三维激光扫描中隧道变形监测方法分析

摘要：传统隧道变形监测多采用全站仪进行，测量工作量较大。三维激光扫描系统可提供场内、有效测程的一定采样密度的点云数据，测量精度加高，数据采集进度快。文章首先对三维激光扫描数据处理系统的构成和工作流程进行分析，然后对三维激光扫描变形监测中的数据采集与分析进行了阐述，最后结合实例对隧道变形进行了分析。

关键词：三维激光扫描；隧道变形监测方法；全站仪；采样密度；测量精度；数据采集 文献标识码：A

中图分类号：U456 文章编号：1009-2374（2017）10-0218-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.110

1 概述

三维激光扫描技术为非接触式主动测量技术，与传统的单点测量有很大差异。该技术通过扫描便可快速获得高密度、高精度、大面积的海量点云数据，得到目标表面的三维坐标，扫描速度快，可达万点每秒。同时，三维激光扫描技术对于施工现场的光线条件没有明确要求，即使在黑暗环境下也可进行测量，一次测量便可获得隧道内部的全面数据，再根据测量要求和目的对数据进行处理便可获得隧道任一断面的变形数据，了解隧道当前的运行状况。由此可见，将三维激光扫描技术应用于隧道变形监测具有技术优势，便于操作和数据

处理。

2 三维激光扫描系统构成和工作流程

三维扫描技术又名实景复制技术，该技术是在激光测距技术的基础上发展而来，可以获得隧道内部实体的点云数据，通过对大量数据的处理分析可以建立相应的三维实体模型，其精确度较高。然后结合坐标控制对数据进行差异化分析与比较即可获得实体变形特征数据。

为了便于点云数据配准、断面提取、断面对比分析和断面收敛变形分析等诸多功能，需要建立完善的三维激光扫描数据处理系统，如图1。该系统联合了Matlab数据平台，根据三维激扫描系统的工作原理采集隧道变形数据，该系統的具体优势主要表现在以下五个方面：第一，点云数据预处理，该系统可直接对隧道测量数据进行预处理，并在处理过程中剔除无效信息，如激光反射光束、隧道管线、现场人员的噪声点等；第二，点云数据配准，在各站数据转化工作结束后，其坐标系统一，便于后期数据的再处理；第三，断面处理，对于已经设定的间隔提取断面点云，需对隧道中心轴线进行最小二乘拟合；第四，对隧道的变形量进行计算与分析，依据每个断面的测量点云数据进行断面拟和，并将其与设计图纸和以往工程资料进行比对了解隧道收敛变形情况；第五，数据输出，可以通过文本或图形显示数据处理与监测结果。作业流程如图2所示。

3 数据获取与处理

3.1 布设控制点和监测点

本文研究采用的徕卡三维激光扫描仪，其为高速度和高精度的激光扫描仪，集合了多种技术优势，适用于各类工程测量项目。单点测量精度高达6mm。测距范围为300m，模型表面精度为±2mm。采用三维扫描仪可以快速获得密集目标物体表面的三维坐标、反射率和纹理信息，但是在使用三维扫描仪进行测设之前需要做好准备工作，合理布设控制点与监测点。因为三维扫描技术特征以及获取数据的后期处理要求有所差异，控制点的布设方案也就有所不同。依据不同扫描仪的有效测距范围和多站数据配准等相关要求进行控制点与监测点的布设工作。为了保证扫描数据的坐标统一，便于后期数据处理，且可进行多站数据配准，尽量不将控制点和监测点布设在不同的直线与平面上。

这里对隧道扫描点云配准进行详细分析。所谓点云数据配准就是指使两幅点运输局同名点的点对（）满足相同变换矩阵T，需满足如下方程：

式中：P、Q分别为两次扫描的点集；pi、qi分别为点集P以及Q中的某点。

在应用上述公式解决实际问题时，会遇到查找点对以及求解矩阵T的问题，为此可以用所有同名点匹配误差大小对配准进行判断，如下：

式中：E为配准误差；Np为点对数量；D为两个相似点的最近距离。

三维激光扫描数据处理软件的配准模块中一般支持两种配准方式，即点云配准和基于目标的配准。部分软件可以用于大地控制点的配准。

第一，基于点云的配准。基于点云的配准就是在两副点云数据中找出不在统一直线上的三个同名点进行电源匹配。软件中基于电源的配准方法是先选择3个同名的点进行初步配准，然后按照式（1）进行优化，保证配准精确，最高精度可达3mm；第二，基于目标的配准。三维激光扫描系统中有专用的平面标靶，在每站测量工作中可将其作为标志点，架设在变形监测点上用作变形点的分析工作，也可以随意架设作为配准目标；第三，基于大地控制点的配准。实地测量过程中会受到多种因素的影响，如仪器电源使用时间等，为了缩短测量工作时长，需在不影响测量数据准确度的情况下制定最佳的测量方案。基于大地控制点的配准方法综合三维激光扫描仪测量工作的性质以及现场控制网的布设要求，任意架设扫描仪，将标靶在控制点上作为特征点便可快速获得隧道的相关数据。在数据处理过程中需将测量得到的标靶架设高度输入至大地坐标软件中，输入之后再进行点云配准便可。

3.2 数据采集

布设控制点与监测点后则可以定期对被测物体进行扫描。需要注意的是，在获取数据过程中，需将扫描仪安装在测站上，并调整好仪器的角度等，将其与计算机相连接，设置好功能参数，再启动扫描仪，需保证单独测站之间有部分点云重合。

3.3 数据处理

在扫描时，因为使用的测量设备、测量工作环境和被测物体表面光滑整洁度有所不同，获得的数据中就会存在不合理的测量数据，主要为噪声。但是这时噪声数据的存在会对点云数据的最终处理结果造成影响，为了保证数据处理结果精确，需要对原始数据进行噪声滤波处理。与此同时，地面三维激光扫描仪获得的点云数据是将测站作为中心的局部坐标体系下，不同测振测得的点云数据其采用的坐标体系有所不同。若在扫描中设置了多个测站，则需要对多站扫描数据进行整合，使其坐标系统一，为此需进行数据拼接。

4 隧道变形分析

某隧道处于高山峡谷地带，因为早期的河谷下切速度较慢，后期的下切速率提高，所以整体地形上方较为陡峭，下方趋于平缓，为典型的V型谷。该隧道周边公路和隧道开挖施工反复进行，对原始山体造成了扰动，并且在长期降雨和积水的影响下，斜坡变形速率加快。为此需加强隧道的变形监测，为后期加固维护提供依据。采用三维激光扫描系统对该系统的变形进行跟踪监测。该隧道工程采用瑞士徕卡公司ScanStation2三维激光扫描仪进行监测，扫描速率为50000点/s，点位精度在6mm内。该扫描仪扫描视角为360°×270°，可获得全断面的点云数据。该工程采样点之间的间隔距离设置为2mm。

4.1 变形特征

该隧道受到上部坡体下滑推力的影响，造成隧道全段均出现了不同程度的变形或者是损坏，洞形已严重挤歪变形。采用徕卡三维激光扫描仪进行扫描获得隧道点云影响特征或获得30355477个点云数据。通过点云数据的分析，与原有隧道数据进行比较得出隧道挤压偏移量，如图3所示，然后选取典型单面进行隧道变形量值的分析。经过测量和数据对比分析发现，该隧道最大的偏移量为1.08m。通过图3可知，该隧道发生变形的主要原因是长期受到靠山侧坡体蠕滑挤压作用，且多集中于拱体的上部。拱腿位置由于挤压和反翘，在距离洞口30～225m位置出现了严重的隆起破坏，其中50～180m路段最为严重。

4.2 数据对比分析

在2015年3月对该隧道进行二次扫描，获得点云数据共28357614个，将本次获得的数据与初次监测数据进行叠加分析得知这一时间段内隧道变形量值为0.012～0.037m。总体的变形量较小，和坡表观测点的变形情况相似。由于该隧道的埋深较大，高达50m，因此采用三维激光扫描系统可以对该隧道全长进行全面检测，并及时掌握隧道各个区段和坡体内部的变形情况。

4.3 变形机制

第一，内因。研究区域坡体原岩成分主要为千枚状板岩和变质砂岩等，层面产状：N35°W/NE75°～85°，较为陡峭的坡体存在倾倒变形的可能性。河流快速下切，岩体经过卸荷回弹→板梁弯曲→弯折破碎→重力溃状等发展过程，引发岩体碎裂且碎裂严重；第二，外因。公路隧道工程建设过程中需要开挖大量土方，其施工作业也会对周边土体结构造成影响，破坏了土体结构的平衡，累积性变形速率也会不断加快。与此同时，在地震的作用下，若山体高速较高且较为陡峭，则高程放大的作用效应会表现得更加明显，地震动效应的影响也会十分突出。最终造成一定面积内坡体的破坏严重，土壤颗粒在地震作用下重组，在自然天气的影响下如持续降水和地表径流，土壤应力关系发生改变，蠕变速率加快，最终造成破碎岩体对隧道产生了较大的挤压效应，隧道最终呈现出挤扁、路面隆起破坏。

5 结语

综上所述，由于隧道结构较为复杂，长期运行过程中会受到多种因素影响发生变形和破壞，对隧道结构整体的安全性和稳定性造成严重影响。为此需要加强变形监测，准确、客观评估变形破坏程度，为后期的整修加固提供参考依据，编制具有针对性的施工方案。传统检测模式工作周期较长，且监测数据不全面，为此采用三维激光扫描系统进行监测，并对数据进行处理，进行隧道变形分析，便于结隧道变形量值和变形特征，分析变形原因。由此可见，在隧道变形监测中采用三维激光扫描系统具有重要意义。

参考文献

[1] 谢雄耀，卢晓智，田海洋，等.基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J].岩石力学与工程学报，2013，32（11）.

[2] 沙从术，潘洁晨.基于三维激光扫描技术的隧道收敛变形整体监测方法[J].城市轨道交通研究，2014，17（10）.

[3] 李珵，卢小平，朱宁宁，等.基于激光点云的隧道断面连续提取与形变分析方法[J].测绘学报，2015，44（9）.

[4] 陈金磊，康志忠.高分辨率三维激光扫描数据的微小变形统计分析[J].武汉大学学报（信息科学版），2015，40（6）.

作者简介：唐奇军（1981-），男，湖南长沙人，湖南大地岩土工程勘察设计有限公司工程师，研究方向：勘测设计。

（责任编辑：秦逊玉）