3D掃描信息反饋技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

王勇

（中鐵五局集團(tuán)貴州工程有限公司，貴陽 550001）

1 引言

道路交通建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)隧道比重越來越大，相應(yīng)的施工質(zhì)量和安全問題受到各方關(guān)注，其中，斷面點(diǎn)位的空間信息實(shí)時獲取至關(guān)重要。3D 掃描信息反饋技術(shù)依據(jù)激光測距原理，通過三維激光掃描儀測量隧道表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值、反射率及紋理信息等，借助計算機(jī)系統(tǒng)和激光點(diǎn)云算法速獲得隧道內(nèi)輪廓的線、面、體等各種數(shù)據(jù)，從而建立三維模型，具有方便快捷、精度高、檢測范圍廣等特點(diǎn)。近年來，研究者從不同方面對3D 掃描信息反饋技術(shù)進(jìn)行了研究，例如，耿直[1]給出3D 激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面收斂測量中的應(yīng)用方法，并結(jié)合具體案例深入分析3D 掃描技術(shù)測量的內(nèi)符合性和外符合性；馬華宇[2]結(jié)合全站儀進(jìn)行三維激光掃描作業(yè)，通過工程控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，提高測量效率和精度；成俊等[3]詳細(xì)闡述了綜合應(yīng)用Amberg GRP 5000 三維激光掃描系統(tǒng)和高精度自動全站儀對地鐵運(yùn)營隧道進(jìn)行變形監(jiān)測的絕對測量方法。

結(jié)合以往研究，本文以南玉鐵路平悅隧道為背景，系統(tǒng)地介紹3D 掃描信息反饋技術(shù)在開挖控制質(zhì)量、土石方收方、初支及襯砌厚度檢測、區(qū)段變形趨勢檢測、混凝土節(jié)超和結(jié)構(gòu)缺陷判斷等方面的應(yīng)用和效果，并與既有技術(shù)在成本管控方面進(jìn)行對比分析。

2 應(yīng)用工程概況

平悅隧道位于廣西壯族自治區(qū)貴港市平悅鄉(xiāng)境內(nèi)，全長6 428 m，隧道中設(shè)置長731 m 的斜井1 座。隧道埋深最大為224 m，最小18 m；進(jìn)口洞口坡度較緩，出口洞口坡度較陡。地表溝谷為第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土；斜坡表層局部為第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土；洞身通過的地層主要為泥盆系下統(tǒng)郁江組砂巖夾泥巖、砂巖、灰?guī)r及燕山期的花崗巖。地表溝谷縱橫，水系較為發(fā)育，其中，與隧道施工關(guān)系密切的地下水類型為巖溶水及基巖裂隙水。

隧道巖溶中等發(fā)育，隧道開挖施工存在塌方、突水、突泥等 風(fēng) 險。隧 道 洞 身DK138+145 ～DK138+165、DK139+665 ～DK139+685、DK140+990～DK141+010 段通過砂巖夾泥巖、砂巖與花崗巖的侵入接觸帶及砂巖與灰?guī)r的巖性接觸帶，DK143+160～DK143+220 段下穿淺埋沖溝，圍巖整體穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件差，存在掉塊，突水、突泥等風(fēng)險。

平悅隧道以Ⅵ級、Ⅴ級圍巖為主，全隧分進(jìn)口、斜井大小里程及出口4 個工作面進(jìn)行施工，其中，最長作業(yè)面施工長度為2 336 m（其中斜井731 m），線下工期26 個月，工期壓力較大[4]。

3 3D掃描信息反饋技術(shù)的實(shí)施

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

1）控制點(diǎn)：每60 m 埋設(shè)1 組（3 個）控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)采用精密導(dǎo)線測量方式引測，并定期復(fù)核，若有問題及時更新坐標(biāo)。

2）儀器架設(shè)：圍巖等級不同，隧道初支面平整度差異不同；通過調(diào)整斷面的掃描距離來提高掃描精度。Ⅳ、Ⅴ圍巖初支面相對平整，一次掃描60 m；Ⅱ、Ⅲ圍巖初支面平整度較差，掃描距離應(yīng)控制在40～50 m。根據(jù)掃描距離，選定位置后將3個靶球安裝上，儀器架設(shè)在距中間3 個球約10 m 的位置。使用儀器配套腳架圓氣泡來粗略調(diào)平；開機(jī)后使用電子水泡精平。若洞內(nèi)外溫度差異較大，需等待儀器適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境溫度之后方可進(jìn)行斷面掃描測量。

3）掃描采集數(shù)據(jù)：隧道施工環(huán)境變化多樣，一般在隧道施工處于打鉆、立架空氣質(zhì)量最好階段進(jìn)行測量，特殊情況下針對現(xiàn)場環(huán)境選擇觀測模式及掃描分辨率來提高精度。常用的掃描方式為全圓法，掃描過程中嚴(yán)禁施工作業(yè)人員在掃描范圍內(nèi)穿插走動，掃描時間一般為3 min，掃描完成后檢查成像質(zhì)量，確保無誤后保存數(shù)據(jù)并關(guān)機(jī)[5]。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

1）借助海徠-隧通TMO 軟件，建立逐級分類文件，導(dǎo)入設(shè)計提供的平曲線、豎曲線和開挖設(shè)計斷面參數(shù)，錄入施工里程圍巖信息。

2）導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)，提取靶球坐標(biāo)，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行線路計算，選擇需要計算的部位并裁剪數(shù)據(jù)，去除設(shè)計斷面噪聲影響（清除內(nèi)部異物），選擇斷面間距導(dǎo)出整體侵限圖，見表1。

表1 侵限分析報表示意

3）還可根據(jù)需要導(dǎo)出隧道不同施工工況的空間信息參數(shù)，通過導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)，可連續(xù)分析隧道超欠挖、厚度、變形等情況。

4 3D掃描信息反饋技術(shù)在隧道施工安全質(zhì)量中的應(yīng)用

4.1 隧道斷面超欠挖快速檢測

采集隧道開挖斷面數(shù)據(jù)，并將結(jié)果與設(shè)計BIM 模型輪廓邊界進(jìn)行對比，可自動生成超欠挖數(shù)據(jù)截面以及相應(yīng)的超欠挖參數(shù)。借助軟件數(shù)據(jù)處理，可生成測設(shè)單元長度內(nèi)超欠挖展面。通過單元長度內(nèi)超欠挖展面可以確定區(qū)段開挖斷面點(diǎn)位控制的偏差大小、面積及體積信息，同時還可通過網(wǎng)格定位超過預(yù)定允許偏差部位。這就可以指導(dǎo)開挖爆破參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，避免和減少開挖輪廓侵入襯砌界限導(dǎo)致襯砌厚度不足的情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)減少超欠挖的目的，為施工質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 隧道區(qū)段變形趨勢檢測

通過對比不同時期對隧道初支進(jìn)行的三維斷面掃描資料，可實(shí)現(xiàn)隧道區(qū)段變形趨勢的收集和分析。特別是在軟弱圍巖和斷層等變形較大地段，通過不同時期的數(shù)據(jù)對比能夠發(fā)現(xiàn)區(qū)段的變形趨勢，從而實(shí)現(xiàn)整個隧道面的連續(xù)監(jiān)測，提供圍巖發(fā)生突變的預(yù)警。可以作為常規(guī)監(jiān)控量測的補(bǔ)充[7]。

為驗(yàn)證3D 掃描測量技術(shù)，采用傳統(tǒng)觀測方法對DK138+900 斷面進(jìn)行同步監(jiān)測。布點(diǎn)時使用高精度全站儀放樣出收斂、沉降點(diǎn)位置，使其在同一斷面上，且收斂測點(diǎn)在同一高度上。通過3D 掃描與傳統(tǒng)測量獲取拱頂沉降、周邊位移隨時間變化情況繪制到圖1、圖2 中。

從圖1 可以看出，該斷面28 d 內(nèi)累計沉降5.7 mm，并于11 月4 日趨于穩(wěn)定，且變化差值都小于1mm；因此，兩種不同方法觀測的拱頂沉降變化趨勢基本相同。從圖2 可以看出該周邊位移28d 內(nèi)累計收斂9.9 mm，并于11 月6 日趨于穩(wěn)定，累計收斂值偏差小于1 mm。因此，兩種不同方法觀測結(jié)果非常吻合[8]。

圖1 拱頂沉降變化曲線圖（DK138+900）

圖2 周邊位移變化曲線圖（DK138+900）

4.3 隧道實(shí)體質(zhì)量缺陷判斷

通過對比開挖后、初支、二襯施工前后斷面空間點(diǎn)位形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)厚度和缺陷的判定，利于及時在施工過程中進(jìn)行缺陷處置和糾偏；同時通過計算混凝土方量與實(shí)際供應(yīng)混凝土量的比對定量分析混凝土節(jié)超情況，為考核提供實(shí)時依據(jù)。當(dāng)檢測計算得出混凝土量大于實(shí)際澆筑的混凝土量時，差量就是對應(yīng)的背后脫空量與欠厚的體積，通過計算差量的大小可以定性分析判別是否有較大缺陷。這特別適合拱頂范圍二襯有無較大脫空或欠厚缺陷的判別[9]。

5 3D掃描信息反饋技術(shù)在隧道施工成本管控中的優(yōu)勢分析

5.1 隧道開挖土石方量收方

用三維激光掃描儀快速對隧道開挖斷面進(jìn)行檢測，在不考慮變形的情況下可以計算出開挖出的土石方量，通過與開挖運(yùn)輸收方對比，可以得出松散系數(shù)。若采用實(shí)方計量，現(xiàn)場則不再需要指派專門的收方人員，有利于減少人員配備并提高效率。

5.2 隧道初支厚度檢測

在隧道初支完成后，對斷面再次進(jìn)行檢測，通過與開挖后斷面數(shù)據(jù)比對，可以實(shí)現(xiàn)不打孔檢條件下隧道初支厚度的測量。在設(shè)計厚度為30 cm 的初支上，抽樣15 個點(diǎn)進(jìn)行檢測厚度，并通過打孔試驗(yàn)驗(yàn)證。圖3 給出了對比情況。

圖3 初支厚度差值對比圖

從圖3 可以看出，兩種不同測量方法測出的厚度誤差最大為0.2 cm，大部分差值小于0.1 cm。因此，完全可以采用3D掃描檢測結(jié)果代替人工打孔檢測。這節(jié)約了人工費(fèi)用，縮減了打孔的時間，從而大大提升了工作效率。

5.3 隧道二襯厚度的檢測

在二襯混凝土澆筑前的初支斷面結(jié)果與二襯模板臺車BIM 模型輪廓邊界進(jìn)行對比，可計算出該模二襯應(yīng)澆筑的混凝土方量。二襯施作完成后對斷面進(jìn)行3D 掃描，并與對應(yīng)初支斷面掃描資料對比，可以得到二襯各部位的厚度、體積等參數(shù)；因此，通過與實(shí)際澆筑的混凝土量進(jìn)行對比，可分析出二襯是否存在空洞等質(zhì)量缺陷[10]。

采用3D 掃描和地質(zhì)雷達(dá)無損檢測方式對設(shè)計厚度為40 cm 的無鋼筋二襯抽樣15 個點(diǎn)進(jìn)行厚度檢測，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 二襯厚度差值對比圖

從圖4 看出，采用3D 掃描和地質(zhì)雷達(dá)無損檢測這兩種不同方式測出的厚度誤差最大為0.4 cm，大部分差值小于0.2 cm，基本吻合。需要指出的是，在有鋼筋地段，因地質(zhì)雷達(dá)檢測時信號受鋼筋的影響，導(dǎo)致厚度偏差較大，3D 掃描測設(shè)的二襯厚度數(shù)據(jù)更可靠。

5.4 隧道混凝土節(jié)超檢測

通過對比初支、二襯施工前后斷面可以得到施工的所需要的噴射混凝土和混凝土體積，將計算得出的量與現(xiàn)場實(shí)際施工的量（噴射混凝土考慮回彈系數(shù)），可以得出混凝土的節(jié)超情況。

6 結(jié)論與建議

基于上述3D 掃描信息反饋技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用研究，提出如下結(jié)論和建議：

1）隧道斷面3D 掃描信息反饋技術(shù)可以定量分析超欠挖情況，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整優(yōu)化開挖爆破設(shè)參數(shù)，加強(qiáng)現(xiàn)場管控。

2）引入自由設(shè)站，能夠及時掌握斷面超欠挖情況，及時發(fā)現(xiàn)開挖斷面問題，有效地控制因開挖斷面問題導(dǎo)致的二次襯砌厚度不足等缺陷，同時隧道施工不受影響，有利于建立工序交接檢制度。

3）斷面不同時段的數(shù)據(jù)對比實(shí)現(xiàn)對隧道區(qū)段連續(xù)的變形趨勢的監(jiān)測，為施工安全提供依據(jù)。

4）3D 掃描技術(shù)可以為初支、二襯厚度檢測和混凝土材料節(jié)超檢測提供數(shù)據(jù)支撐，有助于較大缺陷的及時發(fā)現(xiàn)和處理。