丁杰

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)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(huì)威脅隧道施工安全以及影響后期運(yùn)營(yíng)。因此，超欠挖控制是隧道施工質(zhì)量評(píng)定的重要指標(biāo)。目前對(duì)隧道進(jìn)行斷面測(cè)量大都使用精密測(cè)量?jī)x器進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，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(bào)告[1]。當(dāng)前，隧道監(jiān)測(cè)最常用的檢測(cè)手段是斷面儀法和全自動(dòng)全站儀法。前者用途單一，自動(dòng)化程度較低；后者方式靈活，但無(wú)法全部反映隧道超欠挖情況[2]。三維激光掃描技術(shù)不僅監(jiān)測(cè)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(lǐng)域應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，主要聚焦于點(diǎn)云拼接方法、去噪算法等數(shù)據(jù)預(yù)處理研究[3]、隧道變形分析和三維模型構(gòu)建、點(diǎn)云擬合中軸線和提取橫斷面算法等技術(shù)研究[4]。目前三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、地鐵隧道施工監(jiān)測(cè)、支護(hù)評(píng)估體系、預(yù)留變形量研究及災(zāi)害診斷和服役狀態(tài)評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。借助三維激光掃描技術(shù)的實(shí)景復(fù)制功能，在隧道施工領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工開挖、初支、襯砌等不同工序，進(jìn)行快速數(shù)據(jù)掃描，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)從點(diǎn)到面的跨越。

1 三維激光掃描技術(shù)的原理、特點(diǎn)分析

1.1 三維激光掃描技術(shù)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(hào)，到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后經(jīng)漫反射反向同路徑傳回到接收器，得到目標(biāo)點(diǎn)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(cè)值。這樣就可以通過編譯得到地形及目標(biāo)物體的幾何空間數(shù)據(jù)。最后，將獲取的空間數(shù)據(jù)、點(diǎn)云坐標(biāo)通過后處理軟件換算成以不同格式輸出的絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間模型或坐標(biāo)，滿足不同應(yīng)用的需求。

1.2 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)；掃描方式齊全；可視化、自動(dòng)化、數(shù)字化掃描；可獲取不同坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。

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(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件基本功能都是對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、建模等操作，一般適用于對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。為減少測(cè)量誤差，盡量在隧道中軸線設(shè)置測(cè)站，還必須控制測(cè)站與測(cè)量斷面距離在30m以內(nèi)。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)，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(shí)現(xiàn)點(diǎn)云配準(zhǔn)、斷面提取、斷面對(duì)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(yīng)用與對(duì)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(jìn)口里程ZK210+635，出口里程ZK225+856，全長(zhǎng)15231m；右線進(jìn)口里程K210+635，出口里程K225+798，全長(zhǎng)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(yīng)力高度集中，最大水平主應(yīng)力達(dá)到了18.76MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，屬極高應(yīng)力區(qū)。隧址穿越了3 個(gè)背斜、3 個(gè)向斜、12 條斷層、6 處褶皺，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)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(yán)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(shù)在木寨嶺隧道中的應(yīng)用

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案與方法

外業(yè)工作主要包括：采用設(shè)備：FARO Focus 3D三維激光掃描儀、全站儀；控制測(cè)量：采用全站儀進(jìn)行隧道控制網(wǎng)測(cè)量，測(cè)得控制點(diǎn)坐標(biāo)；掃描數(shù)據(jù)采集：利用掃描儀全景掃描；掃描與控制測(cè)量的結(jié)合：三聯(lián)腳架法、后方交會(huì)（坐標(biāo)拼接）。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括：點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接；點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪；成果提?。狐c(diǎn)、線、三維模型數(shù)據(jù)提??；將隧道中心線作為基線導(dǎo)入軟件中。通過軟件自動(dòng)生成里程斷面；與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，輕松獲取超欠挖數(shù)據(jù)。為了檢驗(yàn)該方法在大變形隧道的適用性、監(jiān)測(cè)精度，本文選取拱頂、拱腰三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示，作為研究對(duì)象，進(jìn)行監(jiān)測(cè)精度對(duì)比。傳統(tǒng)監(jiān)控量測(cè)主要使用全站儀，通過預(yù)設(shè)控制點(diǎn)，預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)靶，分別采用兩種監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)出同期三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形，進(jìn)行對(duì)比。

圖2 隧道開挖斷面檢測(cè)方案

2.2.2 隧道超欠挖分析

將三維激光掃描儀測(cè)得的隧道開挖后斷面與設(shè)計(jì)毛洞斷面做對(duì)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(cè)范圍內(nèi)提取任意實(shí)測(cè)斷面輪廓，將其與設(shè)計(jì)初期支護(hù)斷面進(jìn)行對(duì)比，即可得到該斷面的凈空尺寸，從而判斷該斷面的預(yù)留值以及是否侵入設(shè)計(jì)輪廓線。

2.2.3 襯砌厚度分析

對(duì)同一里程的不同施工階段（開挖、初支、二襯）的實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)可以做對(duì)比，得到該里程的襯砌厚度值。外圈為初支實(shí)測(cè)斷面，內(nèi)圈為二襯實(shí)測(cè)斷面，通過對(duì)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(diǎn)處的實(shí)際二襯厚度。

2.2.4 隧道變形分析

通過對(duì)前后兩次測(cè)量提取出的同一里程斷面尺寸圖進(jìn)行對(duì)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(duì)比K213+281 斷面5.19 和5.25 所測(cè)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(cè)得的隧道實(shí)測(cè)斷面積、超欠挖面、實(shí)測(cè)周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)表。通過分析三維激光掃描所測(cè)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?jǐn)嗝娉吠跀?shù)據(jù)分析圖

3 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)在木寨嶺隧道工程實(shí)例表明，三維激光掃描技術(shù)不僅具有與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度，更具有自動(dòng)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(diǎn)，可應(yīng)用于隧道超欠挖、支護(hù)變形分析，為其提供更精準(zhǔn)、更完備的數(shù)據(jù)支撐。證實(shí)三維激光掃描技術(shù)能夠成功實(shí)現(xiàn)在高速公路隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、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(jìn)行斷面的超欠挖分析。