三維激光掃描技術(shù)在公路軟弱圍巖隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘要：隧道軟弱圍巖段落的質(zhì)量控制決定了結(jié)構(gòu)安全和項(xiàng)目投資。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法以有限點(diǎn)代表斷面，難以發(fā)現(xiàn)隧道變形的區(qū)域分布和變形特征，無(wú)法精確解決隧道超欠挖、初支二襯侵限的難題。為提高隧道施工質(zhì)量控制水平，文章以某高速公路隧道為例，引入三維激光掃描技術(shù)，實(shí)景復(fù)刻隧道點(diǎn)云模型，分析對(duì)比實(shí)測(cè)模型與設(shè)計(jì)輪廓差異，為隧道變形監(jiān)測(cè)與質(zhì)量評(píng)定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；點(diǎn)云；公路隧道；軟弱圍巖；質(zhì)量分析控制

中圖分類號(hào)：U456.3+1

0 引言

截至2021年末，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量發(fā)展，公路總里程達(dá)528.07×104 km，其中高速公路里程16.91×104 km，二級(jí)及以上等級(jí)公路里程72.36×104 km，實(shí)現(xiàn)了“十四五”良好開(kāi)局，為做好“六穩(wěn)”“六保”工作提供了重要的交通運(yùn)輸支撐［1］。

隨著交通建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，公路越來(lái)越向偏遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)丘陵發(fā)展，隧道建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年4月，我國(guó)在建的10 km以上超長(zhǎng)公路隧道為17條。隧道建設(shè)面臨的軟巖大變形、活動(dòng)斷裂、超高壓富水?dāng)嗔训炔涣嫉刭|(zhì)問(wèn)題十分突出，造成的隧道初支侵限、二襯開(kāi)裂、路面隆起、突水涌泥等案例時(shí)有發(fā)生。因此，開(kāi)展快速、全面、準(zhǔn)確的隧道變形監(jiān)測(cè)工作，核查支護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)范性和穩(wěn)定性，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工，有利于提升隧道品質(zhì)、保障施工安全。

1 隧道變形監(jiān)測(cè)方法

1.1 傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)

隧道洞內(nèi)變形監(jiān)測(cè)主要包括拱頂下沉、拱腳變形、凈空收斂、中隔墻變形等，一般采用全站儀進(jìn)行人工觀測(cè)［2］。步驟為：選取代表性斷面、設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)、埋設(shè)靶標(biāo)、全站儀測(cè)量、人工計(jì)算與設(shè)計(jì)斷面的差值、出具監(jiān)測(cè)報(bào)告。典型監(jiān)測(cè)斷面布置和靶標(biāo)實(shí)物見(jiàn)圖1。

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)流程復(fù)雜、效率低下、測(cè)點(diǎn)稀少、內(nèi)業(yè)繁重，所采數(shù)據(jù)為一系列離散坐標(biāo)，不能完全反映隧道支護(hù)的真實(shí)形態(tài)，無(wú)法精確提示隧道超欠挖區(qū)域及方量，質(zhì)量分析把控效果有較大提高空間。

1.2 三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)（3D laser scanning technology）是近年興起的一種先進(jìn)的、全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)。利用高速激光掃描測(cè)量的方法，可大面積、非接觸、高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的（x，y，z）坐標(biāo)、反射率、（R.G.B）顏色等數(shù)據(jù)信息，為快速?gòu)?fù)建出1∶1真彩色三維點(diǎn)云模型提供的一種全新技術(shù)手段［3］。其突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，以點(diǎn)云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)［4］，可快速重構(gòu)目標(biāo)模型及線、面、體、空間等各種帶有三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，再現(xiàn)客觀事物真實(shí)的形態(tài)特性。目前，三維激光掃描技術(shù)已在公路隧道、地鐵隧道、暗涵檢測(cè)、礦山溜井、邊坡工程等［5-9］場(chǎng)景中應(yīng)用，取得了很好的精細(xì)探測(cè)效果和輔助分析功能。

三維激光掃描主要分為固定式掃描和移動(dòng)式掃描，均可以得到高精度的隧道點(diǎn)云模型。天寶SX12掃描機(jī)器人屬固定式掃描儀，具有便攜、高精度、免拼接、易操作等特點(diǎn)，其執(zhí)行流程為：現(xiàn)場(chǎng)架站、測(cè)站設(shè)立或后方交會(huì)確定坐標(biāo)系統(tǒng)、自動(dòng)掃描、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、點(diǎn)云去噪、分析報(bào)告生成。

2 工程概況

某高速公路隧道全長(zhǎng)2 038 m，隧道最大埋深約173 m，為小凈距-分離式雙線雙洞隧道。隧道屬剝蝕中低山地貌，地形起伏較大，地面高程在830～1 200 m，相對(duì)高差約370 m。受斷層影響，隧道區(qū)巖體裂隙很發(fā)育，巖體多呈破碎-較破碎狀態(tài)，Ⅴ級(jí)圍巖占比約37%，Ⅳ級(jí)圍巖占比約48%。地下水主要為基巖裂隙水，局部富水可能引發(fā)突水突泥現(xiàn)象。

施工開(kāi)挖揭露圍巖顯示巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，以強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖夾泥巖、頁(yè)巖為主，為軟弱圍巖。隧道總體軸線方向182°～209°，局部地段發(fā)育小型背斜、向斜構(gòu)造，導(dǎo)致巖層發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)狀多變。隧道施工期間，多次發(fā)生圍巖大變形、冒頂塌方、裸洞超挖、混凝土超灌等情況，隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)工作尤為重要。

施工過(guò)程中采用全站儀進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，觀測(cè)隧道初期支護(hù)、二次襯砌的凈空和變形，但限于儀器的工作效率和工作模式，未能準(zhǔn)確快速判定隧道是否存在局部大變形。利用三維激光掃描技術(shù)可建立隧道開(kāi)挖點(diǎn)云模型，與設(shè)計(jì)模型實(shí)時(shí)對(duì)比，可精準(zhǔn)掌控開(kāi)挖過(guò)程中的超欠情況，計(jì)算超欠挖工作量，以降低人工成本、提高管控精度、提高工作效率。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生局部冒頂后，采用天寶SX12掃描機(jī)器人實(shí)景復(fù)刻隧道初支輪廓，以查明初支結(jié)構(gòu)變形范圍和變形規(guī)律，同步掃描隧道二襯輪廓，檢測(cè)二襯是否存在局部侵限的情況。主要采用TBC（Trimble Business Center）三維激光點(diǎn)云處理軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隧道點(diǎn)云模型和設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖2。

3 三維激光監(jiān)測(cè)分析

3.1 初期支護(hù)變形分析

隧道的初期支護(hù)與圍巖緊貼，其位移和穩(wěn)定狀態(tài)直接反映了圍巖的對(duì)應(yīng)特征。在軟弱圍巖區(qū)段，初期支護(hù)易發(fā)生侵限、剝落、掉塊等現(xiàn)象，不僅極大影響施工安全，降低支護(hù)質(zhì)量，還會(huì)減少二次襯砌厚度，為隧道安全留下隱患。

以隧道K1+948～K1+982段的Ⅴ級(jí)圍巖段為例，通過(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型對(duì)比（圖3），間隔1 m提取初支橫斷面。各斷面在隧道縱向上變形程度有所差異，其典型情況有4種：整體侵限、局部侵限、洞壁坑洼和洞壁平整，代表性橫斷面見(jiàn)圖4。

針對(duì)K1+948～K1+982初支段，以拱頂為0值，左邊墻方向?yàn)樨?fù)值，右邊墻方向?yàn)檎?，在隧道周長(zhǎng)上進(jìn)行點(diǎn)云縱向展開(kāi)，從小樁號(hào)向大樁號(hào)進(jìn)行點(diǎn)云橫向展開(kāi)，繪制隧道初支侵限展開(kāi)如圖5所示，結(jié)合橫斷面分析隧道各區(qū)段的初支侵限情況。

圖5顯示，隧道在K1+952～K1+956近二襯段存在初支侵限情況，最大侵限值為7.2 cm，平均侵限值為4.7 cm，侵限面積為3.2 m2，侵限體積為0.15 m3，系因軟弱圍巖變形擠壓初支，超出預(yù)留變形量所致，后續(xù)段落二襯施作時(shí)機(jī)應(yīng)適當(dāng)提前；其他段處于初支正常變形范圍，未出現(xiàn)侵限現(xiàn)象。

3.2 二次襯砌形態(tài)檢測(cè)

隧道施作二次襯砌后，洞壁防護(hù)措施完成。在軟弱圍巖、富水區(qū)段，可能存在應(yīng)力集中導(dǎo)致二襯受壓變形，局部?jī)艨詹粷M足規(guī)范要求的現(xiàn)象。全面檢測(cè)隧道二襯形態(tài)，可以圈定侵限區(qū)域、分析應(yīng)力集中原因，為隧道洞壁補(bǔ)強(qiáng)提供依據(jù)。

以隧道K1+610～K1+800段的Ⅴ級(jí)圍巖段為例，通過(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型對(duì)比（圖6），間隔5 m提取二襯橫斷面，代表性橫斷面見(jiàn)圖7。由圖可知，隧道在K1+650～K1+675段存在二襯局部侵限現(xiàn)象，主要集中于隧道的左拱肩處，該處產(chǎn)狀方向與洞壁方向接近垂直，最大侵限值為2.8 cm，平均侵限值為1.5 cm，侵限面積為9.2 m2，該區(qū)域圍巖極破碎，建設(shè)過(guò)程中曾發(fā)生過(guò)多次冒頂現(xiàn)象；其他區(qū)域未見(jiàn)侵限情況，隧道二襯整體質(zhì)量良好。

3.3 開(kāi)挖裸洞質(zhì)量評(píng)估

該隧道淺埋段采用機(jī)械掘進(jìn)，深埋段采用上下臺(tái)階法分段爆破開(kāi)挖，炸藥量的使用直接影響成洞效果和噴射混凝土方量，關(guān)系到隧道整體結(jié)構(gòu)安全和項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)的成本控制。

以K1+984.0～K1+985.5段的一次上臺(tái)階爆破為例，通過(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型對(duì)比（圖8），間隔0.1 m提取裸洞橫斷面，代表性橫斷面見(jiàn)圖9。結(jié)果顯示，本次爆破中隧道裸洞的超挖情況明顯，最大超挖值約40 cm，平均超挖值約20 cm，超挖區(qū)域主要集中在左拱肩和右拱腳，該處產(chǎn)狀方向與洞壁方向接近垂直。根據(jù)本次爆破情況，建議重新研究爆破布置和炸藥量，使爆破裸洞與設(shè)計(jì)斷面盡量貼合，高效利用圍巖自身強(qiáng)度，節(jié)約初支混凝土用量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某軟弱圍巖高速公路隧道為例，通過(guò)三維激光掃描技術(shù)實(shí)景復(fù)刻隧道裸洞、初支、二襯全階段點(diǎn)云模型，將實(shí)測(cè)點(diǎn)云與設(shè)計(jì)模型對(duì)比分析，為隧道建設(shè)的變形監(jiān)測(cè)和質(zhì)量控制提供充分依據(jù)，得到如下主要結(jié)論。

（1）該隧道初期支護(hù)存在局部侵限、不平整等質(zhì)量問(wèn)題，在K1+952～K1+956段平均侵限值為4.7 cm，后續(xù)可適當(dāng)提前開(kāi)展二襯施作，避免初支變形過(guò)大，保證二襯厚度。

（2）該隧道二次襯砌存在局部侵限問(wèn)題，主要集中在K1+650～K1+675段的左拱肩處，平均侵限值為1.5 cm，系因該段圍巖極破碎，區(qū)域應(yīng)力較大所致。

（3）該隧道開(kāi)挖裸洞存在超挖問(wèn)題，最大超挖值約40 cm，超挖區(qū)域主要集中在左拱肩和右拱腳，后續(xù)施工應(yīng)重新調(diào)整爆破布置方案和鉆孔裝藥量，盡量減少超挖，節(jié)約項(xiàng)目成本。

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收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：韋夢(mèng)賢（1991—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。