三维激光扫描仪在隧道施工的应用

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摘要：三维激光扫描仪扫面精度高、检测效率高、数字化程度高，本文结合张吉怀铁路鲁家庄隧道施工为例，介绍三维激光扫描技术在高铁隧道施工中的应用,为以后的高铁隧道超欠挖控制提供指导。

关键词：三维激光扫描；山岭隧道；超欠挖

隧道施工中的超欠挖控制一直是隧道施工必不可少的控制环节，隧道超欠挖的控制好坏不仅直接影响到现场施工质量，更与施工单位的经济效益密不可分，及时的测量分析现场隧道超欠挖情况，控制超挖，节约成本的同时，杜绝因欠挖引起的二衬厚度不足等质量问题。本文结合三维激光扫描仪在现场隧道施工中的应用情况，为以后的隧道超欠挖控制测量提供参考。

1三维扫描仪原理

三维激光扫描是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。根据其测量方式，三维扫描仪又可分为脉冲式和相位式。

2传统测量手段与三维激光扫描对比

①传统测量采用全站仪对隧道开挖轮廓进行测量，获取的为单点数据，通过对数据分析与设计开挖轮廓作出对比，得出隧道的超欠挖情况。由于受仪器和分析软件的限制，存在着工作量大，数据分析不全面，无法满足现有施工工艺要求，测量点位不密集，点位间隔过大，虽然所测点位未存在欠挖，但是点位间隔间存在的欠挖无法及时发现，从而而造成欠挖位置未能及时发现。②三维激光扫描仪可连续、自动、快速的收集大量的目标物表面三维点数据，即点云（PointClouds），因此相较传统测量有许多优势，如1）数据获取速度快，实时性强；2）数据量大，精度高；3）主动性强，能全天候工作；4）全数字特性，信息传输、加工、表达容易。它的工作过程实际上就是不断的数据采集和处理过程，通过具有一定分辨率的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物表面发的采集结果。

3三维激光扫描仪技术参数

三维激光扫描仪通过发射的不可见激光束对物体表面进行快速测量，主要技术参数如下：方法：相位式扫描，单站最大扫描距离270m，最小射程：0.3m，线性误差：≤1mm，分辨率范围：0.1mm，数据采集速率：≤1.016.00Pixel/s[1]，数据扫描分辨率：垂直视场：320°，水平视野：360°，垂直分辨率：0.0004°，水平分辨率：0.0002°，双轴补偿器：分辨率0.001°测量范围：±0.5°，精度：＜0.007。

4现场应用工程实例

4.1工程概况。新建张家界至吉首至怀化铁路ZJHZQ-9标段鲁家庄隧道为双线隧道，起讫桩号为：DK202+060～DK204+295.27，全长2235.27m，洞内单面上坡，最大埋深约90m。隧道进口段岩层倾角教缓，节理裂隙发育，岩质差，开挖易坍塌掉快，围岩级别较低。4.2现场数据采集。三维扫描仪随意架设于隧道内，仪器架设完成后对标靶进行摆设（为保证扫描精度，标靶数量不少于三个），通过全站仪对标靶中心进行点位坐标采集。）4.3模型处理。通过瑞士莱卡厂家生产的Cyclone+HdsAnalyzer软件对设计线路进行全线建模，由于后期数据量大，为保证处理速度，对隧道进行分段建模，建模后的设计三维数据模型对原始扫描的点云数据进行去噪，对影响数据精度的测量点进行删除，从而保证测量数据的准确性。将降噪后的测量数据与建模数据进行对比，

5数据分析过程与成果应用

附着隧道全断面超欠挖数据，后导出隧道每个断面超欠挖CAD图。首先通过Cyclone软件对两站以上含两站原始点云数据进行拼接（单次测量无需拼接）。将全站仪测量的标靶坐标带入原始点云数据中，将相对坐标转换为绝对坐标，建立统一坐标系下的modelspace模型，然后对拼接后点云数据进行降噪处理，先进行粗略处理噪点，然后将降噪后的点云数据用LimitBox进行细部数据去噪，进一步处理表面的噪点生成点云模型，与设计断面模型进行匹配对比，分析出隧道的具体超欠挖情况，根据使用要求（设定横断面间隔0.2m，纵断面间距1.0m）对分析数据进行导出。测量工程师根据导出的断面数据分析断面每个点的超欠挖情况，形成交底资料交由现场工程师或技术人员（见表1），现场技术人员带领现场负责人员根据交底资料将欠挖点情况用红漆标记在初支混凝土面上，后采用铣刨机或人工凿除夯实进行处理，以满足现场二衬混凝土施工要求（见图6）。处理结果由测量工程师采用全站仪或者三维激光扫描仪进行复测，形成闭合后方可进行二次衬砌施工。该施工工艺及处理方案可从根本上控制隧道的超欠挖，在做到节约成本的前提下满足现场施工质量及二衬厚度要求。

6结束语

通过与传统方式对比，结合现场的应用情况，三维激光扫描仪的在隧道超欠挖控制方面具有更准确、快速、全面的特点，对隧道的超欠挖控制也更全面，避免了因传统测量存在盲区导致的欠挖不能发现的弊端。随着科技的发展，三维激光隧道扫描将更广泛的应用于高铁隧道的施工，为高铁隧道的施工超欠挖控制带来一次全新的技术改革。随着应用技术的成熟，也将更广泛的应用于其他领域。

参考文献：

[1]毛方儒，王磊.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术，2005（02）.

[2]杨松林，刘维宁，王梦恕，黄方，崔年治.自动全站仪隧道围岩变形非接触监测及分析预报系统研究[J].铁道学报，2004（03）.

[3]余海洋，史腊梅，熊朝晖，黄成龙.三维激光扫描在文物建筑测绘中的应用[J].内江科技，2015（02）.

[4]王书良，杨新林.三维激光扫描仪点云数据在AutoCAD中的处理[J].西安建筑，2008.

[5]任凌雲.三维激光扫描技术在建筑基坑施工检测中的应用[J].价值工程，2018，37（26）：235-236.

作者:顾汉广 单位:中铁十四局集团第三工程有限公司