三維激光掃描技術(shù)在公路隧道檢測中的應(yīng)用

李青松

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提升，我國的隧道施工技術(shù)也得到了極大的進(jìn)步，近些年公路隧道的修建數(shù)量也呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國隧道的總長度高居世界第一位，且我國在許多環(huán)境復(fù)雜的公路路段也進(jìn)行了隧道的修建[1]。伴隨著隧道數(shù)量的增加，也對隧道檢測技術(shù)提出了更高層面的要求。三維激光掃描技術(shù)近些年被應(yīng)用的日益廣泛，并在隧道檢測過程中發(fā)揮著更為重要的作用。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可以對隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行清晰的認(rèn)知，有助于隧道工程的進(jìn)一步推進(jìn)。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

1.1 三維激光掃描技術(shù)概念

三維激光掃描系統(tǒng)主要是由電源、供應(yīng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、三維激光掃描儀、支架和系統(tǒng)配套的軟件所構(gòu)成的。三維激光掃描系統(tǒng)的一大重要組成部分就是三維激光掃描儀，掃描儀主要是由時(shí)間計(jì)數(shù)器、激光射器、微電腦以及軟件等所構(gòu)成的?，F(xiàn)階段在測繪領(lǐng)域三維激光掃描技術(shù)發(fā)揮著重要的作用，被認(rèn)為是繼GPS技術(shù)之后又一次偉大的技術(shù)革命[4]。三維激光掃描儀普遍具有專業(yè)性、高效性的特點(diǎn)，它能夠更加清晰地將圖像印射出來，在運(yùn)用它進(jìn)行拍照時(shí)，能夠?qū)⒓?xì)節(jié)更加清晰地呈現(xiàn)出來，同時(shí)也能夠展現(xiàn)出全景。三維激光掃描儀還能夠運(yùn)用自身的自動(dòng)化系統(tǒng)對所拍攝的圖片進(jìn)行處理、加工，避免了傳統(tǒng)攝像機(jī)的調(diào)整步驟，且三維激光掃描儀的應(yīng)用區(qū)域極為廣泛，它可以被應(yīng)用于隧道、滑坡、礦山等不同的區(qū)域。

1.2 技術(shù)原理

三維激光掃描儀、配件以及軟件操作設(shè)備共同組成了三維現(xiàn)階段的三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)被認(rèn)為是一種新型的信息獲取技術(shù)[5]。同時(shí)，三維激光掃描儀也可以被稱之為“激光測距儀”，其工作原理是信號(hào)反射的原理。三維激光掃描儀可以通過自身實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的發(fā)射，其發(fā)射出的信號(hào)源又會(huì)被轉(zhuǎn)化成為新的信號(hào)并反射回來，在這一過程中，平面與掃點(diǎn)形成的斜距和平面垂直坐標(biāo)就可以形成一個(gè)三維空間圖。

隨著三維激光掃描技術(shù)在公路隧道檢測中的應(yīng)用逐漸深入，該技術(shù)的特點(diǎn)也逐漸被認(rèn)知?，F(xiàn)將三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)為以下幾個(gè)方面。

1.2.1 掃描密度高

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，三維激光掃描技術(shù)可以對采樣點(diǎn)進(jìn)行自由設(shè)置，然后再對物體進(jìn)行掃描，最終就可以得到不同精度的數(shù)據(jù)。由此可見，該技術(shù)具有時(shí)間長且掃描間隔小的特點(diǎn)。

在公路隧道測檢測工作中條件普遍較為惡劣，有許多測量工作是通過人力無法完成的，而三維激光掃描技術(shù)卻可以輕松完成[6]。這就表明三維激光掃描技術(shù)能夠無接觸、快速的對隧道空間圖進(jìn)行還原。

1.2.2 獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)速度快

在隧道檢測工作過程中，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的收集，為了推進(jìn)公路隧道施工的進(jìn)程，收集數(shù)據(jù)需要高效、快速，三維激光掃描技術(shù)對隧道的檢測可以達(dá)到每秒千點(diǎn)甚至十萬點(diǎn)的數(shù)據(jù)。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用其中可以進(jìn)行大范圍的掃描，在幾秒之內(nèi)就可以得到隧道的全部信息，通過這樣的方式極大提高了隧道檢測工作的質(zhì)量以及效率。

2 隧道施工檢測要點(diǎn)

隧道施工一直具有施工時(shí)間長、難度大的特征，為了更好地將三維激光檢測技術(shù)應(yīng)用于公路隧道檢測過程中，就應(yīng)當(dāng)對隧道施工進(jìn)檢測進(jìn)行全面的研究。經(jīng)過不斷的實(shí)踐研究，現(xiàn)將隧道施工檢測要點(diǎn)總結(jié)如下。

2.1 隧道進(jìn)洞開挖

隧道施工的第一步就是隧道進(jìn)洞開挖，隧道工程的質(zhì)量與隧道進(jìn)洞開挖關(guān)系密切，且隧道進(jìn)洞開挖與后期許多工作都有著一定的關(guān)聯(lián)[7]。隧道從開挖到建成會(huì)牽扯到很多問題，若前期挖的過多，則后期就需要進(jìn)行回填，在回填的過程中也需要進(jìn)行回填的測量，如若回填量不夠，就有可能造成隧道的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定；如若挖的少，又會(huì)對隧道的內(nèi)部空間產(chǎn)生影響，無法保證隧道的穩(wěn)定性。挖掘隧道往往會(huì)涉及山體，山體中就會(huì)有一定的水滲透的情況，所以在隧道開挖的過程中，還應(yīng)當(dāng)做好內(nèi)部防水的工作。這種情況的出現(xiàn)就對隧道開挖的整齊性有一定的要求，所以隧道開挖是建設(shè)隧道一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，工作人員必須在開發(fā)前去實(shí)地進(jìn)行考察，并對各種情況進(jìn)行測算，進(jìn)而完成隧道開挖方案的制定。同時(shí)，在施工過程中也應(yīng)當(dāng)將制定的方案不斷完善和改進(jìn)。

2.2 選擇恰當(dāng)?shù)臄嗝骈_挖方式

隨著建筑技術(shù)的日益發(fā)展，斷面開挖的方式也逐漸豐富起來，每一種不同的斷面開挖方式都具有自身的優(yōu)點(diǎn)以及缺陷，這就需要在施工過程中根據(jù)隧道的實(shí)際情況進(jìn)行開挖方式的選擇。開挖方式選擇的目的主要是根據(jù)圍巖條件、施工方法和安全性以及經(jīng)濟(jì)性等因素，減少對圍巖的擾動(dòng)，使隧道的穩(wěn)定性增強(qiáng)，降低在施工過程中發(fā)生意外的概率。在隧道斷面開挖前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行地質(zhì)勘測，通過這樣的方式可以減少施工事故的發(fā)生率。只有隧道施工過程中的安全性得以保證，隧道施工技術(shù)才會(huì)逐漸走向成熟[8]。隧道開挖前的前期工作是隧道工程穩(wěn)步推進(jìn)的關(guān)鍵一步，只有選擇最為恰當(dāng)?shù)臄嗝骈_挖方法，才能夠保證施工過程的安全。

2.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)監(jiān)控

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)指的是運(yùn)用嚴(yán)密的科學(xué)計(jì)算對可能出現(xiàn)的地質(zhì)情況進(jìn)行推算并形成預(yù)報(bào)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)被認(rèn)為是隧道工程施工過程中的保護(hù)傘[9]。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以根據(jù)施工地的周圍環(huán)境，判斷出周圍以一定范圍內(nèi)的圍巖的地質(zhì)條件。在隧道施工過程中，切忌盲目施工，應(yīng)當(dāng)率先對地質(zhì)情況進(jìn)行清晰的了解，而后具體問題具體分析，根據(jù)施工地的實(shí)際情況制定可行性最大的方案，規(guī)避可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)[10]。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對施工人員技術(shù)提出了極高的要求，施工人員必須經(jīng)過嚴(yán)格勘察、精準(zhǔn)計(jì)算后才能進(jìn)行施工方案的制定。同時(shí)在突發(fā)情況發(fā)生時(shí)應(yīng)盡快作出反應(yīng)，并立即將問題解決。整體隧道檢測需要做到未雨籌謀，應(yīng)對即將對有可能出現(xiàn)的困難進(jìn)行推測，并提前預(yù)先做好防護(hù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在公路隧道檢測中的應(yīng)用

3.1 識(shí)別結(jié)構(gòu)面

在隧道巖體結(jié)構(gòu)的研究過程中，結(jié)構(gòu)面一直都是研究的重點(diǎn)對象，且結(jié)構(gòu)面具有一定的結(jié)構(gòu)特征，如在二維面上無限延伸性。結(jié)構(gòu)面的相關(guān)參數(shù)主要包含密度、面積、結(jié)構(gòu)等，所以在對隧道穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)或者是對其掌子面巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測的時(shí)候，率先應(yīng)當(dāng)對結(jié)構(gòu)面的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與檢測。檢查結(jié)構(gòu)面縫隙是隧道中最常的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，在這一過程中，經(jīng)常使用的工具有皮尺以及羅盤?，F(xiàn)階段三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)對羅盤實(shí)現(xiàn)了全面的替代。由于三維激光掃描技術(shù)檢測也具有一定的局限性，它只能夠檢測到高密度的巖體結(jié)構(gòu)面，且該結(jié)構(gòu)面需露出地表，而后三維激光檢測技術(shù)才能夠通過露出部分的三維點(diǎn)得到所需要的巖體監(jiān)測數(shù)據(jù)。故而在公路隧道檢測過程中，應(yīng)當(dāng)秉持因地制宜的原則，充分利用三維激光掃描技術(shù)獲得較為準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用到公路隧道實(shí)際施工過程當(dāng)中。以湖北項(xiàng)目隧道為例，運(yùn)用萊卡Cyclone軟件和其在CAD中的插件繪制斷面圖，并將點(diǎn)云導(dǎo)入到軟件中。為了在能夠進(jìn)行斷面點(diǎn)云的截取，應(yīng)當(dāng)建立一個(gè)坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的三軸應(yīng)當(dāng)以隧道前進(jìn)正方向?yàn)閄軸的正方向，Y軸是水平向右，Z軸則指向天空。而后設(shè)置縱斷面與YOZ平面，對投影到斷面的點(diǎn)云厚度進(jìn)行調(diào)整，對斷面點(diǎn)云進(jìn)行截取。完成點(diǎn)云截取后，應(yīng)當(dāng)將Cyclone所得到的視圖導(dǎo)入至CAD中進(jìn)行斷面圖的繪制。再通過對斷面圖進(jìn)行繪制過程中，也可以對隧道結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行詳細(xì)的了解。

3.2 測量和獲取產(chǎn)狀

公路隧道在施工中會(huì)極大受到地質(zhì)條件的影響，所以在地質(zhì)勘探時(shí)，巖石信息的獲取難度較大。但三維激光掃描技術(shù)卻可以完成這一項(xiàng)工作，它能夠非常輕松地越過這些難題，并發(fā)揮自身的優(yōu)勢，獲取到巖石體的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，而后能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)程序當(dāng)中，并進(jìn)行計(jì)算和編譯。最終在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中將工作完成，還能夠保證隧道施工的正常進(jìn)行，也能夠保證施工的安全性。

3.3 測量結(jié)構(gòu)面間距和跡長

間距通常情況下指的是隧道結(jié)構(gòu)面中節(jié)理的建造情況。跡長指的是巖石結(jié)構(gòu)和跡線相交時(shí)所余出的那一部分的長度。運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)面間距和跡長的測量，三維激光掃描技術(shù)主要是通過對結(jié)構(gòu)面的端點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，而后實(shí)現(xiàn)對間距的計(jì)算和測量。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用其中可以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，推進(jìn)隧道施工的正常進(jìn)行，進(jìn)而提高施工效率。

3.4 統(tǒng)計(jì)和分析節(jié)理

節(jié)理是指巖石的表面特征，所有具有一定年代的巖石都存在節(jié)理。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在隧道中的節(jié)理需要對其密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，密度通常情況下會(huì)分為三種，第一種是線的密度，也就是間距，它能夠?qū)Y(jié)構(gòu)面的數(shù)量進(jìn)行反映；第二種就是面的密度，它是指在一定的范圍內(nèi)節(jié)理的數(shù)量；第三種就是體密度，體密度指的是一定體積內(nèi)的節(jié)理數(shù)量。在隧道地質(zhì)勘查中，極為重要的指標(biāo)就是線密度。因?yàn)樗淼赖慕Y(jié)構(gòu)面對于維護(hù)隧道的穩(wěn)定性至關(guān)重要，如若未觀察仔細(xì)就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)面互相交叉的情況。所以在進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查時(shí)，一定要將線密度作為充分考量的因素。現(xiàn)階段關(guān)于線密度測量方法有很多種，三維激光掃描技術(shù)就是其中一種，該技術(shù)可以以最快的速度將間距測量出來，同時(shí)也能夠用運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將爆破以后的隧道場景呈現(xiàn)出來，完成對節(jié)理數(shù)的測算。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在節(jié)理的分析與統(tǒng)計(jì)過程中，可以實(shí)現(xiàn)對節(jié)理數(shù)據(jù)更加清晰地呈現(xiàn)，為隧道工程的順利推進(jìn)提供數(shù)據(jù)上的支持，保障公路隧道工程可以在客觀科學(xué)數(shù)據(jù)指導(dǎo)下進(jìn)行建設(shè)，還能夠?qū)こ藤|(zhì)量進(jìn)行最大程度上的保障。

4 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)是近些年較為新興的技術(shù)，該技術(shù)是一種自動(dòng)化技術(shù)，且具有精度高、立體掃描的特點(diǎn)。通過三維激光掃描技術(shù)可以在極短的時(shí)間內(nèi)將三維空間圖像呈現(xiàn)出來?，F(xiàn)階段三維激光掃描技術(shù)被應(yīng)用的領(lǐng)域愈發(fā)廣泛，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到公路隧道檢測過程中彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測的弊端，豐富了檢測方式，提高了檢測質(zhì)量。我國三維激光掃描技術(shù)具有起步較晚的特征，所以在日后的工作過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對三維激光掃描技術(shù)的完善。同時(shí)也應(yīng)當(dāng)在公路隧道檢測過程中更多的使用三維激光掃描技術(shù)，促進(jìn)公路隧道檢測進(jìn)一步向前發(fā)展。