三維激光掃描技術(shù)在隧道襯砌質(zhì)量控制中的應(yīng)用

（廣東云茂高速公路有限公司，廣東 廣州 527221）

在公路建設(shè)中，經(jīng)常需要修建隧道，我國(guó)公路隧道施工主要以新奧法為主。在新奧法出現(xiàn)早期，一般認(rèn)為二次襯砌不是承載結(jié)構(gòu)，僅作為安全儲(chǔ)備提高安全度。深入研究后發(fā)現(xiàn)，二次襯砌也是受力的，而且在Ⅳ級(jí)及以下圍巖中，其承載比例最高可達(dá)41.38%。由此可見，在軟弱圍巖段，二次襯砌也是承載結(jié)構(gòu)。

地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)法可以確定襯砌厚度和密實(shí)度，被廣泛應(yīng)用于隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)。但地質(zhì)雷達(dá)只能檢測(cè)測(cè)線附近的局部情況，覆蓋面積十分有限。在襯砌施工作業(yè)前后分別對(duì)隧道表面進(jìn)行三維掃描，通過(guò)一定算法就可以獲取襯砌的厚度值。三維激光掃描技術(shù)的精度、可靠性都有了很大的提高，這使得其在隧道監(jiān)測(cè)檢測(cè)中的應(yīng)用成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。本文將主要探討三維激光掃描技術(shù)在隧道二次襯砌厚度控制中的應(yīng)用。

一、數(shù)據(jù)獲取

（一）設(shè)備和研究對(duì)象

此次采用的三維激光掃描儀數(shù)據(jù)獲取速率超過(guò)100萬(wàn)點(diǎn)每秒，50米處精度最高可達(dá)0.8mm，是一臺(tái)高性能、高精度的旗艦掃描儀，非常適合應(yīng)用于隧道的高精度監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。該掃描儀的具體參數(shù)如表1所示。

表1.三維激光掃描儀的技術(shù)參數(shù)

監(jiān)測(cè)對(duì)象為廣東省某高速公路隧道。該隧道為分離式長(zhǎng)隧道，穿過(guò)構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏大，地面標(biāo)高138.0～342.5m，最大相對(duì)高差約204.5m。山體植被較茂密，生長(zhǎng)灌木，種植有松樹、杉樹。兩端洞口坡形較陡，最大坡角約45°。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪成果，隧道第四系覆蓋層及全-強(qiáng)風(fēng)化層較厚，植被較發(fā)育，隧道洞身、出口一帶測(cè)得部分節(jié)理結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

（二）數(shù)據(jù)采集過(guò)程

為便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析，需布設(shè)控制公共點(diǎn)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到施工坐標(biāo)系中。布設(shè)好控制點(diǎn)后，用高精度全站儀測(cè)出控制點(diǎn)在施工坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。在隧道內(nèi)掃描時(shí)，先進(jìn)行全景掃描，再對(duì)靶標(biāo)球進(jìn)行精掃（高精度、高質(zhì)量），以提高配準(zhǔn)精度。掃描過(guò)程中應(yīng)有人看守靶標(biāo)球，以避免工人觸摸或誤動(dòng)使球的位置發(fā)生變化，影響后續(xù)點(diǎn)云配準(zhǔn)精度。

2018年12月12日和12月20日，按上述要求，在相同位置分別對(duì)該高速公路隧道初期支護(hù)和二次襯砌表面進(jìn)行了掃描，獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

二、數(shù)據(jù)處理和分析

（一）點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)掃描完成后，將掃描儀中的數(shù)據(jù)復(fù)制到計(jì)算機(jī)上并導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。在儀器自帶的數(shù)據(jù)處理軟件中，對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪、靶標(biāo)提取、點(diǎn)云配準(zhǔn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)導(dǎo)出等處理，最終得到隧道表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件。

同時(shí)，根據(jù)獲取的襯砌表面灰度圖像信息，可以清楚地發(fā)現(xiàn)襯砌表面的滲水區(qū)域，通過(guò)特定的邊緣提取算法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出滲水區(qū)域的面積。襯砌表面的紋理特征在灰度圖像上表現(xiàn)得非常詳細(xì)，如果有裂縫也可以通過(guò)數(shù)字圖像處理計(jì)算出其位置和長(zhǎng)度。

（二）初支數(shù)據(jù)應(yīng)用

利用初支掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)斷面分析以及和設(shè)計(jì)二襯內(nèi)輪廓斷面進(jìn)行計(jì)算可以預(yù)測(cè)出二襯厚度，防止二襯澆筑后才發(fā)現(xiàn)厚度不足，導(dǎo)致返工，從而避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)際施工過(guò)程中，業(yè)主明確要求必須對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行掃描，確保二襯能夠達(dá)到厚度。預(yù)測(cè)二襯厚度的具體做法是：

1、根據(jù)隧道設(shè)計(jì)信息計(jì)算出某里程s處的斷面中心（拱頂所在圓圓心）三維坐標(biāo)O（x0,y0,?0）及該斷面的法向量n=(a,b,c)進(jìn)而得到該斷面的方程：

2、由此可以計(jì)算出點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的點(diǎn)到斷面的距離，設(shè)定一個(gè)閾值

3、為了便于厚度計(jì)算，利用斷面中心坐標(biāo)O（和其法向量n再將得到的點(diǎn)云集轉(zhuǎn)換到平面坐標(biāo)系中，判斷斷面中的每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)斷面圓弧，根據(jù)式（3）計(jì)算預(yù)測(cè)厚度

式中，(x′,y′)為斷面點(diǎn)云在平面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，為設(shè)計(jì)圓弧的圓心坐標(biāo)，R為相應(yīng)的圓弧半徑。

該隧道K39+510處初支斷面的設(shè)計(jì)厚度為50cm，根據(jù)初支點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)該斷面處的設(shè)計(jì)厚度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，考慮到施工實(shí)際情況，將二襯設(shè)計(jì)斷面外擴(kuò)了5cm（實(shí)際施工中一般預(yù)留5cm左右的沉降量）。該斷面處的預(yù)測(cè)二襯厚度最大為55.8cm，最小為49.6cm，平均厚度為52.1cm，二襯厚度得到了有效保證，可以進(jìn)行二次襯砌澆筑。

（三）實(shí)測(cè)二襯厚度

根據(jù)二次襯砌澆筑后獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合在相同位置掃描的初支表面數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出該隧道K39+510處的實(shí)際二襯厚度，計(jì)算方法與前述方法類似。為了和預(yù)測(cè)的二襯厚度進(jìn)行比較，實(shí)測(cè)二襯厚度值的位置與預(yù)測(cè)二襯厚度位置相同。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，該斷面處的二襯厚度最大為55.1cm，最小為49.1cm，平均厚度為52.8cm，二襯厚度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

將預(yù)測(cè)的厚度值與實(shí)測(cè)厚度值進(jìn)行對(duì)比可以得到表2。從表中可以看出，二次襯砌厚度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值存在一定偏差，但偏差較小，最大偏差僅為3.5cm，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表2.實(shí)測(cè)厚度與預(yù)測(cè)厚度對(duì)比

三、結(jié)語(yǔ)

襯砌結(jié)構(gòu)是隧道工程的主體結(jié)構(gòu)，隧道襯砌質(zhì)量控制是隧道施工管理和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)的重要內(nèi)容，研究隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)和控制的新方法具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)隧道二次襯砌前后分別進(jìn)行掃描，根據(jù)兩次掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以計(jì)算出掃描范圍內(nèi)任意斷面、任意點(diǎn)位處的襯砌厚度值；根據(jù)掃描獲取的灰度圖像，還可以對(duì)襯砌表面的滲水區(qū)域和裂縫進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行控制和評(píng)價(jià)，方法簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，內(nèi)容全面，并且可以為隧道建設(shè)和全生命周期養(yǎng)護(hù)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。