三維激光掃描儀在高鐵隧道施工中的應(yīng)用

顧漢廣

摘要：三維激光掃描儀掃面精度高、檢測效率高、數(shù)字化程度高，本文結(jié)合張吉懷鐵路魯家莊隧道施工為例，介紹三維激光掃描技術(shù)在高鐵隧道施工中的應(yīng)用，為以后的高鐵隧道超欠挖控制提供指導(dǎo)。

Abstract： The 3D laser scanner has high scanning accuracy， high detection efficiency and high digitization. This paper combines the construction of the Lujiazhuang Tunnel of Zhangjihuai Railway as an example and introduces the application of 3D laser scanning technology in the construction of high-speed railway tunnels， to provide guidance for undercutting control.

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;山嶺隧道;超欠挖

Key words： 3D laser scanning;mountain tunnel;over-undercut

中圖分類號：P234.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0270-03

0? 引言

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環(huán)節(jié)，隧道超欠挖的控制好壞不僅直接影響到現(xiàn)場施工質(zhì)量，更與施工單位的經(jīng)濟效益密不可分，及時的測量分析現(xiàn)場隧道超欠挖情況，控制超挖，節(jié)約成本的同時，杜絕因欠挖引起的二襯厚度不足等質(zhì)量問題。本文結(jié)合三維激光掃描儀在現(xiàn)場隧道施工中的應(yīng)用情況，為以后的隧道超欠挖控制測量提供參考。

1? 三維掃描儀原理

三維激光掃描是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。根據(jù)其測量方式，三維掃描儀又可分為脈沖式和相位式。

2? 傳統(tǒng)測量手段與三維激光掃描對比

①傳統(tǒng)測量采用全站儀對隧道開挖輪廓進行測量，獲取的為單點數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)分析與設(shè)計開挖輪廓作出對比，得出隧道的超欠挖情況。由于受儀器和分析軟件的限制，存在著工作量大，數(shù)據(jù)分析不全面，無法滿足現(xiàn)有施工工藝要求，測量點位不密集，點位間隔過大，雖然所測點位未存在欠挖，但是點位間隔間存在的欠挖無法及時發(fā)現(xiàn)，從而而造成欠挖位置未能及時發(fā)現(xiàn)。

②三維激光掃描儀可連續(xù)、自動、快速的收集大量的目標(biāo)物表面三維點數(shù)據(jù)，即點云（Point Clouds），因此相較傳統(tǒng)測量有許多優(yōu)勢，如1）數(shù)據(jù)獲取速度快，實時性強;2）數(shù)據(jù)量大，精度高;3）主動性強，能全天候工作;4）全數(shù)字特性，信息傳輸、加工、表達(dá)容易。它的工作過程實際上就是不斷的數(shù)據(jù)采集和處理過程，通過具有一定分辨率的空間點所組成的點云圖來表達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)物表面發(fā)的采集結(jié)果。

3? 三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)

三維激光掃描儀通過發(fā)射的不可見激光束對物體表面進行快速測量，主要技術(shù)參數(shù)如下：方法：相位式掃描，單站最大掃描距離270m，最小射程：0.3m，線性誤差：≤1mm，分辨率范圍：0.1mm，數(shù)據(jù)采集速率：≤1.016.00 Pixel/s[1]，數(shù)據(jù)掃描分辨率：垂直視場：320°，水平視野：360°，垂直分辨率：0.0004°，水平分辨率：0.0002°，雙軸補償器：分辨率0.001°測量范圍：±0.5°，精度：<0.007。

4? 現(xiàn)場應(yīng)用工程實例

4.1 工程概況

新建張家界至吉首至懷化鐵路ZJHZQ-9標(biāo)段魯家莊隧道為雙線隧道，起訖樁號為：DK202+060～DK204+295.27，全長2235.27m，洞內(nèi)單面上坡，最大埋深約90m。隧道進口段巖層傾角教緩，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)差，開挖易坍塌掉快，圍巖級別較低。

4.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

三維掃描儀隨意架設(shè)于隧道內(nèi)，儀器架設(shè)完成后對標(biāo)靶進行擺設(shè)（為保證掃描精度，標(biāo)靶數(shù)量不少于三個），通過全站儀對標(biāo)靶中心進行點位坐標(biāo)采集。（見圖1）

4.3 模型處理

通過瑞士萊卡廠家生產(chǎn)的Cyclone+HdsAnalyzer軟件對設(shè)計線路進行全線建模，由于后期數(shù)據(jù)量大，為保證處理速度，對隧道進行分段建模，建模后的設(shè)計三維數(shù)據(jù)模型（見圖2）對原始掃描的點云數(shù)據(jù)進行去噪，對影響數(shù)據(jù)精度的測量點進行刪除，從而保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將降噪后的測量數(shù)據(jù)與建模數(shù)據(jù)進行對比（見圖3），附著隧道全斷面超欠挖數(shù)據(jù)（見圖4），后導(dǎo)出隧道每個斷面超欠挖CAD圖（見圖5）。

5? 數(shù)據(jù)分析過程與成果應(yīng)用

首先通過Cyclone軟件對兩站以上含兩站原始點云數(shù)據(jù)進行拼接（單次測量無需拼接）。將全站儀測量的標(biāo)靶坐標(biāo)帶入原始點云數(shù)據(jù)中，將相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對坐標(biāo)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系下的modelspace模型，然后對拼接后點云數(shù)據(jù)進行降噪處理，先進行粗略處理噪點，然后將降噪后的點云數(shù)據(jù)用Limit Box進行細(xì)部數(shù)據(jù)去噪，進一步處理表面的噪點生成點云模型，與設(shè)計斷面模型進行匹配對比，分析出隧道的具體超欠挖情況，根據(jù)使用要求（設(shè)定橫斷面間隔0.2m，縱斷面間距1.0m）對分析數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出。

測量工程師根據(jù)導(dǎo)出的斷面數(shù)據(jù)分析斷面每個點的超欠挖情況，形成交底資料交由現(xiàn)場工程師或技術(shù)人員（見表1），現(xiàn)場技術(shù)人員帶領(lǐng)現(xiàn)場負(fù)責(zé)人員根據(jù)交底資料將欠挖點情況用紅漆標(biāo)記在初支混凝土面上，后采用銑刨機或人工鑿除夯實進行處理，以滿足現(xiàn)場二襯混凝土施工要求（見圖6）。處理結(jié)果由測量工程師采用全站儀或者三維激光掃描儀進行復(fù)測，形成閉合后方可進行二次襯砌施工。

該施工工藝及處理方案可從根本上控制隧道的超欠挖，在做到節(jié)約成本的前提下滿足現(xiàn)場施工質(zhì)量及二襯厚度要求。

6? ?結(jié)束語

通過與傳統(tǒng)方式對比，結(jié)合現(xiàn)場的應(yīng)用情況，三維激光掃描儀的在隧道超欠挖控制方面具有更準(zhǔn)確、快速、全面的特點，對隧道的超欠挖控制也更全面，避免了因傳統(tǒng)測量存在盲區(qū)導(dǎo)致的欠挖不能發(fā)現(xiàn)的弊端。

隨著科技的發(fā)展，三維激光隧道掃描將更廣泛的應(yīng)用于高鐵隧道的施工，為高鐵隧道的施工超欠挖控制帶來一次全新的技術(shù)改革。隨著應(yīng)用技術(shù)的成熟，也將更廣泛的應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

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