三維激光掃描技術(shù)在老林崗隧道工程隧道貫通測量誤差調(diào)整中的應(yīng)用

丁志剛

隧道變形監(jiān)測是反映隧道施工情況的重要途徑，傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法主要圍繞部分點(diǎn)和斷面展開，采集的數(shù)據(jù)缺乏全面性，不具備足夠的指導(dǎo)意義，同時存在工作量大、效率低等多重局限性。相比之下，三維激光掃描技術(shù)具有自動化、高精度等多重特點(diǎn)，能夠一次完成掃描作業(yè)，基于采集的數(shù)據(jù)建立三維矢量模型，直觀反映隧道的變形情況，是一種更具可行性的隧道變形監(jiān)測手段。鑒于此，文章以老林崗隧道工程為例，著重圍繞三維激光掃描技術(shù)在貫通測量誤差調(diào)整中的應(yīng)用要點(diǎn)展開探討。

一、工程概況

老林崗隧道工程全長4555.25m，為350km/h的單洞雙線隧道，隧洞所在區(qū)域以碳酸鹽巖地質(zhì)為主，Ⅲ級圍巖3125m、Ⅳ級圍巖1295m、Ⅴ級圍巖135.2m?？紤]到現(xiàn)場通風(fēng)、排水等基礎(chǔ)施工要求，于線路左側(cè)30m處設(shè)1座輔助坑道：進(jìn)口平導(dǎo)，與線路方向平行。

二、三維激光掃描技術(shù)在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用概述

三維激光掃描技術(shù)具有突出的技術(shù)先進(jìn)性，在高速激光掃描測量后，采集物體表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、反射率以及RGB顏色信息等，由于點(diǎn)的數(shù)量豐富，可構(gòu)成完善的真彩色三維點(diǎn)云模型，給工程內(nèi)業(yè)處理等相關(guān)工作的開展提供重要的參考。

三、三維激光掃描測量

儀器選用的是天寶X7三維激光掃描儀，由專員按照規(guī)范布設(shè)到位，合理操作。對于三維激光掃描測量的具體工作要點(diǎn)，做如下分析。

1.約束點(diǎn)的布設(shè)

在隧道內(nèi)布設(shè)約束點(diǎn)，加以掃描，在完成此類點(diǎn)的掃描后，做融合計算，由此實(shí)現(xiàn)對各點(diǎn)三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，即變?yōu)楣こ酞?dú)立坐標(biāo)。根據(jù)隧道工程進(jìn)度計劃可知，施工時已經(jīng)將CPⅢ控制網(wǎng)控制工作落實(shí)到位，形成豐富的CPⅢ點(diǎn)，因此將其直接作為約束點(diǎn)使用即可，此時可以高效開展三維激光掃描測量工作。

2.掃描主站的布置

掃描裝置需無死角地覆蓋整個掃描區(qū)域，為滿足此要求，按120m的間距依次設(shè)主測站，各測站掃描的平面高程約束點(diǎn)的數(shù)量至少為4個，在該作業(yè)方式下，能夠使相鄰兩個測站間有2個及以上的約束點(diǎn)。按照前述提及的方法設(shè)站，共形成38個主測站，掃描約束點(diǎn)的數(shù)量為73個。

3.掃描

（1）準(zhǔn)備工作：在測站前后的兩對CPⅢ控制點(diǎn)上設(shè)測量標(biāo)靶，經(jīng)此操作后，形成三維坐標(biāo)約束點(diǎn)；按規(guī)范將設(shè)備安裝好后，開機(jī)運(yùn)行30min以上，在此過程中加強(qiáng)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢查，有問題則及時處理，確保無異常，否則將由于設(shè)備自身的問題而影響掃描工作的順利開展。

（2）正式掃描：將三維激光掃描儀安裝到位，首先掃描設(shè)置在測站前后的兩對約束點(diǎn)，此舉能夠準(zhǔn)確掌握約束點(diǎn)在測站坐標(biāo)系統(tǒng)的具體分布情況，而后再對測站覆蓋范圍做全方位的掃描。

4.內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理

（1）相鄰測站數(shù)據(jù)的拼接

每一測站均會建立獨(dú)立的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，在多測站掃描過程中，采集各測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，統(tǒng)一匯聚在相同的自由坐標(biāo)系中，而為了實(shí)現(xiàn)此效果，需執(zhí)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換操作。取3個或更多的公共反射標(biāo)靶約束點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)計算后確定轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，明確各項(xiàng)具體的轉(zhuǎn)換參數(shù)，再借助矩陣將各測站數(shù)據(jù)匯總至獨(dú)立坐標(biāo)系內(nèi)，而此時相鄰測站的數(shù)據(jù)也將得到拼接處理，達(dá)到數(shù)據(jù)“化零為整”的效果。

測站掃描數(shù)據(jù)用天寶Field Link軟件拼接，統(tǒng)計分析相鄰測站的拼接精度，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 相鄰測站拼接精度分析

根據(jù)表1內(nèi)容可知，在隧道相鄰測站拼接中，平面中誤差、高程中誤差分別為7.0mm、1.5mm，通過與隧道凈空測量精度的對比分析發(fā)現(xiàn)，兩處誤差均在許可范圍內(nèi)，滿足要求。

（2）點(diǎn)云配準(zhǔn)

測量期間不可避免地產(chǎn)生誤差，根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制的不同，可分為系統(tǒng)誤差和人為誤差，各自均會對測量結(jié)果以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來影響，因此如何提高精度至關(guān)重要。在本項(xiàng)目中，先對測站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)做拼接處理，而后再選取相鄰兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)云精確配準(zhǔn)，由此提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，盡可能減小誤差。

（3）掃描數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

按照流程完成各站數(shù)據(jù)的拼接、配準(zhǔn)操作后，還需選取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換至工程坐標(biāo)系中，此環(huán)節(jié)依然根據(jù)標(biāo)靶約束點(diǎn)的三維坐標(biāo)操作。具體而言，將標(biāo)靶置于CPⅢ控制點(diǎn)上，此布置關(guān)系下，標(biāo)靶中心的坐標(biāo)則指的是CPⅢ的坐標(biāo)，推導(dǎo)自由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至工程系坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，再以所得的參數(shù)為指導(dǎo)，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)向工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換操作。具體至本文提及的隧道工程中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換平面中誤差、高程中誤差分別為4.5mm、1.5mm，得到有效的控制，滿足隧道凈空測量的精度要求，切實(shí)可行。關(guān)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度情況，如表2所示。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度分析

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀處理與輸出

經(jīng)拼接、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后，點(diǎn)云密度較高，此時產(chǎn)生極為龐大的數(shù)據(jù)量，后續(xù)操作難度較大。為此，引入致筑網(wǎng)Z3D軟件，依托于該平臺，對數(shù)據(jù)按0.05m一個點(diǎn)做抽稀處理，而后輸出產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，在此前提下，高效完成斷面采集工作。

四、貫通誤差的調(diào)整

1.調(diào)整的基本原則

按照如下原則，組織貫通誤差調(diào)整工作：

（1）對于采用坐標(biāo)法施工測量的隧道，較為適宜的是采用平差法，此時的調(diào)整效果較佳。

（2）對于曲線隧道，若無法增設(shè)大半徑曲線，則優(yōu)先考慮頂點(diǎn)內(nèi)移法，此時能夠高效且準(zhǔn)確地確定線路中線位置；而對于滿足變更曲線半徑的隧道，則采用變更曲線要素的方式。

2.平面貫通誤差的調(diào)整

在本文所提的工程中，隧道位于曲線范圍內(nèi)，結(jié)合前述提及的平面貫通誤差調(diào)整基本原則，開展相應(yīng)的調(diào)整工作。曲線要素為：ɑz-24°35'04＂，R-7000m，l0-70m。綜合考慮接觸網(wǎng)桿布設(shè)位置、凈空斷面等相關(guān)數(shù)據(jù)，靈活地調(diào)整切線邊及曲線半徑，經(jīng)過相應(yīng)的調(diào)整操作后，曲線要素得到優(yōu)化，此時有：ɑz-24°35'3.7＂，R-6993.5m，l0-140m?？梢园l(fā)現(xiàn)，按特定的原則分析后，確定貫通誤差調(diào)整方法并落實(shí)到位，實(shí)際結(jié)果顯示隧道中線達(dá)到線路的設(shè)計要求以及隧道限界要求，由此也表明該貫通誤差調(diào)整方法具有可行性。

五、結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)綜合應(yīng)用效果優(yōu)于常規(guī)方法的技術(shù)，例如具有高密度采集三維數(shù)據(jù)、非接觸式測量等突出的特點(diǎn)，采集的數(shù)據(jù)具有全面性，能夠基于數(shù)據(jù)建立三維模型，以便技術(shù)人員根據(jù)模型做直觀的分析，對隧道施工情況做出判斷，進(jìn)而合理規(guī)劃后續(xù)的工作。在本文中，著重圍繞三維激光掃描技術(shù)展開探討，提出在約束點(diǎn)布設(shè)、掃描主站布設(shè)、掃描、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理、貫通誤差調(diào)整等方面的工作要點(diǎn)，希望對同仁提供參考。