三維激光技術在隧道施工的應用研究范文

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摘要：針對隧道施工中經常發生的超欠挖問題，文章引入了地面三維激光技術，以某隧道工程為例，闡述了三維激光技術在隧道超欠挖施工中的應用方法。實踐證明：采用三維激光技術進行隧道超欠挖分析，既能保證測量放樣隧道中線和標高的準確性，又能定制化輸出分析結果，方便了施工管理，與傳統方法相比有較大的優勢。

關鍵詞：隧道施工；三維激光；超欠挖分析

引言

近年來，隨著交通建設的不斷發展，各類型的隧道越來越長、越來越復雜。隧道開挖是公路、地鐵等大型基礎工程建設的重要施工環節之一。隧道按設計要求開挖是隧道施工的關鍵步驟，不論是超挖還是欠挖都會延誤工期增加施工成本。現有監測手段如全站儀、水準儀、測量機器人等均存在效率低的問題，都是基于點的測量不能整體反映隧道形態變化等劣勢。三維激光掃描技術在業內有“實景復制技術”的美譽，是測繪地理信息領域繼“GPS定位技術”后的又一項重大技術革新［1］。三維激光掃描技術突破了傳統測量中由點到線、再由線到面的單點作業模式，能快速獲取被掃描物表面的海量三維點云數據，實現了從點測量到面測量的跨越。三維激光掃描屬于非接觸性測量，無需與被測物體接觸，可以在很多復雜環境中應用。另外伴隨著點云處理技術的快速發展及軟件使用的簡便化，獲取的點云數據只需經過簡單的處理即可直接使用，大大降低了使用難度，十分適用于隧道施工建設。目前三維激光掃描技術在隧道建設的施工測量、斷面測量、變形監測、竣工測量、三維地理信息系統等方面越來越受到重視。

1三維激光掃描原理及應用

1．1三維激光原理

三維激光掃描是從激光測距儀發展來的。單點激光測距儀出現了50多年，價格已經很便宜，但是只能針對特定點單點測距。如果將激光測距儀安裝在轉臺上，隨著旋轉平臺旋轉一周，點狀的單束激光就會測出一個截面信息，得到了二維激光雷達掃描。將點狀的單束脈沖激光，在進行水平旋轉的同時，垂直方向也進行旋轉，就得到了三維激光雷達掃描［2］。三維激光掃描儀的關鍵部件有激光發射器、掃描控制模塊器、距離測量模塊、水平發射鏡和垂直反射鏡等感應器［3］，其基本組成見圖1。圖1三維激光掃描儀基本組成圖

1．2三維激光技術在隧道方面的應用

1．2．1竣工測量竣工測量的主要內容包括：超欠挖斷面分析、斷面收斂、侵界檢測、隧道中心軸線、砌襯厚度、方量測量、材料用量和工程量分析等。1．2．2斷面測量隧道斷面測量主要內容包括：隧道中心線生成；隧道斷面參數設定（其中包括隧道斷面位置設置、隧道斷面屬性設置以及斷面提取位置設置）；分析成果報表輸出。1．2．3變形監測隧道變形監測主要內容包括：全面斷面收斂分析、中心軸線偏差、線路侵界、隧道滲水、裂縫、鋼筋裸露異狀等多種分析。1．2．4三維建模采用當前成熟先進的三維建模技術，構建項目區域內的三維模型，包括隧道內及附屬機電設施模型。

2地面三維激光在隧道超欠挖中的應用

隧道超欠挖分為超挖和欠挖兩種形式。當隧道開挖輪廓線大于隧道設計輪廓線時即是超挖；而當隧道開挖輪廓線小于隧道設計輪廓線時即是欠挖［4］。想要判斷隧道是否超欠挖，首先需要計算隧道的設計面積，然后計算實際開挖后截取斷面的面積。控制超欠挖主要是開挖輪廓線（或周邊孔線）的精度要控制好。由于測量錯誤引起的超欠挖在隧道施工中將是致命的，必須規避此類風險［5］。某隧道采用爆破的形式開挖。開挖后在洞壁上布設鋼筋網，然后再噴射水泥澆筑來完成一襯，一襯和二襯之間還有40cm的支護厚度，一襯結束后要保證二襯的水泥厚度。所以一襯的水泥襯砌厚度要得到控制，超挖沒有問題，欠挖區域需要鑿下去。在項目開展過程中采用三維激光技術進行隧道超欠挖分析，既能保證測量放樣隧道中線和標高的準確性，也能定制化分析結果輸出，方便了施工管理。主要作業步驟如下：（1）數據采集及預處理。項目中采用一臺相位式三維激光掃描儀進行數據采集工作，測距范圍0．3～187．3m，采點速率：101．6萬／s；內置相機：全景8000萬像素（HDR技術）；掃描視角：360°×320°。三維激光掃描儀作業現場用全站儀獲取標靶的絕對坐標，輔助后期三維激光掃描數據的絕對坐標轉換。利用設備自帶的LASERCONTROL軟件進行數據預處理，主要進行站點數據拼接、去噪、絕對坐標轉換、各種常見點云數據的導出等預處理工作。軟件界面如圖2所示。（2）設計數據與實測數據套合。主要完成設計斷面和設計中軸線的套合工作。具體而言首先將隧道的一襯設計斷面從CAD中提取出來，做成一條閉合的多段線（主要是為了在3DReshaper中制作閉合的設計模型），通過道路設計要素（道路設計要素一般都是由設計院給出的，包括平曲線要素表、豎曲線要素表、斷鏈表）來計算逐樁表，然后在CAD中生成設計中軸線（見圖3）。（3）隧道斷面檢測和隧道超欠挖數據處理。將設計模型、設計中軸線、實測點云數據套合在一起，按照設計中軸線進行切片，在斷面上顯示按照設計模型的法線方向計算設計模型和實測模型之間的距離。通過設置斷面切片間隔、起始里程值、超欠挖色譜等，對比結果導出．dxf格式數據文件。斷面數據可清晰反映各個區域的變形量，方便分析和評估變形帶來的安全隱患（如圖4所示）。通過設定不同的闕值來控制顯示區域的面積和顯示顏色，定量并且直觀地分析出與施工質量相關的一些問題，作為對施工質量把關的一種參照。此外，也可以按照里程方向依次顯示隧道超欠挖體積，并以標簽方式定量顯示。圖43D隧道超欠挖分析色譜定量分析圖（4）隧道對比檢測結果和隧道超欠挖體積分析成果和報告導出。利用3DReshaper軟件制作形式多樣的分析成果報告，并結合現場要求進行報告的定制化輸出，方便施工單位和監理單位進行施工質量檢查，指導后期對欠挖區域進行處理。例如根據施工單位需要，將隧道欠挖區域的坐標值和欠挖體積量導出到EXCEL，方便以后在實地指導施工中使用；將軟件分析出來的欠挖區域的坐標用標簽的形式標注以指導施工作業；將斷面對比成果導出成DXF文檔，作為監理方檢測成果資料等（見圖5）。圖5超欠挖體積分析展示圖

3結語

利用三維激光掃描技術，對在建隧道進行超欠挖分析，結果表明：（1）與傳統測量技術相比，三維激光掃描技術不僅可以保證設計施工所要求的測量精度，更具有數據采集效率高、數據全面性強、結果可三維立體化展示等特點。（2）使用3DReshaper軟件制作形式多樣的分析成果報告，并結合現場要求進行報告的定制化輸出，應用于隧道開挖相關的施工流程，可以為隧道超欠挖分析提供更完備、更精準、更多樣化的數據服務。（3）三維激光掃描技術不僅有效地提高了測繪作業的效率，而且提升了隧道施工測量的安全性。隨著我國對隧道建設質量要求的日益提高和對工程安全意識的日漸重視，三維激光掃描技術必將成為一種重要的隧道測量技術手段。

參考文獻

［1］馬立廣．地面三維激光掃描儀分類與應用［J］．地理空間信息，2005，3（3）：60－62．

［2］沈寧．三維激光掃描技術在隧道變形監測中的應用研究［D］．濟南：山東科技大學，2017．

［3］許海東．激光掃描儀在油田三維系統中的應用［J］．中國石油和化工標準與質量，2014（1）：227．

［4］謝振紅．Excel在隧道超欠挖計算中的應用［J］．吉林建筑大學學報，2017（1）：41－44．

［5］鄧江．貓山公路隧道工程技術［M］．北京：人民交通出版社，2002．

作者：侯海元 單位：廣西交投科技有限公司