三維激光掃描技術(shù)在公路隧道測量中的應(yīng)用

汪貴鵬

(三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢[1-2]。針對地下溶腔等地形，傳統(tǒng)測量手段均無法完整準(zhǔn)確地獲取溶腔的位置信息，同時由于地下沒有GNSS信號，所以無人機(jī)、RKT等測量手段也無法獲取地下地形[3-4]，而采用全站儀測量，工程進(jìn)度較慢，且測量點數(shù)較小，無法真實反應(yīng)整個溶腔形態(tài)[5]。因此采用背包式激光掃描儀，對在高速公路隧道段出現(xiàn)的溶腔進(jìn)行三維激光掃描，得到溶腔整體三維激光點云。

1 工程實例

某高速公路隧道段，在掌子面施工至ZK154+765，拱頂揭露出一大型干溶洞，縱向長約60 m，環(huán)向?qū)捈s30 m，徑向高約25 m，溶洞內(nèi)填充物為泥土、孤石混合堆積物，厚度10～15 m，左側(cè)空溶洞往前延伸約50 m看不到盡頭，右側(cè)空溶腔，往右70～80 m看不到盡頭，拱頂孤石穩(wěn)定狀態(tài)難以判斷，有少量水滲出。由于溶腔構(gòu)造不規(guī)則，傳統(tǒng)測量手段均無法全面準(zhǔn)確地描述溶腔整體特征特貌，故采用激光掃描儀對溶腔進(jìn)行掃描，得到溶腔的三維模型；由于溶腔體積小，故采用背包式激光掃描儀對溶腔進(jìn)行掃描。

2 三維激光點云掃描及建模

2.1 三維激光掃描介紹

SLAM激光掃描系統(tǒng)主要由激光掃描儀(Laser Scanner)、慣性測量單元(Inertial measurement unit，簡稱IMU)與SLAM算法(simultaneous localization and mapping)3個部分組成。由激光測距儀的激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被激光測距儀的接收器所接收。接收器準(zhǔn)確地測量光脈沖從發(fā)射到反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可轉(zhuǎn)換為對距離的測量，結(jié)合激光器的高度和激光掃描角度，就可以準(zhǔn)確地計算出空間每一點的坐標(biāo)x、y、z信息。

慣性測量單元是測量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度的裝置。一個IMU包含了3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)，在導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價值。

SLAM算法是這3個部分中最重要的，SLAM算法的好壞決定了解算出的移動軌跡的精準(zhǔn)度，移動軌跡的精準(zhǔn)度決定了空間場景三維數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。SLAM算法根據(jù)激光測距儀所獲得三維數(shù)據(jù)中時間軸上共同的特征點加上IMU獲取的姿態(tài)數(shù)據(jù)，實時解算設(shè)備從出發(fā)點移動的距離、角度信息，逆向地構(gòu)建連續(xù)的空間場景數(shù)據(jù)，即被動式依據(jù)當(dāng)前周圍場景的數(shù)據(jù)實時計算出連續(xù)的空間數(shù)據(jù)。

2.2 三維激光掃描

采用SLAM背包式激光掃描儀對溶腔進(jìn)行三維掃描，通過后期軟件的拼接處理，并對激光點云進(jìn)行著色，得到如圖1的原始激光點云整體圖。在溶腔壁布設(shè)“+”字型靶標(biāo)，并采用全站儀對靶標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行量測，通過后處理軟件對激光點云整體進(jìn)行平差，得到工程坐標(biāo)系下的激光點云。

圖1 溶腔原始激光點云整體圖

2.3 三維激光點云建模

原始激光點掃描比較密集，抽稀后通過3D Reshaper對原始點云進(jìn)行封裝，并進(jìn)行簡單修飾，得到完整的溶腔三維模型。將隧道三維模型采用3dmax軟件建成后，再用3dmax軟件對溶腔三維模型和隧道三維模型進(jìn)行紋理貼圖，并融合在一起展示，得到如圖2的溶腔三維模型與隧道三維模型融合俯視圖和圖3的溶腔三維模型與隧道三維模型融合左視圖。在圖2中，可以清晰地看到溶腔和隧道的相對位置關(guān)系。

圖2 溶腔三維模型與隧道三維模型融合俯視圖

圖3 溶腔三維模型與隧道三維模型融合左視圖

2.4 生成斷面圖

采用3D Reshaper對溶腔三維模型與隧道三維模型進(jìn)行斷面切割，分別在左側(cè)測設(shè)線和右側(cè)測設(shè)線對溶腔進(jìn)行縱斷面切割，并將溶腔縱斷面與原設(shè)計的隧道圖紙疊加，得到圖4的右洞測設(shè)線處縱斷面示意圖和圖5的左洞測設(shè)線處縱斷面示意圖。由圖4和圖5可以查詢測設(shè)線到溶腔底板的距離。

圖4 右洞測設(shè)線處縱斷面示意圖

圖5 左洞測設(shè)線處縱斷面示意圖

沿測設(shè)線方向每隔5 m對溶腔進(jìn)行橫斷面切割后，根據(jù)測設(shè)線距離溶腔位置，將溶腔橫斷面與隧道橫斷面疊加，得到圖6的部分右洞橫斷面示意圖和圖7的部分左洞橫斷面示意圖，由于橫斷面過多，圖中只集中展示了溶腔對隧道影響較大部分。

圖6 部分右洞橫斷面示意圖

圖7 部分左洞橫斷面示意圖

由圖6和圖7可以看出，在右洞YK154+670處和右洞YK154+675處溶腔伸入隧道中，對隧道日后的施工產(chǎn)生較大影響。具體斷面情況詳見圖8右洞YK154+670橫斷面和圖9右洞YK154+675橫斷面。

圖8 右洞YK154+670橫斷面

圖9 右洞YK154+675橫斷面

2.5 溶腔與高速公路隧道段的關(guān)系

由圖10的溶洞與隧道平面圖可以看出以下幾點關(guān)系。

圖10 溶洞與隧道平面圖

1)平面：溶腔長軸大致沿長軸方向101°可測量段長度約552.7 m，最寬處約84.2 m；平均寬度約49.5 m。

2)溶腔與隧道位置關(guān)系：溶腔與隧道軸線相交角度約25°，平面上投影與隧道左線相交最大長度124.01 m，與隧道右線相交最大長度88.94 m，整個溶洞絕大部分位于隧道拱頂上方，局部斷面侵入隧道斷面。

3)高程：溶洞底部地形由溶洞起點至終點降低(崩塌、堆積、沖刷后非均勻下坡)，起點高程約205.33 m，終點高程187.58 m，沿長軸方向縱向平均坡度3.2%；隧道設(shè)計高189.5～193.6 m；斷面上南側(cè)高，北側(cè)低，最大坡度1：1，呈現(xiàn)狹窄溶槽。

2.6 解決方案

由圖11的溶腔與隧道位置關(guān)系圖可以給出以下的解決方案。

圖11 溶腔與隧道位置關(guān)系圖

1)溶腔位于隧道輪廓線以外且與隧道距離大于1D段落，不做額外的處治。

2)溶腔位于隧道上方與隧道間距大于1D，且地下水較發(fā)育。處治方案：局部徑向注漿止水及加固(動態(tài))，隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)為S-Ⅳd型襯砌。

3)溶腔位于隧道范圍內(nèi)大于0.5D小于1D。處治方案：對隧道周邊軟弱圍巖進(jìn)行徑向注漿加固，隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)為S-Ⅳa型襯砌。

4)溶腔位于隧道范圍內(nèi)小于0.5D。處治方案：溶腔與隧道輪廓線間距不足5 m時，先對溶腔內(nèi)塊石和填充物進(jìn)行回填固結(jié)；采用L=9 m Φ 89×6 mm中管棚及L=4.5 m Φ50 mm×5 mm大角度注漿小導(dǎo)管進(jìn)行輔助施工；隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)為S-Ⅴb襯砌；初期支護(hù)完成后對隧道周邊軟弱圍巖進(jìn)行徑向注漿加固。

3 結(jié)語

在高速公路修建過程中，隧道段一般在高山中，而山中情況復(fù)雜，前期的地質(zhì)勘察手段可能無法勘察出詳細(xì)的溶洞情況，在隧道修建過程中遇到溶腔是常有的情況，而測量溶腔問題卻一直是公路建設(shè)的難點。本文給出三維激光掃描溶洞得到三維激光點云，并對三維激光點云進(jìn)行建模，得到三維模型，在相關(guān)軟件中對三維模型進(jìn)行斷面切割的方式得出溶腔與擬建隧道的相互關(guān)系，從而為設(shè)計和施工提供決策依據(jù)，指導(dǎo)后期的設(shè)計和施工。