砌的斷面進行圍巖周邊收斂和拱頂下沉變形監(jiān)測。

2.2.2 現(xiàn)場踏勘

隧道右線由洞口里程K54+526開挖至K54+023處，里程縱深為503 m，其中一襯已完成約400 m，二襯已完成約350 m；已采用全斷面開挖法向前掘進。

2.2.3 方案制定及數(shù)據(jù)采集

二襯厚度檢測、超欠挖分析采用與第一次相同的掃描方案，由隧道口掃描至掘進面以采集不同階段的數(shù)據(jù)；掘進面爆破效果分析，采集爆破前、后兩次掘進面數(shù)據(jù)；選取K54+030斷面進行圍巖周邊收斂和拱頂下沉變形監(jiān)測，采集此斷面連續(xù)4次、48 h間隔的數(shù)據(jù)。

變形監(jiān)測方案制定時需要說明的情況是：掃描儀每站的掃描數(shù)據(jù)坐標系在未拼接前為以掃描儀中心為原點(0,0,0)的站心坐標系，采用全站儀輔助定向方法進行各掃描站數(shù)據(jù)配準的作業(yè)方法目的是將掃描數(shù)據(jù)納入統(tǒng)一大地坐標之中，但在變形監(jiān)測中，需要得出的是變形量，坐標系只需統(tǒng)一則可。因此在K54+030斷面、以掃描儀放置點為中心布設(shè)4個固定靶標，用于4次監(jiān)測掃描數(shù)據(jù)的拼接，并且以首次掃描數(shù)據(jù)為基準數(shù)據(jù)。

此次掃描共設(shè)站30站，其中K54+030斷面的變形監(jiān)測設(shè)站4站。

3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

3.1 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是在Z+F Laser Control軟件中進行的。主要有反射率(Intensity)、無效點(Invalid)、距離(Range)、孤立點(Single Pixel)等過濾指標，每個過濾指標也有不同過濾算法可供選擇。對于無法自動過濾的噪音點(如遮擋物等)，則需要手動去除。

3.2 點云數(shù)據(jù)拼接

目前，市場上的地面式三維激光掃描儀根據(jù)其工作方式、原理不同，總結(jié)起來有6種數(shù)據(jù)拼接方法[6-9]：①使用鐵質(zhì)、紙質(zhì)黑白靶標；②使用反射球形靶標；③布設(shè)測量控制網(wǎng)進行掃描儀絕對定向；④利用高精度全站儀獲取靶標中心位置坐標；⑤利用點云數(shù)據(jù)特征點、特征面；⑥利用GPS或羅盤進行掃描儀定位。

在本文研究過程中，采用了不同的數(shù)據(jù)拼接方法。第1次、第2次隧道整體掃描數(shù)據(jù)的拼接均采用了方法4，坐標系為工程施工坐標系。第2次K54+030斷面的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的拼接采用了方法1，坐標系為以首次監(jiān)測掃描數(shù)據(jù)為基準的站心坐標系。

3.3 拼接精度

拼接精度見表1?？芍?，此次試驗過程中靶標最大偏差為3.8 mm，掃描站點為ScanS3，靶標號為Target 11。K54+030斷面變形監(jiān)測過程中，由于布設(shè)了固定靶標，完全規(guī)避了全站儀獲取靶標中心位置坐標所產(chǎn)生的測量誤差，數(shù)據(jù)拼接精度較高，平均偏差僅為0.6 mm，而最大偏差也僅為0.9 mm。

表1 數(shù)據(jù)拼接精度

通過數(shù)據(jù)去噪、拼接即可得到隧道三維點云數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果及分析

4.1 超欠挖檢測

隧道超欠挖分為超挖和欠挖，超挖即為隧道開挖輪廓線大于隧道設(shè)計輪廓線，欠挖即為隧道開挖輪廓線小于隧道設(shè)計輪廓線。

選取里程K54+018—K54+028段進行超欠挖分析。根據(jù)《米倉山特長隧道施工設(shè)計圖》，擬合出隧道中心線及開挖輪廓線，如圖1(a)所示；基于隧道中心線及開挖輪廓線建立超欠挖參考面三維模型，如圖1(b)所示；利用三維激光掃描數(shù)據(jù)，建立隧道開挖后現(xiàn)狀三維模型，如圖1(c)所示；將參考面模型和開挖后現(xiàn)狀模型進行三維立體疊加分析，利用Deformation-Color Mapping軟件的功能，可直觀獲得此段里程中任意點位超欠挖的程度，如圖1(d)所示。

按10∶1比例進行采樣分析，共有66 923個采樣數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計，K54+018—K54+028里程超挖區(qū)域比例占到總體的81%，其中超挖0～20 cm的占62%，欠挖0～10 cm的比例為14%，結(jié)果見表2。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 042—94)對于超欠挖允許值的規(guī)定，此段里程隧道超欠挖符合規(guī)范要求。

圖1 隧道超欠挖分析

超欠挖范圍采樣點數(shù)所占比例/(%)30cm<欠挖<20cm 558120cm<欠挖<10cm2889410cm<欠挖<0cm9326140cm<超挖<10cm219133310cm<超挖<20cm192982920cm<超挖<30cm84331330cm<超挖<40cm3550540cm<超挖<50cm9561

4.2 二襯厚度檢測

截取米倉山隧道里程為K54+465—K54+474段一、二襯點云數(shù)據(jù)，并生成此段一、二襯三維模型。同樣，利用Deformation-Color Mapping軟件的功能對模型進行三維疊加分析，可獲得此里程段任意點位的二襯厚度，如圖2所示。

圖2 二襯厚度分布

提取不同里程、相同位置的二襯厚度進行統(tǒng)計分析。以1 m間隔截取，共獲取11個垂直截面，并均勻選擇11個不同位置，如圖3所示。

對121個采樣數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表3，得出二襯平均厚度為0.564 m；結(jié)果顯示位置3處的平均厚度超過0.6 m；位置11處的平均厚度低于0.5 m；最大厚度為0.662 m，位于K54+466里程3號位置；最小厚度為0.456 m，位于K54+471里程11號位置。

圖3 垂直截面位置

《米倉山隧道兩階段施工圖設(shè)計》中二襯厚度的設(shè)計值應(yīng)大于或等于0.5 m，采樣數(shù)據(jù)的合格率為91.7%。

表3 不同里程、相同位置二襯厚度 m

4.3 掘進面爆破效果分析

爆破深度、爆破土方量能很好地反映出某次爆破效果的優(yōu)劣，以指導(dǎo)下次爆破鉆孔位置選擇、裝炸藥量的多少等。

爆破前掘進面里程為K54+019，爆破后掘進面里程為K54+016。通過對爆破前、后兩次數(shù)據(jù)的處理及分析，精確計算出此次爆破土方量為254.065 m3，最大爆破深度為3.048 m，如圖4所示，灰色為爆破前數(shù)據(jù)，深灰色為爆破后數(shù)據(jù)，超出重疊部分的數(shù)據(jù)為實際爆破量。

4.4 斷面變形監(jiān)測

選取里程為K54+030斷面進行了連續(xù)4次、每隔48 h的測量，同時，收集到隧道監(jiān)理方委托第三方對此斷面所進行的全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，用來與掃描數(shù)據(jù)進行對比分析，此全站儀數(shù)據(jù)為前后2次的監(jiān)測數(shù)據(jù)，間隔為7 d，與掃描數(shù)據(jù)起始時間、結(jié)束時間、間隔周期基本一致，因此，具有較強的參考性。

圖4 掘進面爆破前后效果

此斷面所在的圍巖等級為Ⅲ級，埋深<50 m，與掘進面距離12 m。根據(jù)《米倉山兩階段施工圖設(shè)計》關(guān)于隧道主洞洞身周邊收斂位移量測、拱頂下沉量測設(shè)計，周邊收斂需對6條測線AB、CD、AE、CE、EB、ED進行精確測量，計算出相對收斂值，拱頂下沉需對3個觀測點F、E、G進行測量，點位分布如圖5所示。

4.4.1 周邊收斂

數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表4。通過掃描數(shù)據(jù)可知，隨著時間的增加，前后兩次的變形量逐漸變小，說明圍巖逐漸趨于穩(wěn)定?！睹讉}山隧道兩階段施工圖設(shè)計》中對隧道周邊允許相對收斂值為：Ⅲ級圍巖、埋深<50 m的隧道周邊允許相對收斂值應(yīng)小于0.3%，而本次實測數(shù)據(jù)中最大相對收斂值為CD線段，

0.084 9%，小于0.3%，滿足設(shè)計要求。同時，將掃描儀監(jiān)測結(jié)果與全站儀監(jiān)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)具有較強的相關(guān)性(PEARSON系數(shù)，R=-0.969 9)，最大差值為0.001 7 m，為線段EB。

圖5 斷面變形監(jiān)測點位分布

線段第1次/m第2次/m第3次/m第4次/mΔ1～2/mΔ2～3/mΔ3～4/m總收斂/m相對收斂/(%)全站儀監(jiān)測(Δ前～后)/mAB11.477811.471211.470111.46830.00660.00110.00180.00950.0828%0.0010CD11.784811.779511.776911.77480.00530.00260.00210.01000.0849%0.0012AE7.39217.38967.38747.38640.00250.00220.0010.00570.0771%0.0064CE9.26309.25959.25839.25740.00350.00120.00090.00560.0605%0.0051EB7.44347.44137.43927.43860.00210.00210.00060.00480.0645%0.0065ED9.26199.25869.25669.25550.00330.00200.00110.00640.0691%0.0057

4.4.2 拱頂下沉

拱頂下沉主要對F、E、G點在垂直方向的變形量進行量測。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表5。此斷面拱頂下沉最大變形為G點，6 d時間內(nèi)變形量為5 mm。從整體上看，拱頂下沉呈變緩趨勢，說明圍巖已趨于穩(wěn)定，如圖6所示。同樣，將掃描儀監(jiān)測結(jié)果與全站儀監(jiān)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，兩組數(shù)據(jù)也具有較強的相關(guān)性(PEARSON系數(shù)，R=0.9758)，最大差值為0.001 2 m，為G點。

圖6 拱頂下沉趨勢

通過斷面變形監(jiān)測結(jié)果可知，三維激光掃描儀不僅能保證與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相近的監(jiān)測精度，更在于能獲取任意位置的變形信息，大大增強了數(shù)據(jù)的全面性。

5 結(jié) 語

利用三維激光掃描技術(shù)，對在建的米倉山特長隧道進行了超欠挖、二襯厚度、掘進面爆破效果、斷面變形監(jiān)測等分析。研究過程及結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)不僅具有與傳統(tǒng)測量技術(shù)相當?shù)臏y量精度， 更具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)全面性強、結(jié)果可三維立體化展示等優(yōu)點，可應(yīng)用于隧道施工的每一道工序，為其提供更精準、更完備的數(shù)據(jù)支撐。

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TheApplicationofThree-dimensionalLaserScanningTechnologyinMicangshanExtra-longTunnelConstruction

LIU Huan1,2，WANG Lijuan1,2，PEI Nisong1,2，ZHAO Peng1,2，MA Song1,2，XIAO Meng1,2

(1. Sichuan Academy of Safety Science and Technology,Chengdu 610045,China; 2. Major Hazard Measurement and Control Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu 610045,China)

P237

A

0494-0911(2017)09-0083-05

2017-03-01

國防科工局產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用項目(87-Y40G06-9001-15/18);四川省科技廳國際合作計劃項目(2017HH0085);四川省安全生產(chǎn)科技項目(scaqjgjc_stp_201613/14/17/27，aj20170518194207)

劉 歡(1985—)，男，碩士，研究方向為三維，激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail:liuhuanraul@126.com

劉歡，王立娟，裴尼松，等.三維激光掃描技術(shù)在米倉山特長隧道施工中的可行性應(yīng)用研究[J].測繪通報，2017(9)：83-87.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0293.