樊經(jīng)宇

（中鐵六局集團(tuán)太原鐵路建設(shè)有限公司，太原030000）

1 工程概況

勐綠高速11 標(biāo)段，起點(diǎn)里程為K167+303，終點(diǎn)里為K179+227，標(biāo)段內(nèi)有隧道6 座，單線總長(zhǎng)11.924 km，隧道最大埋深694 m，單洞凈寬10.25 m，隧道路面設(shè)計(jì)坡度按1.8%控制，為三心圓斷面形式。

隧道內(nèi)按250～500 m 的間距依次設(shè)置人行橫洞，道路建筑限界為2 m×2.5 m；另外，按750～1 000 m 的間距依次設(shè)置行車橫洞，道路建筑限界為4.5 m×5 m。

2 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)可以將檢測(cè)范圍延伸至被測(cè)物體的多個(gè)點(diǎn)，確定各點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率及三原色等關(guān)鍵的特征信息，由此生成真彩色三維點(diǎn)云模型，給工作人員提供參考依據(jù)，以便開(kāi)展數(shù)據(jù)分析等相關(guān)工作[1]。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特點(diǎn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特點(diǎn)在于可直接測(cè)量各點(diǎn)云的關(guān)鍵信息，包含但不限于三維坐標(biāo)、方位角。同時(shí)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開(kāi)計(jì)算后，可以確定目標(biāo)實(shí)體的關(guān)鍵參數(shù)，如表面積、體積等。因?yàn)辄c(diǎn)云的分辨率較高，具有更為精準(zhǔn)的反映能力。

在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)空間等因素的限制，所采集的數(shù)據(jù)相對(duì)有限，就某物體的測(cè)量而言，單次所測(cè)量的數(shù)據(jù)并不能完全滿足需求，即無(wú)法完全反映被測(cè)物的情況。對(duì)此，需從多個(gè)視角展開(kāi)掃描測(cè)量，并在得到較為完整的數(shù)據(jù)后，再對(duì)該點(diǎn)云數(shù)據(jù)總量做篩除、拼接等處理，以打破多個(gè)坐標(biāo)系過(guò)于獨(dú)立的局面，使其可以被轉(zhuǎn)至相同的坐標(biāo)系內(nèi)。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接方法

1）不僅可以于掃描儀掃描的視場(chǎng)內(nèi)配備測(cè)量標(biāo)靶，還可以借助不同測(cè)站共用的測(cè)量公共控制點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2）確定重疊區(qū)域，對(duì)該范圍內(nèi)的特征點(diǎn)云采取拼接處理措施，以求得多視點(diǎn)云的拼接參數(shù)，從而有效保證拼接精度，規(guī)避坐標(biāo)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的傳遞誤差。

3）濾波處理是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的代表技術(shù)形式。具體來(lái)說(shuō)，就是在將點(diǎn)云數(shù)據(jù)視為電子信號(hào)的同時(shí)，將非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)視為噪聲，并在此條件下執(zhí)行濾波處理，從而達(dá)到剔除噪聲的效果，由此確定正確的、具有參考價(jià)值的信號(hào)。

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的價(jià)值提高

要提高原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，可采用點(diǎn)云濾波算法，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于可以剔除會(huì)造成干擾的信息。從學(xué)科發(fā)展的角度來(lái)看，點(diǎn)云濾波算法是在拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)上經(jīng)理論衍生后而形成的圖像分析學(xué)科，核心思想在于確定一系列的“基本單元”（尺寸、形狀均與原始圖像具有密切的關(guān)聯(lián)），將其與原始圖像展開(kāi)對(duì)比分析，進(jìn)而求得相應(yīng)的信息，以此作為分析的依據(jù)。

對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，隧道工程屬于空間實(shí)體，在展開(kāi)監(jiān)測(cè)工作時(shí)可以應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)。因?yàn)樵擁?xiàng)技術(shù)具有非接觸、高精度特性，能夠快速確定海量的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)；同時(shí)，在采取前述所提的拼接方法、點(diǎn)云濾波算法等方式后，可創(chuàng)建三維實(shí)體模型，并以此來(lái)直觀反映隧道的實(shí)際情況，從而確保本工程施工的順利進(jìn)行。

3 三維激光掃描技術(shù)

3.1 基于入射角誤差分析的架站間距分析

為減少掃描次數(shù)，通常采取增加測(cè)站間距的方法。但與此同時(shí)，激光入射角將明顯增加，進(jìn)而影響現(xiàn)場(chǎng)掃描數(shù)據(jù)的精度。由此可見(jiàn)，合理設(shè)定測(cè)站間距至關(guān)重要，必須兼顧較少的掃描次數(shù)和較高的數(shù)據(jù)精度雙重要求。

入射角對(duì)數(shù)據(jù)精度的影響較顯著，為探尋兩者所具備的關(guān)聯(lián)，于2 次襯砌上按1 m 的間距依次穩(wěn)定粘貼標(biāo)靶，以測(cè)定誤差與入射角的數(shù)據(jù)。在入射角為60°時(shí)，誤差大幅度增加。

若架站所處位置為隧道中心軸線上，此時(shí)入射角所對(duì)應(yīng)的最大測(cè)點(diǎn)所處位置為B 點(diǎn)，具有如下關(guān)系：

式中，θmax為最大入射角，（°）；S 為測(cè)站間距，m；D 為隧道內(nèi)徑，m。

根據(jù)工程信息可知，D 為12.82 m。結(jié)合此數(shù)據(jù)展開(kāi)計(jì)算，可確定測(cè)站最大架設(shè)間距S=27.29 m。

3.2 隧道掃描點(diǎn)云整體偏差控制

在三維激光掃描作業(yè)流程中，需對(duì)標(biāo)靶點(diǎn)做點(diǎn)云拼接處理，再根據(jù)控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云坐標(biāo)系做出轉(zhuǎn)化操作。通常，在隧道長(zhǎng)度較大的基礎(chǔ)條件下所取得的測(cè)量結(jié)果具有較大誤差，實(shí)測(cè)的變形規(guī)律與隧道的實(shí)際情況有明顯區(qū)別。

測(cè)試結(jié)果表明，在常規(guī)監(jiān)測(cè)方法下，僅在隧道一端設(shè)置控制點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在拼接后，會(huì)有極為明顯的隧道整體偏移情況。

根據(jù)隧道掃描數(shù)據(jù)可知：在采取首端單側(cè)控制點(diǎn)的方法時(shí)，尾部整體偏移量明顯加大，其中，以B1點(diǎn)較明顯，其向B2點(diǎn)的偏移量達(dá)到14.6 cm（見(jiàn)圖1）。究其原因，與標(biāo)靶拼接誤差累計(jì)值有關(guān)；而在采用首尾雙控的方法后較好地規(guī)避了隧道偏移問(wèn)題。

圖1 隧道掃描對(duì)比

隧道掃描前需要做足準(zhǔn)備工作，調(diào)整三維激光掃描儀的位置，使其平整、穩(wěn)定，各測(cè)站的局部坐標(biāo)系Z 軸均與水平面呈垂直的位置關(guān)系，坐標(biāo)體系變換所涵蓋的參數(shù)包含1 個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和3 個(gè)平移參數(shù)。測(cè)站間設(shè)2 個(gè)或更多的拼接標(biāo)靶，以免在轉(zhuǎn)站期間出現(xiàn)較大的拼接誤差。此外，在放置拼接點(diǎn)標(biāo)靶時(shí)遵循相互交錯(cuò)的原則，不可共處于相同的隧道斷面上。轉(zhuǎn)站的流程具體要點(diǎn)有以下2 點(diǎn)：

1）測(cè)站位置。調(diào)整掃描儀的位置，確保其穩(wěn)定在隧道中心線上，若因條件限制而無(wú)法滿足該要求，則盡可能減小與中心線的距離；測(cè)站處的地基需具有穩(wěn)定性，以免儀器在運(yùn)行期間失穩(wěn)。

2）掃描步驟。將掃描儀及①、②號(hào)標(biāo)靶點(diǎn)架設(shè)到位，首先完成對(duì)①、②號(hào)標(biāo)靶點(diǎn)的掃描作業(yè)，再對(duì)隧道做全景掃描，在此基礎(chǔ)上將①、②號(hào)標(biāo)靶點(diǎn)前移，使其到達(dá)③、④號(hào)標(biāo)靶點(diǎn)處，在完成對(duì)隧道整體的全景掃描后進(jìn)一步掃描③、④號(hào)標(biāo)靶點(diǎn)，詳細(xì)記錄各項(xiàng)掃描的數(shù)據(jù)，此后按規(guī)范新建測(cè)站，根據(jù)測(cè)量要求轉(zhuǎn)移掃描儀，按此方法重復(fù)施工，直至全面完成對(duì)各區(qū)段的掃描工作為止，如圖2 所示。

圖2 標(biāo)靶布設(shè)方法

4 基于點(diǎn)云的隧道整體變形監(jiān)測(cè)

4.1 三維變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)是隧道施工中的重點(diǎn)工作內(nèi)容。傳統(tǒng)方法是指在圍巖或初支處預(yù)埋測(cè)點(diǎn)，其局限之處在于測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限、測(cè)量數(shù)據(jù)缺乏全面性、難以準(zhǔn)確反映隧道的變形情況。而三維激光掃描技術(shù)突破了該局限性，可以在提取隧道點(diǎn)云并套接后，可直觀地對(duì)相鄰2 次點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開(kāi)對(duì)比分析，且結(jié)果具有真實(shí)性。

以20 m 隧道點(diǎn)云為例，取隧道首尾控制點(diǎn)ZN01、ZN02，將其作為2 期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的共同控制點(diǎn)，即2 期點(diǎn)云數(shù)據(jù)共處相同的坐標(biāo)體系中。根據(jù)隧道的穩(wěn)定性要求，將5 mm/d 作為變形的上限值，超過(guò)該閾值后將觸發(fā)預(yù)警，以紅色顯示；若被控制在該上限值內(nèi)，則以綠色顯示。通過(guò)該兩類顏色，可以區(qū)分變形量，由此最終得知：在該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，僅有0.042 6%的點(diǎn)的變形量超過(guò)上限值，所處位置以拱頂部位為主，但總體來(lái)看隧道具有較良好的穩(wěn)定性。

4.2 隧道單點(diǎn)面域分析

傳統(tǒng)隧道拱頂監(jiān)測(cè)方法經(jīng)常會(huì)使用少量固定的單點(diǎn)。在轉(zhuǎn)站點(diǎn)誤差等多方面影響下，單點(diǎn)沉降速率的測(cè)定結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性，且易有較明顯的拱頂上抬趨勢(shì)，明顯偏離了實(shí)際情況。針對(duì)此，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以取得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)此條件下的點(diǎn)間距可以減小至1 mm 左右；另外，需引入正態(tài)分布的方法，并對(duì)面域點(diǎn)云數(shù)據(jù)設(shè)置合適的置信區(qū)間，其中的平均值需能夠有效反映拱頂沉降情況，且面域數(shù)據(jù)的體量豐富，更具有代表性。

也就是說(shuō)，通過(guò)面域點(diǎn)云精度測(cè)試的方式，可以確保每日所取面域均具有一致性；而通過(guò)設(shè)置固定標(biāo)靶，可以取標(biāo)靶范圍內(nèi)數(shù)據(jù)平均值，并將其作為當(dāng)日拱頂沉降值使用，技術(shù)人員可在此基礎(chǔ)上針對(duì)性分析。以K170+660 為例（距離掌子面約10 m），該范圍的監(jiān)測(cè)結(jié)果中：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總體呈較穩(wěn)定的特點(diǎn)，全過(guò)程中僅有1 d 存在拱頂上抬現(xiàn)象，且該處的上抬量較小，對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響較微弱。

5 基于點(diǎn)云的隧道斷面檢測(cè)技術(shù)

5.1 初期支護(hù)侵限分析

選取具有代表性的固定斷面進(jìn)行斷面輪廓分析工作。在本次分析中，可采用業(yè)內(nèi)主流的Revit 軟件，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)建三維模型，再啟用3D Reshaper 軟件，將創(chuàng)建成型的模型與初期支護(hù)掃描點(diǎn)云嵌套，從中提取完整的初支信息。

以隧道K176+038～+140 段為例，此處將初支侵限閾值設(shè)為0，超出該值以紅色顯示，未超出以綠色顯示。從所得結(jié)果來(lái)看，超挖值在0～30 cm 的占比達(dá)到94.7%，超過(guò)30 cm 的達(dá)到5.3%，且?guī)缀醪淮嬖谇吠诘那闆r。

5.2 二次襯砌侵限分析

按照與初期支護(hù)相同的掃描方法，可以完成對(duì)2 次襯砌的掃描與分析操作。在構(gòu)建2 次襯砌三維模型后，在此基礎(chǔ)上將其與2 襯掃描點(diǎn)云嵌套，以便展開(kāi)分析。

以K169+850～K170+120 段為例，同樣地，此處將2 襯侵限閾值設(shè)為0，且該部分的2 次襯砌侵限分析云圖中超出該值以紅色顯示，未超出以綠色顯示。最終可知，該段無(wú)任何侵限的情況。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，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)，能利用三維立體全面掃描的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)工程全方位數(shù)據(jù)的采集和形態(tài)的監(jiān)測(cè)。對(duì)三維激光掃描技術(shù)在隧道工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行分析，希望對(duì)相關(guān)工作人員提供借鑒。