段 磊，羅曉豐，彭學(xué)軍，廖根根，凌 濤，陳 鵬

（1.中鐵五局集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117）

常規(guī)的隧道監(jiān)控量測(cè)方法需要在圍巖上按照一定的間距埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀、水準(zhǔn)儀、收斂?jī)x等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行觀測(cè)。該方法受施工影響較大、點(diǎn)位容易被破壞、數(shù)據(jù)采用手工記錄不便長(zhǎng)期保存，應(yīng)用于工程會(huì)帶來(lái)諸多不便，因此需要有新的方法和技術(shù)以彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)控量測(cè)方法的不足。

三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)方法相比具有非接觸式測(cè)量、可高密度采集空間三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)等特點(diǎn)，能利用其三維立體全面掃描的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)工程內(nèi)全方位數(shù)據(jù)的采集和形態(tài)的監(jiān)測(cè)。將三維激光掃描應(yīng)用到隧道監(jiān)控量測(cè)中，測(cè)量速度快、無(wú)死角，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足[1-4]。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，能夠大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)的（x,y,z）坐標(biāo)、反射率以及（R,G,B）顏色等信息，這些信息可快速生成1∶1的真彩色三維點(diǎn)云模型，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理、數(shù)據(jù)分析等工作提供依據(jù)。該技術(shù)具有快速、效益高、不接觸、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性、高密度、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，很好地解決了目前空間信息技術(shù)的應(yīng)用瓶頸[5-8]。

隧道工程本身存在距離長(zhǎng)、面積廣的特點(diǎn)，采用三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道的全方位、無(wú)死角掃描，并根據(jù)不同時(shí)間段采集的數(shù)據(jù)及時(shí)掌握隧道圍巖變形情況，以采取有效的施工措施，提升隧道工程質(zhì)量，保證隧道施工安全，因此該方法在隧道監(jiān)控量測(cè)中極為適用[9]。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）非接觸式。三維激光掃描技術(shù)采用的是非接觸式高速激光測(cè)量方式，與傳統(tǒng)方法相比不需要埋設(shè)測(cè)量點(diǎn)，可直接對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣、人員無(wú)法到達(dá)的情況下，一般傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法完成指定的測(cè)量工作，此時(shí)三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）方便、快捷。三維激光掃描儀具有測(cè)量時(shí)間快、外業(yè)操作簡(jiǎn)單的特性，單站測(cè)量時(shí)間少于3min，在隧道多工序作業(yè)的環(huán)境條件下，可快速地采集外業(yè)數(shù)據(jù)，不影響正常施工工序。

（3）數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)。三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字的特征，容易處理、分析、輸出、顯示，而且配套的后處理軟件用戶界面友好，能夠與其他常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接全站儀、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。

（4）覆蓋面廣。三維激光掃描儀具有覆蓋面廣的特點(diǎn)，在沒(méi)有障礙物遮擋的條件下，可做到無(wú)死角掃描測(cè)量，并通過(guò)3D可視化效果圖和2D斷面圖，對(duì)隧道圍巖的變形分析、超欠挖分析、襯砌厚度等提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2 工程應(yīng)用實(shí)踐

鄭萬(wàn)鐵路巴東隧道全長(zhǎng)13553m，是鄭萬(wàn)鐵路重難點(diǎn)工程，設(shè)3座平導(dǎo)和2座橫洞。其中，出口三號(hào)平導(dǎo)位于線路左側(cè)，長(zhǎng)度為2044m，受地質(zhì)條件影響較大。該地地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，以Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖居多，圍巖變形較大，且處于強(qiáng)富水區(qū)，地下水有腐蝕性，易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。巴東隧道出口三號(hào)平導(dǎo)監(jiān)控量測(cè)采用三維激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 系統(tǒng)組成

三維激光掃描監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三維激光掃描儀、后處理軟件、電腦及附屬設(shè)備。

（1）三維激光掃描儀。根據(jù)隧道工程的特點(diǎn)，隧道為一狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，施工安全步距一般為幾米至幾十米，三維激光掃描儀的掃描精度和密度會(huì)隨著掃描距離的增加而下降，隧道內(nèi)選用掃描距離短的三維激光掃描儀即可。該工程三維激光掃描儀選用的是適用于短距離掃描的FARO Focus M70，掃描距離最遠(yuǎn)為70m，實(shí)際有效距離約50m。對(duì)該隧道工程而言，掃描距離完全適用；且FARO Focus M70價(jià)格適中，市場(chǎng)口碑較好，具有較高的性價(jià)比。

（2）后處理軟件。該系統(tǒng)后處理軟裝選用的是由南方測(cè)繪開發(fā)的PPVision UC，該軟件是隧道測(cè)量專業(yè)軟件，功能強(qiáng)大，操作界面友好，更新周期較快，可根據(jù)用戶的需求進(jìn)行修改和定制，能夠?qū)崿F(xiàn)三維立體重現(xiàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工定位測(cè)量、斷面分析、超欠挖計(jì)算與分析、圍巖變形分析、混凝土厚度記錄等功能。

2.2 操作流程

三維激光掃描系統(tǒng)操作流程圖如圖1所示。

2.3 操作要點(diǎn)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，以遠(yuǎn)離施工機(jī)械為原則，保證掃描范圍內(nèi)無(wú)其他干擾物。

圖1 三維激光掃描系統(tǒng)操作流程圖

（2）在儀器前方0.6～5m內(nèi)放置2個(gè)球棱鏡，且球棱鏡之間距離≥5m。棱鏡面朝全站儀，背朝掃描儀。用全站儀記錄2個(gè)棱鏡坐標(biāo)（此時(shí)棱鏡常數(shù)和棱鏡桿高度均需調(diào)為0），保持球棱鏡不動(dòng)直至掃描完畢。掃描儀測(cè)量布置如圖2所示。

圖2 掃描儀測(cè)量布置圖

（3）儀器在掃描過(guò)程中，禁止車輛和行人通過(guò)，以免對(duì)儀器造成遮擋，影響掃描范圍。

2.4 成果輸出

（1）生成三維效果圖，如圖3所示。數(shù)據(jù)處理完成后，系統(tǒng)可輸出三維效果圖，通過(guò)不同的顏色立體展示隧道不同時(shí)段的掃描情況，呈現(xiàn)不同區(qū)域的圍巖變化狀態(tài)，然后對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以保證隧道施工的安全。

圖3 三維效果圖

（2）圍巖變形分析。根據(jù)三維效果圖，可沿線路法線方向生成單個(gè)里程斷面的圍巖變形分析報(bào)告，最小里程斷面間距可達(dá)0.01m/個(gè)。生成的不同里程的斷面圖和變化分析圖，可用來(lái)分析隧道的拱頂沉降和凈空收斂等，如圖4、圖5所示。

圖4 巴東隧道出口DK612+925拱頂下沉-時(shí)間曲線圖

圖5 巴東隧道出口DK612+925周邊收斂-時(shí)間曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

工程應(yīng)用實(shí)踐表明，隧道三維激光掃描監(jiān)控量測(cè)方法取得了較好的應(yīng)用效果，但相較于常規(guī)的方法，在測(cè)量精度方面是否滿足要求，需要在以后的實(shí)踐中進(jìn)一步進(jìn)行分析與探究。