武向乾

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

0 引言

在黑暗、封閉、潮濕等工作條件比較差的公路隧道施工環(huán)境中，如果采用傳統(tǒng)的隧道測(cè)量方法，如倒掛尺、收斂計(jì)、全站儀等，存在工作時(shí)間長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)，不能滿足當(dāng)前公路工程建設(shè)的要求。

3D激光掃描測(cè)量技術(shù)是一種利用激光測(cè)距采集3D坐標(biāo)的測(cè)量技術(shù)。與傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備和技術(shù)相比，3D激光掃描儀適應(yīng)公路環(huán)境能力更強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣[1]。3D激光掃描測(cè)量技術(shù)具備“立體式測(cè)量”的特征，能夠在黑暗潮濕的隧道中進(jìn)行掃描，它已成功應(yīng)用于隧道變形、邊坡沉降檢測(cè)等施工領(lǐng)域[2]。以四川九綿高速公路桂溪隧道為例，研究了3D激光掃描測(cè)量技術(shù)在公路隧道變形、超挖和欠挖中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

1 3D激光掃描隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于3D激光掃描測(cè)量技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)包括3個(gè)部分：

1)參數(shù)收集板塊。通過(guò)3D激光掃描儀和全站儀互相配合進(jìn)行測(cè)量監(jiān)測(cè)，得到立體測(cè)量數(shù)據(jù)，構(gòu)筑從點(diǎn)測(cè)量到線測(cè)量再到表面測(cè)量的三維模式，能迅速構(gòu)建隧道工程項(xiàng)目的3D立體模型[3]。

2)前端處理板塊。對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行清理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超欠挖、平整度、平直度、圓度、截面、變形、方量、中心線偏差等關(guān)鍵指標(biāo)的分析計(jì)算。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成立體工程模擬圖像，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的顏色、反射強(qiáng)度等信息對(duì)隧道滲水、裂縫進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)隧道質(zhì)量的可視化管理，促進(jìn)隧道工程質(zhì)量的有效管理[4]。

3)系統(tǒng)研究板塊。系統(tǒng)研究端是項(xiàng)目斷面測(cè)量系統(tǒng)的核心。借助對(duì)點(diǎn)云參數(shù)的處理，與隧道BIM模型開展相關(guān)比較，研究斷面步距對(duì)開挖的影響、第一次支護(hù)和二次襯砌的超欠挖、平整度驗(yàn)算、斷面分析、變形驗(yàn)算、體積驗(yàn)算、真圓度驗(yàn)算、實(shí)現(xiàn)中心線偏差驗(yàn)算等功能。根據(jù)超欠挖數(shù)據(jù)分析、平整度數(shù)據(jù)分析、體積數(shù)據(jù)對(duì)比、變形數(shù)據(jù)等信息，科學(xué)研究各區(qū)間內(nèi)的施工過(guò)程參數(shù)和成型質(zhì)量參數(shù)，形成綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。該評(píng)價(jià)指標(biāo)既能判斷已完工程的質(zhì)量，又能為后續(xù)施工提出改進(jìn)措施，防止出現(xiàn)超挖、欠挖的情況?；?D激光掃描測(cè)量技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)內(nèi)容詳如圖1所示。本文僅對(duì)基于3D激光掃描測(cè)量技術(shù)的公路隧道變形、超欠挖監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究[5]。

2 3D激光掃描技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

3D激光掃描技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)主動(dòng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)全覆蓋；2)精度比較高，能快速反饋隧道開挖面成形的結(jié)果，及時(shí)修正，提高開挖成形質(zhì)量。3)全數(shù)字功能，方便進(jìn)行信息處理、傳輸[6]。傳統(tǒng)測(cè)量方法與3D激光掃描儀的比較情況詳見(jiàn)表1。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)超欠挖位置，而3D激光掃描儀可以連續(xù)、自動(dòng)、快速地采集大量數(shù)據(jù)，也就是點(diǎn)云，可迅速發(fā)現(xiàn)具體超欠挖的位置。

圖1 基于3D激光掃描測(cè)量技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

表1 監(jiān)測(cè)方法對(duì)比表

3 3D激光掃描儀的測(cè)量公式

3D掃描隧道監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)示意圖如圖2所示。測(cè)距光束沿著儀器的縱橫軸旋轉(zhuǎn)，縱橫軸作為測(cè)站坐標(biāo)系的Z軸和Y軸。目的是計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)中目標(biāo)點(diǎn)P的站坐標(biāo)。測(cè)量原理如圖3所示。

圖2 掃描儀監(jiān)測(cè)示意圖

圖3 測(cè)量原理圖

目標(biāo)點(diǎn)P的3D坐標(biāo)計(jì)算公式[7]如式(1)，其中S、θ、α依次是斜距、垂直角和水平角。

(1)

得到目標(biāo)點(diǎn)P的點(diǎn)位中誤差公式[8]如式(2)：

(2)

式中mXp、mYp、mZp、mSsp、mθ、mα分別為Xp、Yp、Zp、Ssp、θ、α的中誤差。

3D激光掃描技術(shù)工藝流程圖如圖4所示，詳細(xì)步驟為：1)3D坐標(biāo)可采用棱鏡靶球或平面測(cè)量靶，控制基準(zhǔn)數(shù)要求≥3個(gè)；如果站數(shù)>1個(gè)，則目標(biāo)球作為相鄰兩個(gè)站的配準(zhǔn)標(biāo)記，并確保數(shù)量>3個(gè)。2)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換。3)建立隧道設(shè)計(jì)模型，按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建隧道設(shè)計(jì)中心軸以及設(shè)計(jì)斷面。4)找出隧道設(shè)計(jì)模型和點(diǎn)云模型間的偏差。5)詳細(xì)測(cè)算隧道工程變形以及超欠挖數(shù)據(jù)[9-10]。

圖4 3D激光掃描技術(shù)工藝流程圖

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概述

四川九綿高速公路桂溪隧道，長(zhǎng)度為5 722.917 m。將K194+330～K197+200里程范圍作為試驗(yàn)斷面，該斷面平均埋深約67 m。從開挖和支護(hù)開始到鋪設(shè)防水板，使用3D激光掃描儀進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。

隧道通過(guò)三臺(tái)階法開挖施工。測(cè)站之間的距離是S′，隧道直徑是D′，入射角是θ′，于是S′=D′×tanθ′。要求最佳入射角θ′的范圍<60°。斷面圖詳如圖5所示。

選取K194+248斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)施工節(jié)點(diǎn)計(jì)算隧洞各掘進(jìn)階段的累計(jì)變形量。變形統(tǒng)計(jì)如圖6～7所示。

圖5 設(shè)計(jì)斷面圖(單位：m)

圖6 K194+248斷面階段性累計(jì)變形(單位：m)

圖7 隧道整體變形曲面圖(單位：m)

從圖 6～7可以看出：1)最大變形在偏離20 m處。 2)中臺(tái)階施工時(shí)，上臺(tái)階已經(jīng)出現(xiàn)比較大的形變。左側(cè)中間臺(tái)階及上臺(tái)階存在一些變形，終累積變形接近。3)不同斷面進(jìn)行對(duì)比，下臺(tái)階能及時(shí)閉合成環(huán)，有效防止了變形。

從圖7可以看出，最大變形位置為左中臺(tái)階與下臺(tái)階的交界處(偏離位置為 17 m)，以及中臺(tái)階與左上臺(tái)階。

4.2 精準(zhǔn)論證

4.2.1 穩(wěn)定性分析

對(duì)隧道變形進(jìn)行3D激光掃描監(jiān)測(cè)：通過(guò)選取10個(gè)里程(每個(gè)里程選取19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共得到190個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每組有12個(gè)測(cè)量值。由于監(jiān)測(cè)精度受角度測(cè)量、距離測(cè)量以及客觀環(huán)境條件制約，平均中位誤差是2.54 mm，中位誤差≤2 mm的比例是65.26%，平均誤差是1.7 mm，平均誤差沒(méi)≤2 mm的比例是77.89%。

4.2.2 超欠挖分析

根據(jù)表2的超欠挖情況，在隧道對(duì)應(yīng)位置用紅漆標(biāo)出，然后人工用沖擊鉆鑿除，以滿足現(xiàn)場(chǎng)二次襯砌混凝土襯砌的要求。最后再使用全站儀或3D激光掃描儀重新測(cè)量，閉合成型后即可開展修復(fù)施工，從而滿足二次襯砌厚度及現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量要求。

表2 測(cè)量成果技術(shù)交底

5 結(jié)論

實(shí)踐證明3D激光掃描儀在隧道超欠挖控制中具備更加精準(zhǔn)、快速、立體而全面的特點(diǎn)。3D激光掃描測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能夠精準(zhǔn)、快速地獲得公路隧道的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高了施工效率和施工質(zhì)量。