3D 掃描技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

王 印

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安 710038）

0.引言

在鐵路和公路項(xiàng)目中，隧道施工一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其當(dāng)隧道圍巖等級(jí)較低，所穿越地質(zhì)較為復(fù)雜時(shí)，隧道的施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大增加。因此，對(duì)于該類型隧道如何控制其開挖過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性，確保施工安全已受到廣泛關(guān)注，也是施工中最為重要的控制點(diǎn)。隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)主測(cè)項(xiàng)目主要有拱頂下沉和凈空收斂，其傳統(tǒng)量測(cè)方式主要采用全站儀和收斂計(jì)來(lái)進(jìn)行[1]，這兩種方法不但作業(yè)程序耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，影響下一步施工工序，而且觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在洞壁上，容易被損壞和破壞，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法連續(xù)使用，新建的反射點(diǎn)無(wú)法再反映圍巖變形的變化情況。全站儀測(cè)量多采用絕對(duì)坐標(biāo)系，每次測(cè)量前的建站及校核繁瑣復(fù)雜且耗時(shí)耗力。在新建湖州至杭州西至杭黃高鐵連接線工程鹿山隧道施工中，由于該隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)地質(zhì)較差且穿越富水?dāng)鄬悠扑閹В瑸榇_保洞內(nèi)圍巖變形量測(cè)數(shù)據(jù)能最大程度地反映實(shí)際情況，確保洞內(nèi)施工安全，項(xiàng)目部決定采用3D 掃描技術(shù)（即三維激光掃描技術(shù)）進(jìn)行洞內(nèi)圍巖變形施工監(jiān)測(cè)。充分利用該技術(shù)耗時(shí)短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，不但可以快速完成隧道斷面的變形監(jiān)測(cè)工作，而且測(cè)后數(shù)據(jù)也采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)處理分析，然后形成三維模型，使得技術(shù)人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀地掌握隧道洞內(nèi)變形收斂情況，快速為下一步施工提供數(shù)據(jù)支撐，最大程度地降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工安全，加快了施工進(jìn)度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，3D 掃描技術(shù)在軟弱圍巖長(zhǎng)大隧道圍巖量測(cè)中取得很好的效果。

1.工程概況

新建湖州至杭州西至杭黃高鐵連接線工程（不含先期開工段）站前工程HHLJXZQ-6 標(biāo)起訖里程為DK88+331.17 ～DK127+698.47，標(biāo)段新建線路長(zhǎng)度39.135km。本標(biāo)段另外包括預(yù)留3、4 線同步實(shí)施工程，新建線路全長(zhǎng)0.373km（其中：預(yù)留3 線0.195km、預(yù)留4 線0.179km）。工程地點(diǎn)位于浙江省杭州市余杭區(qū)、富陽(yáng)區(qū)境內(nèi)。

鹿山隧道（見圖1）位于浙江省杭州市富陽(yáng)境內(nèi)，起訖里程DK107+471 ～DK113+076.03，全長(zhǎng)5605.03m，為全線最長(zhǎng)的隧道。根據(jù)最新工期要求，隧道設(shè)進(jìn)出口及3處斜井，共8 個(gè)工作面。項(xiàng)目經(jīng)理部二分部負(fù)責(zé)隧道進(jìn)口及三處斜井施工組織，項(xiàng)目經(jīng)理部三分部負(fù)責(zé)鹿山隧道出口施工組織。栗園斜井與正線左線相交里程DK108+600，綜合坡度5.45%，位于線路右側(cè)，斜井斜長(zhǎng)545m；柳溪斜井與正線左線相交里程DK109+840，綜合坡度8.54%，位于線路右側(cè)，斜井長(zhǎng)403m；上葉斜井與正線左線相交里程DK110+800，斜井綜合坡度為9.03%，位于線路右側(cè)，斜井長(zhǎng)873m。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2. 3D 掃描技術(shù)原理

3D 掃描儀是利用多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的影像軟硬件組合而成的一種測(cè)量掃描系統(tǒng)，其主要組成部件有激光掃描儀、反射標(biāo)靶紙、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)。激光掃描儀主系統(tǒng)分為兩部分，分別為激光掃描系統(tǒng)和測(cè)距系統(tǒng)，此外還包含自身內(nèi)部校正系統(tǒng)和數(shù)字影像系統(tǒng)。3D 掃描采用的是相位激光測(cè)距儀，該設(shè)備主要工作原理為利用固定頻率的無(wú)線電波，發(fā)射激光束后根據(jù)其往返時(shí)間段，測(cè)算出其兩者之間的距離。通過(guò)公式可表述如下：設(shè)調(diào)制光的角頻率為ω，在所測(cè)得距離（設(shè)為D）上其電波發(fā)射至返回接收的相位延遲段為ψ，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間t可表示為t=ψ/ω。

3D 激光掃描儀的工作原理主要是激光束由掃描儀發(fā)射后直至遇到所測(cè)目標(biāo)，然后經(jīng)目標(biāo)返回至發(fā)射裝置，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄其發(fā)射和接收時(shí)間點(diǎn)及接收角度，以此計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)至反射點(diǎn)的距離及相對(duì)位置。由于所測(cè)目標(biāo)物理性質(zhì)和距離不等，因此反射回的信號(hào)強(qiáng)弱等級(jí)也不一樣，從而以此推算出所測(cè)目標(biāo)的物理分級(jí)和距離。通過(guò)掃描后的數(shù)據(jù)可計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)的相對(duì)距離（設(shè)為S），同時(shí)對(duì)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的掃描角度值進(jìn)行記錄（水平角設(shè)為a，縱向掃描角設(shè)為θ），然后對(duì)3D 掃描系統(tǒng)設(shè)立獨(dú)立坐標(biāo)系，其X軸設(shè)置為橫向掃描面，Y軸設(shè)置為豎向掃描面，Z軸設(shè)置為垂直掃描面，從而獲得所測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。其計(jì)算公式為：

3D 掃描（見圖2）獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點(diǎn)的結(jié)合，所以需要配合軟件匹配施工坐標(biāo)。軟件一般都具有三維影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯、掃描數(shù)據(jù)、拼接與合并、影像數(shù)據(jù)點(diǎn)三維空間量測(cè)、點(diǎn)云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能等。

圖2 掃描后的三維效果圖

3.隧道掃描工序流程

隧道掃描其主要包括以下幾項(xiàng)工作。

首先做好掃描前的準(zhǔn)備工作，選擇確定好控制點(diǎn)，然后采用全站儀對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并做好記錄；其次確定激光掃描儀的位置，對(duì)隧道全面進(jìn)行全面掃描，該工作可與全站儀測(cè)點(diǎn)位時(shí)同步進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量掃描完成后，將數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行批量處理，先將掃描后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)需與全站儀數(shù)據(jù)一致（即將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系），然后將轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成實(shí)物模型，通過(guò)軟件處理后篩選出所需要的數(shù)據(jù)。將篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云間的對(duì)比，從而得到隧道洞內(nèi)變形示意圖，以此形成分析報(bào)告[2]。如圖3 所示。

圖3 隧道掃描工序流程圖

4.現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)點(diǎn)布置

為了測(cè)得結(jié)構(gòu)物后的三維數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)物類型及周邊條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確定測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置及掃描的順序和線路，最終在隧道形成控制測(cè)量網(wǎng)。通過(guò)控制測(cè)量把儀器自定義坐標(biāo)測(cè)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一為施工坐標(biāo)，從而將采集后的掃描數(shù)據(jù)處理后形成一個(gè)三維模型。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換施工坐標(biāo)需要在掃描儀周圍布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)，為確保測(cè)站始終可以觀測(cè)到至少3 個(gè)反射點(diǎn)，需要對(duì)反射點(diǎn)進(jìn)行均勻布置，反射點(diǎn)與儀器之間不得有障礙物，并且在掃描過(guò)程中反射點(diǎn)位置不得改變，安排專職人員進(jìn)行監(jiān)控，防止洞內(nèi)人員及設(shè)備移動(dòng)影響觀測(cè)。

掃描儀需要與全站儀進(jìn)行配合，在控制點(diǎn)架設(shè)全站儀，輸入站點(diǎn)坐標(biāo)，后視定向。然后測(cè)出標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，記錄、保存。選取視野開闊的地點(diǎn)架設(shè)掃描儀，設(shè)置掃描密度參數(shù)，開始自動(dòng)掃描作業(yè)、記錄和保存點(diǎn)云和影像信息。

5.掃描數(shù)據(jù)匹配處理

數(shù)據(jù)匹配是將掃描儀的自定義坐標(biāo)系與施工坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一，使之成為一個(gè)整體。為了更好地提高匹配的精度，較好、方便可靠的方法就是利用控制點(diǎn)匹配的方法。采用三點(diǎn)到三點(diǎn)的匹配方法，通過(guò)全站儀測(cè)出掃描區(qū)域內(nèi)的3個(gè)標(biāo)靶點(diǎn)以便相鄰的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系。

掃描儀所得到的得到的點(diǎn)云三角網(wǎng)模型，不能直觀地表達(dá)隧道的初支、二襯信息。需要軟件對(duì)預(yù)處理的模型進(jìn)行分析、出圖，將預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，匹配平曲線、豎曲線形成的隧道路線和隧道斷面圖。由軟件進(jìn)行斷面切割，形成報(bào)表，如圖4 和圖5 所示。

圖4 隧道掃描數(shù)據(jù)處理后的三維效果圖

圖5 隧道斷面掃描報(bào)告

6.安全質(zhì)量保障措施

（1）量測(cè)掃描所用儀器必須要在國(guó)家認(rèn)證的計(jì)量部門進(jìn)行校核，經(jīng)檢測(cè)合格后方可使用，檢驗(yàn)合格證書及校核日期需及時(shí)上報(bào)有關(guān)單位。

（2）施工量測(cè)人員進(jìn)洞前需提前規(guī)劃并與施工負(fù)責(zé)人及時(shí)溝通，當(dāng)有爆破作業(yè)時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)入[3]。

（3）所有施工量測(cè)人員進(jìn)洞前必須佩戴好安全帽，穿著反光衣，戴好反慮式口罩。

7.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用3D 掃描技術(shù)進(jìn)行洞內(nèi)圍巖變形施工監(jiān)測(cè)，充分利用該技術(shù)的一系列優(yōu)點(diǎn)，不但可以快速完成隧道斷面的變形監(jiān)測(cè)工作，而且測(cè)后數(shù)據(jù)也采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)處理分析，然后形成三維模型，使得技術(shù)人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀地掌握隧道洞內(nèi)變形收斂情況，快速為下一步施工提供數(shù)據(jù)支撐，最大程度地降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工安全，加快了施工進(jìn)度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，3D 掃描技術(shù)在鐵路特長(zhǎng)隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)中取得很好的效果，也為后續(xù)類似施工提供了借鑒和參考。