三維激光掃描技術(shù)在隧道超欠挖測量中的應(yīng)用

摘 要：隧道超欠挖監(jiān)測是一項既重要又關(guān)乎安全的工作，高精度的隧道超欠挖監(jiān)測手段至關(guān)重要。將三維激光掃描技術(shù)引入到隧道超欠挖監(jiān)測工作中，利用德國Z+FIMAGER5010型三維激光掃描儀獲取隧道內(nèi)表面輪廓的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及信息，分別采用Amberg、天佑智隧軟件進行數(shù)據(jù)處理。結(jié)果表明三維激光掃描能高精度、高效率、全面地獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)成果能很好反映隧道的超欠挖情況，滿足隧道超欠挖監(jiān)測的測量要求。三維激光掃描技術(shù)在隧道超欠挖測量中的應(yīng)用能有效提高了隧道監(jiān)測作業(yè)的效率及精度，可以廣泛應(yīng)用到隧道的超欠挖監(jiān)測中。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；點云數(shù)據(jù)；隧道；超欠挖監(jiān)測

Application of 3D Laser Scanning Technology in Tunnel Overexcavationand Underexcavation Measurement

Mu Baosheng1 Zhu Chenbo1 Du Yanxin2

（1.Department of Land Information and Management，Henan Surveying and Mapping Vocational College，Zhengzhou 451464;

2.Shanghai Huace Navigation Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201700）

Abstract：Tunnel overexcavation and underexcavation monitoring is an important and safety related task，and high-precision advanced tunnel excavation monitoring methods are crucial.In this study，3D laser scanning technology into tunnel overexcavation and underexcavation monitoring work is introduced，the German Z+FIMAGER5010 3D laser scanner is used to obtain 3D coordinate data and information of the inner surface contour of the tunnel，and Amberg and Tianyou Intelligent Tunnel software are used for data processing.The results show that 3D laser scanning can obtain data accurately，efficiently，and comprehensively，and the data results can well reflect the situation of tunnel over and under excavation，which meets the measurement requirements of tunnel over and under excavation monitoring.The application of 3D laser scanning technology in tunnel over and under excavation measurement can effectively improve the efficiency and accuracy of tunnel monitoring operations，and can be widely applied in tunnel over and under excavation monitoring.

Key words：3D laser scanning;point cloud data;tunnels;monitoring of over and under excavation

《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》明確了中國鐵路2035年及2050年的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)，描繪了新時代中國鐵路發(fā)展美好藍圖。［1］高鐵的建設(shè)發(fā)展如此迅速，也為建設(shè)施工行業(yè)帶來了極大的考驗。高速鐵路的安全性要求極高，隧道的支護結(jié)構(gòu)必須滿足安全可靠和耐久性要求，高速鐵路隧道的斷面特點主要體現(xiàn)在其凈空有效面積上，斷面大小與相應(yīng)的移動設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、乘車舒適度標(biāo)準(zhǔn)、防災(zāi)救援以及經(jīng)濟性有關(guān)。［2］那么如何有效精準(zhǔn)地保證隧道在施工期間沒有侵限，沒有超挖欠挖等現(xiàn)象，高精度測量是其中的一個關(guān)鍵。

1 需求分析

隧道超欠挖，就是在隧道施工過程中，以隧道設(shè)計開挖輪廓線為基準(zhǔn)，實際開挖的斷面在基準(zhǔn)線以外的部分稱為超挖，即為隧道開挖輪廓線大于隧道設(shè)計輪廓線，在基準(zhǔn)線以內(nèi)的部分稱為欠挖，即隧道開挖輪廓線小于隧道設(shè)計輪廓線。隧道開挖非常嚴(yán)格，它的質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)是開挖斷面尺寸符合設(shè)計要求，嚴(yán)格控制欠挖，盡量減小超欠挖，如果隧道欠挖，勢必會影響二襯的厚度，造成極大的工程隱患。如果超挖，就會影響隧道圍巖的穩(wěn)定。所以，在隧道施工過程中要實時監(jiān)測隧道的超欠挖情況，為施工安全提供保障。

2 全站儀在隧道監(jiān)測中存在的問題

隧道監(jiān)測可借助很多先進設(shè)備，收斂計、全站儀、水準(zhǔn)儀等，而目前免棱鏡高精度全站儀在隧道監(jiān)測的應(yīng)用比較廣泛。

傳統(tǒng)的全站儀測量監(jiān)測超欠挖的方式是以抽檢式的斷面測量，全站儀的單點精度確實能夠滿足施工測量的要求，但由于全站儀是單點的測量方式獲取數(shù)據(jù)量少從而無法全面的監(jiān)測超欠挖。全站儀進行監(jiān)測的工作方法一般需要布點、測量、數(shù)據(jù)對比、圖表分析等幾個步驟。其誤差與設(shè)備產(chǎn)品本身、控制點、測回、測程等都有很大關(guān)系，精度也從1mm至10mm不等。由于全站儀采用點式方式進行測量，需要測量大量的數(shù)據(jù)點，而數(shù)據(jù)對比也會抽樣進行對比，所以會對某些地方的變化量不能直觀反映出來，這樣會導(dǎo)致有些超欠挖無法監(jiān)測出來，留下工程隱患。全站儀進行隧道監(jiān)測存在的缺陷如下：只能單點測量，需要采集大量數(shù)據(jù)；需要嚴(yán)格對中整平，誤差風(fēng)險增大；需要多測回才能提高精度，效率不高；免棱鏡測量精度較低。

3 三維激光掃描技術(shù)

3.1 三維激光掃描技術(shù)定義

三維激光掃描技術(shù)是繼GNSS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)新突破。三維激光掃描技術(shù)通過高速激光掃描測量的方法，快速獲取被測物體表面各點的三維坐標(biāo)信息，得到一個用于表示實體的點集，該點集被稱為點云。點云是以離散、不規(guī)則的方式分布在三維空間中的點的集合三維激光掃描技術(shù)通過獲取物體的連續(xù)高密度點云，可以快速直接構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型，為快速建立物體的三維實景模型提供了一種全新的技術(shù)手段數(shù)據(jù)采樣率高。能夠快速采集大面積物體的空間三維信息，點云數(shù)據(jù)量大，每秒鐘掃描儀掃描速率能達到幾萬個點，這為構(gòu)建物體精確的三維模型提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 三維激光掃描技術(shù)的特點

三維激光掃描技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，在其應(yīng)用領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)具有以下特點：

3.2.1 具有精度高、密度大的特點

通過三維激光掃描儀可以直接獲取地物的高精度高密度三維點云信息，精度可以達到cm級，每m2可以獲取幾十個點甚至上千個點。

3.2.2 具有動態(tài)性、實時性、主動性

根據(jù)掃描方式不同，三維激光掃描系統(tǒng)是一種主動式測量系統(tǒng)，通過主動反射激光信號，經(jīng)反射棱鏡發(fā)射和接收反射回來的激光信號來獲得目標(biāo)信息，能夠完整地獲取物體信息，不受天氣、云霧的影響，能夠全天進行實時觀測。 ［3］

3.2.3 非接觸性

采用非接觸目標(biāo)的方法，人員無需接觸被測物體，即可直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)。同時，通過CCD相機獲取目標(biāo)物體表面的RG、B信息和物體表面的反射特性。掃描過程中不用人為地接觸到被測物體表面，能在危險地區(qū)（如煤礦、沼澤地帶、大型垃圾場）和無法布設(shè)控制點的地區(qū)進行測圖工作。

3.2.4 穿透性

激光的穿透性、穿透力跟光的波長等有直接關(guān)系，改變激光的波長可以穿透某些特殊的介質(zhì)，比如玻璃、水面和稀疏的植被等。［4］激光脈沖信號能部分穿透植被到達地面形成多次回波信息，因此能快速繪制林區(qū)或山區(qū)的高精度真實地形圖，而且可以對植被生長走勢進行評估。

3.2.5 具有三維測量的特點

由于三維激光掃描儀可以直接獲取物體表面點的三維坐標(biāo)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理生成數(shù)字表面模型（DSM），可以在DSM上直接進行量測，或通過點云信息直接獲取物體高度。

4 三維激光掃描技術(shù)在高鐵隧道超欠挖測量中的應(yīng)用

Z+F三維激光掃描儀搭配隧道測量專用軟件形成以下的工作流程，整個過程僅需要幾步，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程趨向于自動化，減少人工干預(yù)，整個全流程僅15min，測量距離40～60m，并且超欠挖數(shù)據(jù)可以全站儀互聯(lián)，施工現(xiàn)場指導(dǎo)超欠挖。工程整體工作流程如圖1所示。

4.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

4.1.1 設(shè)備配置

三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集需要配套相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備，設(shè)備配置如表1所示。

4.1.2 儀器架設(shè)

掃描儀隧道作業(yè)最少配備兩人，一般為3人。一名掃描儀操作員，一名全站儀操作員，一名棱鏡操作員。掃描儀可以任意架站，盡量靠近隧道中線，由于單站掃描有效數(shù)據(jù)為前后30m左右，所以搬站距離不超過60m，保證兩站之間有重疊，防止漏測。球棱鏡架設(shè)在兩個設(shè)備之間，距離掃描儀最佳距離為7～10m，球面朝向掃描儀。在掃描儀操作員架設(shè)掃描儀的同時，全站儀上的操作員應(yīng)該完成全站儀在隧道控制坐標(biāo)系中的設(shè)站和定向，并把全站儀瞄準(zhǔn)掃描儀待命。

4.1.3 數(shù)據(jù)采集

Z+FIMAGER5010系列三維激光掃描儀具有多個分辨率和質(zhì)量檔位，可根據(jù)不同的掃描要求進行設(shè)置。一般在使用三維激光掃描儀進行隧道測量中選取high+nomal（高分辨率+普通質(zhì)量）的模式，每站測量時間約3min20s，單站數(shù)據(jù)10m處點密度為6mm，兼顧了掃描精度和工作效率。

掃描儀和球棱鏡架設(shè)完畢后，全站儀操作員在掃描作業(yè)之前或之后快速測量隧道控制坐標(biāo)系下掃描儀頂部兩個棱鏡和定向球棱鏡的三維坐標(biāo)并以特定點名存儲。掃描結(jié)束時，在設(shè)備上的預(yù)覽圖中查看點云，檢查標(biāo)靶球是否掃描完整。如果可以清晰看到標(biāo)靶位置，可以將掃描儀搬至下一站，否則重新進行掃描。

4.2 掃描儀—內(nèi)業(yè)處理-設(shè)計數(shù)據(jù)輸入

進行數(shù)據(jù)分析之前需要在軟件中錄入設(shè)計數(shù)據(jù)。新建一個項目，在所創(chuàng)項目中分別添加設(shè)計中線和設(shè)計斷面數(shù)據(jù)，并將不同理論斷面和對應(yīng)里程匹配到儀器。

4.2.1 設(shè)計中軸線輸入

設(shè)計中軸線是我們通過道路設(shè)計要素（道路設(shè)計要素一般都是由設(shè)計院給出的，包括平曲線要素表、豎曲線要素表、斷鏈表組成）直接在軟件中生成，如圖2所示。目前輸入設(shè)計中線僅支持元素法。同時要注意斷鏈數(shù)據(jù)無法直接處理，需要分段輸入。

4.2.2 輸入設(shè)計斷面

隧道施工分開挖、初支、二襯三個施工階段，以初支階段為例，由于圍巖等級不同，不同里程的初支設(shè)計斷面半徑也不同。首先添加一個理論初支斷面，可以通過輸入設(shè)計參數(shù)畫出理論斷面，也可以直接導(dǎo)入CAD格式的設(shè)計斷面數(shù)據(jù)。輸入完成進行保存。

4.3 掃描儀—內(nèi)業(yè)處理點—云導(dǎo)入和定位

支持Z+F原始數(shù)據(jù)，不需要隨機軟件進行預(yù)處理和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。從全站儀中導(dǎo)入坐標(biāo)數(shù)據(jù)，點名按照X1、X2、X3來排序（X為站點名稱，1、2為掃描儀上棱鏡坐標(biāo)，3為球棱鏡坐標(biāo)）。一次可以導(dǎo)入多站數(shù)據(jù)，軟件自動搜尋棱鏡球位置，檢查無誤點擊ok完成掃描點云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

4.4 數(shù)據(jù)檢查復(fù)查―點云2D和3D分析

點云導(dǎo)入成功后下一步進行點云的分析處理，先做點云的投影分析（2D分析），原始數(shù)據(jù)點云密度過大，有很多冗余數(shù)據(jù)，可以通過等距采樣對點云進行抽稀，一般定義點間距為2cm。下面還有一個距離過濾器，距離理論斷面距離超過一定閾值的錯誤數(shù)據(jù)可以自動過濾掉，比如可以過濾掉隧道內(nèi)側(cè)的通風(fēng)管等設(shè)施，以及外側(cè)的數(shù)據(jù)，比如聯(lián)絡(luò)通道可以過濾掉，還有激光打到水面或者照明燈上產(chǎn)生的噪點，如圖4所示。

完成點云分析設(shè)置，可以選擇需要處理的里程段進行分析。綠色小方框表示投影處理完成的里程，

右側(cè)是理論斷面和實測斷面對比分析結(jié)果。2D分析結(jié)果通過色譜圖的形式反應(yīng)該段里程上隧道的超欠挖情況，色譜的顏色可以自行設(shè)置。中間紅色光標(biāo)表示鼠標(biāo)當(dāng)前放的里程位置，右側(cè)實時顯示當(dāng)前里程的超欠挖的里程分析，如圖5所示。

點云的投影分析可以以平面展開圖的形式導(dǎo)出，設(shè)置導(dǎo)出的里程范圍，以及隧道周長的過濾范圍（過濾掉地面我們不需要的數(shù)據(jù)，圖像大小顯示比例），可以保存為PDF的格式。

點擊圖片上的3D，旋轉(zhuǎn)放大，可以看到我們掃描這一段隧道的3D效果，用紅色表示欠挖，綠色表示超挖，超欠挖一眼就可以看出，用截圖軟件直接截取3D影像圖，如圖6所示。

4.5 斷面及超欠挖方量報告導(dǎo)出

4.5.1 里程設(shè)置

軟件中可以提取任意里程的單個斷面，選擇要導(dǎo)出的里程范圍，設(shè)置任意間距，一次性導(dǎo)出所有斷面。里程間隔最小1cm，間隔設(shè)置越小處理時間越長。

4.5.2 按固定間距創(chuàng)建斷面

掃描儀的點云都呈發(fā)散狀，距離設(shè)備近的地方一個斷面可能有幾千個點，按需要可以過濾點只選擇其中的500個，按5CM采樣取一個點，減少冗余數(shù)據(jù)。被風(fēng)管擋住的位置實測斷面會斷開，軟件具有內(nèi)插功能，自動補充空洞數(shù)據(jù)，保證實測斷面的完整性。

斷面報告中包括斷面里程，實測和參考斷面面積，超欠挖面積，實測斷面周長，斷面平均偏差值等信息。并可根據(jù)需求更改項目名稱，標(biāo)段名稱等，也可添加公司Logo，如圖7所示。

4.5.3 超欠挖土方量報告

選擇斷面→右鍵→文本報告→保存（EXCEL或者PDF格式），輸出格式可以自定義選擇，本次選擇PDF，如圖所示，保存即可。

4.6 智能超欠挖放樣

配合馬達全站儀，可以實現(xiàn)隧道超欠挖位置的實時放樣，在2D展開圖或3D視圖中，點選超欠區(qū)域（根據(jù)色譜差別），全站儀可以自動指向到所點位置，并顯示該點位超欠數(shù)值。

5 三維激光掃描隧道超欠挖優(yōu)勢

5.1 快速定位

快速自動進行掃描儀測站數(shù)據(jù)的獲取、自動拼接以及計算所有點云數(shù)據(jù)的地面控制坐標(biāo)系與斷面坐標(biāo)系坐標(biāo)（點云數(shù)據(jù)絕對定位）；每站掃描數(shù)據(jù)自動通過APM法模塊將所有點云數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的全站儀測量坐標(biāo)系。避免掃描測站拼接所帶來的工作量和對電腦系統(tǒng)性能的高配置要求。

5010系列棱鏡套件是Z+F廠家為該款設(shè)備量身定做的掃描儀定位套件，適用于Z+F5010/5010C/5010X三款設(shè)備。安裝方便，不必每次進行拆裝，測量過程中直接將棱鏡卡扣到連接桿上就可以進行測量。軟件中內(nèi)置定標(biāo)參數(shù)，可以直接導(dǎo)入Z+F的原始數(shù)據(jù)，通過APM定位方式進行掃描數(shù)據(jù)的快速定向定位。

5.2 智能實時指導(dǎo)放樣超欠挖

對于開挖面，測量需要快速準(zhǔn)確，配合馬達全站儀，可以在15min內(nèi)完成掃描、分析、指向工作，不會影響到掌子面的施工。

5.3 全站儀超欠挖精度對比

掃描數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)對比，Z+F高精度三維激光掃描儀與LEICA全站儀的超欠挖精度對比，最大偏差4mm，精度完成滿足精度要求，如表2所示。

5.4 高效率高精度

三維激光掃描儀與傳統(tǒng)儀器對比有很大的優(yōu)勢，如表3所示。

6 結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)無需接觸目標(biāo)，能以高精度、高效率、全面的方式快速獲取隧道內(nèi)表面輪廓的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，操作簡便且效率高。數(shù)據(jù)通過軟件處理能夠獲取任意間隔斷面圖、超欠挖方量統(tǒng)計、超欠挖2D投影圖等成果資料，更接近真實情況，從而進行全面超欠挖分析、現(xiàn)場指導(dǎo)超欠位置放樣、中心軸線偏差、線路侵界、隧道滲水等多種異狀分析等，可廣泛應(yīng)用于隧道超欠挖監(jiān)測。運用到隧道斷面的超欠挖監(jiān)測中，能夠有效地克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法中數(shù)據(jù)少、精度低、效率低下等缺點，很大程度提高了隧道施工質(zhì)量監(jiān)測的精度、自動化水平和施工效率，保障了施工進度。

參考文獻：

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（責(zé)任編輯 郭曉勇）