王 印

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，陜西西安 710038）

0.引言

在鐵路和公路項目中，隧道施工一直是重點和難點，尤其當隧道圍巖等級較低，所穿越地質較為復雜時，隧道的施工難度及安全風險會大大增加。因此，對于該類型隧道如何控制其開挖過程中圍巖的穩(wěn)定性，確保施工安全已受到廣泛關注，也是施工中最為重要的控制點。隧道洞內(nèi)監(jiān)測主測項目主要有拱頂下沉和凈空收斂，其傳統(tǒng)量測方式主要采用全站儀和收斂計來進行[1]，這兩種方法不但作業(yè)程序耗費時間長，影響下一步施工工序，而且觀測點設置在洞壁上，容易被損壞和破壞，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)無法連續(xù)使用，新建的反射點無法再反映圍巖變形的變化情況。全站儀測量多采用絕對坐標系，每次測量前的建站及校核繁瑣復雜且耗時耗力。在新建湖州至杭州西至杭黃高鐵連接線工程鹿山隧道施工中，由于該隧道長度較長地質較差且穿越富水斷層破碎帶，為確保洞內(nèi)圍巖變形量測數(shù)據(jù)能最大程度地反映實際情況，確保洞內(nèi)施工安全，項目部決定采用3D 掃描技術（即三維激光掃描技術）進行洞內(nèi)圍巖變形施工監(jiān)測。充分利用該技術耗時短、效率高等優(yōu)點，不但可以快速完成隧道斷面的變形監(jiān)測工作，而且測后數(shù)據(jù)也采用計算機進行自動處理分析，然后形成三維模型，使得技術人員能夠及時、準確、直觀地掌握隧道洞內(nèi)變形收斂情況，快速為下一步施工提供數(shù)據(jù)支撐，最大程度地降低了施工安全風險，保證了施工安全，加快了施工進度。通過現(xiàn)場實際應用，3D 掃描技術在軟弱圍巖長大隧道圍巖量測中取得很好的效果。

1.工程概況

新建湖州至杭州西至杭黃高鐵連接線工程（不含先期開工段）站前工程HHLJXZQ-6 標起訖里程為DK88+331.17 ～DK127+698.47，標段新建線路長度39.135km。本標段另外包括預留3、4 線同步實施工程，新建線路全長0.373km（其中：預留3 線0.195km、預留4 線0.179km）。工程地點位于浙江省杭州市余杭區(qū)、富陽區(qū)境內(nèi)。

鹿山隧道（見圖1）位于浙江省杭州市富陽境內(nèi)，起訖里程DK107+471 ～DK113+076.03，全長5605.03m，為全線最長的隧道。根據(jù)最新工期要求，隧道設進出口及3處斜井，共8 個工作面。項目經(jīng)理部二分部負責隧道進口及三處斜井施工組織，項目經(jīng)理部三分部負責鹿山隧道出口施工組織。栗園斜井與正線左線相交里程DK108+600，綜合坡度5.45%，位于線路右側，斜井斜長545m；柳溪斜井與正線左線相交里程DK109+840，綜合坡度8.54%，位于線路右側，斜井長403m；上葉斜井與正線左線相交里程DK110+800，斜井綜合坡度為9.03%，位于線路右側，斜井長873m。

圖1 隧道結構設計圖

2. 3D 掃描技術原理

3D 掃描儀是利用多項先進技術的影像軟硬件組合而成的一種測量掃描系統(tǒng)，其主要組成部件有激光掃描儀、反射標靶紙、數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)。激光掃描儀主系統(tǒng)分為兩部分，分別為激光掃描系統(tǒng)和測距系統(tǒng)，此外還包含自身內(nèi)部校正系統(tǒng)和數(shù)字影像系統(tǒng)。3D 掃描采用的是相位激光測距儀，該設備主要工作原理為利用固定頻率的無線電波，發(fā)射激光束后根據(jù)其往返時間段，測算出其兩者之間的距離。通過公式可表述如下：設調(diào)制光的角頻率為ω，在所測得距離（設為D）上其電波發(fā)射至返回接收的相位延遲段為ψ，則對應的時間t可表示為t=ψ/ω。

3D 激光掃描儀的工作原理主要是激光束由掃描儀發(fā)射后直至遇到所測目標，然后經(jīng)目標返回至發(fā)射裝置，系統(tǒng)會自動記錄其發(fā)射和接收時間點及接收角度，以此計算出發(fā)射點至反射點的距離及相對位置。由于所測目標物理性質和距離不等，因此反射回的信號強弱等級也不一樣，從而以此推算出所測目標的物理分級和距離。通過掃描后的數(shù)據(jù)可計算出目標點與發(fā)射點的相對距離（設為S），同時對每個目標點的掃描角度值進行記錄（水平角設為a，縱向掃描角設為θ），然后對3D 掃描系統(tǒng)設立獨立坐標系，其X軸設置為橫向掃描面，Y軸設置為豎向掃描面，Z軸設置為垂直掃描面，從而獲得所測點的坐標。其計算公式為：

3D 掃描（見圖2）獲得的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點的結合，所以需要配合軟件匹配施工坐標。軟件一般都具有三維影像點云數(shù)據(jù)編輯、掃描數(shù)據(jù)、拼接與合并、影像數(shù)據(jù)點三維空間量測、點云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉換功能等。

圖2 掃描后的三維效果圖

3.隧道掃描工序流程

隧道掃描其主要包括以下幾項工作。

首先做好掃描前的準備工作，選擇確定好控制點，然后采用全站儀對控制點進行測量并做好記錄；其次確定激光掃描儀的位置，對隧道全面進行全面掃描，該工作可與全站儀測點位時同步進行?，F(xiàn)場測量掃描完成后，將數(shù)據(jù)由計算機進行批量處理，先將掃描后的數(shù)據(jù)進行轉換，其轉換后的數(shù)據(jù)需與全站儀數(shù)據(jù)一致（即將掃描的點云數(shù)據(jù)轉換為大地坐標系），然后將轉換后的點云數(shù)據(jù)生成實物模型，通過軟件處理后篩選出所需要的數(shù)據(jù)。將篩選后的數(shù)據(jù)進行點云間的對比，從而得到隧道洞內(nèi)變形示意圖，以此形成分析報告[2]。如圖3 所示。

圖3 隧道掃描工序流程圖

4.現(xiàn)場勘測點布置

為了測得結構物后的三維數(shù)據(jù)更加準確，需要對現(xiàn)場結構物類型及周邊條件進行現(xiàn)場調(diào)查，確定測點設置位置及掃描的順序和線路，最終在隧道形成控制測量網(wǎng)。通過控制測量把儀器自定義坐標測出的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一為施工坐標，從而將采集后的掃描數(shù)據(jù)處理后形成一個三維模型。

點云數(shù)據(jù)轉換施工坐標需要在掃描儀周圍布設標靶點，為確保測站始終可以觀測到至少3 個反射點，需要對反射點進行均勻布置，反射點與儀器之間不得有障礙物，并且在掃描過程中反射點位置不得改變，安排專職人員進行監(jiān)控，防止洞內(nèi)人員及設備移動影響觀測。

掃描儀需要與全站儀進行配合，在控制點架設全站儀，輸入站點坐標，后視定向。然后測出標靶點坐標，記錄、保存。選取視野開闊的地點架設掃描儀，設置掃描密度參數(shù)，開始自動掃描作業(yè)、記錄和保存點云和影像信息。

5.掃描數(shù)據(jù)匹配處理

數(shù)據(jù)匹配是將掃描儀的自定義坐標系與施工坐標系進行統(tǒng)一，使之成為一個整體。為了更好地提高匹配的精度，較好、方便可靠的方法就是利用控制點匹配的方法。采用三點到三點的匹配方法，通過全站儀測出掃描區(qū)域內(nèi)的3個標靶點以便相鄰的掃描點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系。

掃描儀所得到的得到的點云三角網(wǎng)模型，不能直觀地表達隧道的初支、二襯信息。需要軟件對預處理的模型進行分析、出圖，將預處理的點云數(shù)據(jù)導入軟件，匹配平曲線、豎曲線形成的隧道路線和隧道斷面圖。由軟件進行斷面切割，形成報表，如圖4 和圖5 所示。

圖4 隧道掃描數(shù)據(jù)處理后的三維效果圖

圖5 隧道斷面掃描報告

6.安全質量保障措施

（1）量測掃描所用儀器必須要在國家認證的計量部門進行校核，經(jīng)檢測合格后方可使用，檢驗合格證書及校核日期需及時上報有關單位。

（2）施工量測人員進洞前需提前規(guī)劃并與施工負責人及時溝通，當有爆破作業(yè)時嚴禁進入[3]。

（3）所有施工量測人員進洞前必須佩戴好安全帽，穿著反光衣，戴好反慮式口罩。

7.結語

通過采用3D 掃描技術進行洞內(nèi)圍巖變形施工監(jiān)測，充分利用該技術的一系列優(yōu)點，不但可以快速完成隧道斷面的變形監(jiān)測工作，而且測后數(shù)據(jù)也采用計算機進行自動處理分析，然后形成三維模型，使得技術人員能夠及時、準確、直觀地掌握隧道洞內(nèi)變形收斂情況，快速為下一步施工提供數(shù)據(jù)支撐，最大程度地降低了施工安全風險，保證了施工安全，加快了施工進度。通過現(xiàn)場實際應用，3D 掃描技術在鐵路特長隧道圍巖變形監(jiān)測中取得很好的效果，也為后續(xù)類似施工提供了借鑒和參考。