三维激光扫描技术在隧道监控量测中的应用

段 磊，罗晓丰，彭学军，廖根根，凌 涛，陈 鹏

（1.中铁五局集团有限公司，贵州 贵阳 550003；2.中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117）

常规的隧道监控量测方法需要在围岩上按照一定的间距埋设测点，采用全站仪、水准仪、收敛仪等传统测量仪器进行观测。该方法受施工影响较大、点位容易被破坏、数据采用手工记录不便长期保存，应用于工程会带来诸多不便，因此需要有新的方法和技术以弥补常规监控量测方法的不足。

三维激光扫描技术与常规方法相比具有非接触式测量、可高密度采集空间三维点云数据等特点，能利用其三维立体全面扫描的优势，结合云数据实现对检测工程内全方位数据的采集和形态的监测。将三维激光扫描应用到隧道监控量测中，测量速度快、无死角，有效弥补了传统监测技术的不足[1-4]。

1 三维激光扫描技术

1.1 技术概述

三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，能够大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点的（x,y,z）坐标、反射率以及（R,G,B）颜色等信息，这些信息可快速生成1∶1的真彩色三维点云模型，为后续的内业处理、数据分析等工作提供依据。该技术具有快速、效益高、不接触、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化、实时性强等特点，很好地解决了目前空间信息技术的应用瓶颈[5-8]。

隧道工程本身存在距离长、面积广的特点，采用三维激光扫描技术能够实现对隧道的全方位、无死角扫描，并根据不同时间段采集的数据及时掌握隧道围岩变形情况，以采取有效的施工措施，提升隧道工程质量，保证隧道施工安全，因此该方法在隧道监控量测中极为适用[9]。

1.2 技术特点

（1）非接触式。三维激光扫描技术采用的是非接触式高速激光测量方式，与传统方法相比不需要埋设测量点，可直接对目标体进行扫描，采集目标体表面点的三维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下，一般传统测量技术无法完成指定的测量工作，此时三维激光扫描技术优势明显。

（2）方便、快捷。三维激光扫描仪具有测量时间快、外业操作简单的特性，单站测量时间少于3min，在隧道多工序作业的环境条件下，可快速地采集外业数据，不影响正常施工工序。

（3）数字化程度高、扩展性强。三维激光扫描系统采集的数据为数字信号，具有全数字的特征，容易处理、分析、输出、显示，而且配套的后处理软件用户界面友好，能够与其他常用软件进行数据交换及共享，可与外接全站仪、GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好的扩展性。

（4）覆盖面广。三维激光扫描仪具有覆盖面广的特点，在没有障碍物遮挡的条件下，可做到无死角扫描测量，并通过3D可视化效果图和2D断面图，对隧道围岩的变形分析、超欠挖分析、衬砌厚度等提供准确的依据。

2 工程应用实践

郑万铁路巴东隧道全长13553m，是郑万铁路重难点工程，设3座平导和2座横洞。其中，出口三号平导位于线路左侧，长度为2044m，受地质条件影响较大。该地地质构造发育，以Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩居多，围岩变形较大，且处于强富水区，地下水有腐蚀性，易发生突水突泥现象。巴东隧道出口三号平导监控量测采用三维激光扫描监测技术对隧道围岩的稳定性进行监测。

2.1 系统组成

三维激光扫描监测系统包括三维激光扫描仪、后处理软件、电脑及附属设备。

（1）三维激光扫描仪。根据隧道工程的特点，隧道为一狭长结构，施工安全步距一般为几米至几十米，三维激光扫描仪的扫描精度和密度会随着扫描距离的增加而下降，隧道内选用扫描距离短的三维激光扫描仪即可。该工程三维激光扫描仪选用的是适用于短距离扫描的FARO Focus M70，扫描距离最远为70m，实际有效距离约50m。对该隧道工程而言，扫描距离完全适用；且FARO Focus M70价格适中，市场口碑较好，具有较高的性价比。

（2）后处理软件。该系统后处理软装选用的是由南方测绘开发的PPVision UC，该软件是隧道测量专业软件，功能强大，操作界面友好，更新周期较快，可根据用户的需求进行修改和定制，能够实现三维立体重现、现场施工定位测量、断面分析、超欠挖计算与分析、围岩变形分析、混凝土厚度记录等功能。

2.2 操作流程

三维激光扫描系统操作流程图如图1所示。

2.3 操作要点

（1）根据现场情况，以远离施工机械为原则，保证扫描范围内无其他干扰物。

图1 三维激光扫描系统操作流程图

（2）在仪器前方0.6～5m内放置2个球棱镜，且球棱镜之间距离≥5m。棱镜面朝全站仪，背朝扫描仪。用全站仪记录2个棱镜坐标（此时棱镜常数和棱镜杆高度均需调为0），保持球棱镜不动直至扫描完毕。扫描仪测量布置如图2所示。

图2 扫描仪测量布置图

（3）仪器在扫描过程中，禁止车辆和行人通过，以免对仪器造成遮挡，影响扫描范围。

2.4 成果输出

（1）生成三维效果图，如图3所示。数据处理完成后，系统可输出三维效果图，通过不同的颜色立体展示隧道不同时段的扫描情况，呈现不同区域的围岩变化状态，然后对变化趋势进行统计分析，以保证隧道施工的安全。

图3 三维效果图

（2）围岩变形分析。根据三维效果图，可沿线路法线方向生成单个里程断面的围岩变形分析报告，最小里程断面间距可达0.01m/个。生成的不同里程的断面图和变化分析图，可用来分析隧道的拱顶沉降和净空收敛等，如图4、图5所示。

图4 巴东隧道出口DK612+925拱顶下沉-时间曲线图

图5 巴东隧道出口DK612+925周边收敛-时间曲线图

3 结束语

工程应用实践表明，隧道三维激光扫描监控量测方法取得了较好的应用效果，但相较于常规的方法，在测量精度方面是否满足要求，需要在以后的实践中进一步进行分析与探究。