中铁七局集团西安铁路工程有限公司 陕西西安 710048
摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，隧道工程建设越来越多。目前，我国隧道施工主要以新奥法为主，采用复合式衬砌支护形式。在软弱围岩段，初期支护与二次衬砌均为承载结构，共同支撑围岩应力，从而保证隧道结构安全。衬砌质量直接关系隧道结构安全及使用寿命，因此衬砌质量控制是隧道施工过程中的重点和难点。基于三维激光扫描技术的隧道断面变形测量方法完成。设计对比实验，与原有测量方法相比，此方法的测量图像与样本图像更为相似。因而，此方法在隧道的测量中更有效，效果更加优越。
关键词：三维激光扫描；隧道；衬砌质量
引言
三维激光扫描仪属于地基激光扫描系统，由激光扫描仪、数码相机、软件控制系统组成。三维激光扫描技术是一种先进的非接触主动立体扫描技术，具有连续、快速、非接触、自动、全天候工作等优势。隧道施工利用三维激光扫描技术采集被测物体表面的点云三维坐标、纹理等信息，经软件处理得到被测物体高清影像数据，配合各断面扫描成果进行三维建模，可使隧道施工各环节场景可视化再现，为建立物体三维实体模型提供了一种全新的技术手段。
1三维激光扫描技术
隧道三维激光扫描技术基于三维激光测量原理，所采用的激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，测距原理可分为三角法、脉冲法、相位移法和脉冲-相位移法，测量平台可分为地面固定型、车载型、手持型及机载型。通过内置伺服驱动电动机系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描，在测程范围内扫描视场范围内的纵反射体，进行空间坐标定位测量和点云特征采集，具有扫描速度快、定位精度高和全景范围实时测量的优点。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复制出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。
2三维激光扫描技术在隧道衬砌质量控制中的应用
2.1隧道开挖质量控制
地面三维激光扫描仪应用到隧道施工中，可以快速提取隧道断面，并提高断面测量效率。隧道开挖后对开挖断面进行扫描，提取点云数据生成实测断面，与设计断面进行比对分析，可得到超欠挖部位、数量。
2.2隧道二衬厚度的计算与分析
根据隧道初支后和二次衬砌后的内壁三维实体模型，运用Geomagicqualify软件，最大允许偏差16000mm进行3D精细对比和最佳拟合对齐，精准拟合和消除偏差后可得到隧道的初支后和二次衬砌后模型对比分析图。各点的二次衬砌厚度误差较小，平均厚度为25mm左右。同时，由对比模型可导出模型的偏差对比表、生成任意方向、任意截面分析对比图和截面曲线、进行点云对比注释和生成点云对比文件，也可进行模型合并与拆分等。进行2D对比分析，分号截取模型上隧道任意断面(平面、纵断面和横断面)的偏差分析，图2b中为二次衬砌厚度分析，图中可查询断面上任意点的二衬厚度，可创建断面分析报告和进行厚度标注，并估算误差的公差范围，也可与隧道设计模型对比，确定隧道的施工误差，对初支的侵界进行分析。
2.3点云数据处理
外业扫描完成后，将扫描仪中的数据复制到计算机上并导入点云数据处理软件。在仪器自带的数据处理软件中，对扫描数据进行滤波去噪、靶标提取、点云配准、坐标转换和数据导出等处理，最终得到隧道表面的三维坐标数据文件。同时，根据获取的衬砌表面灰度图像信息，可以清楚地发现衬砌表面的渗水区域，通过特定的边缘提取算法可以准确地计算出渗水区域的面积。
衬砌表面的纹理特征在灰度图像上表现得非常详细，如果有裂缝也可以通过数字图像处理计算出其位置和长度。
2.4隧道二衬质量控制
（1）二衬钢筋间距控制。二衬钢筋间距是隧道二衬施工质量检查的重要指标之一，传统抽检方式采用钢卷尺测量检查。应用三维激光扫描数据建立钢筋展开模型，可在电脑模型上检查任意部位钢筋间距。（2）二衬断面与厚度控制。与初支断面检测及厚度分析原理相同，对二衬扫描点云数据进行分析可获得二衬厚度是否达标、二衬净空是否满足要求的相关信息，保证二衬施工质量。（3）二衬混凝土用量控制。分析初支、二砌断面数据可准确计算二衬混凝土实际用量，结合拌合站混凝土产量进行比对，能够准确核查二衬浇筑是否存在较大空洞，可及时发现问题并进行处理。
2.5隧道二次衬砌质量的评价方法
隧道二次衬砌结构是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌，是隧道安全储备的一种工程措施，用来承受软弱围岩的蠕变压力、膨胀力和附加荷载的作用等，是围岩压力的主要承受者，同时又可能达到加固支护、优化路线防排水系统、美化外观、方便设置通信、照明、监测等设施的作用。因此，隧道二次衬砌的质量和厚度关系到隧道的安全和使用寿命。隧道的二次衬砌厚度一般采用地质雷达探测法进行检测确定，由于受空间检测条件和测线数量所限，不可能全面掌握二次衬砌的厚度，采用三维激光扫描的测量方法，根据隧道初支后和二次衬砌后的模型对比分析，可快速、全面地掌握隧道任意点的二次衬砌厚度及进行二次衬砌厚度的质量分析，全面评价隧道的施工质量。
2.6隧道施工三维建模
三维激光点云数据可生成基于隧道施工各环节的三维精细化模型，实现隧道施工可视化场景再现，超欠挖部位、侵限数量可以色彩化展示，并能与BIM模型相融合进行工程数量、结构尺寸碰撞检查。
结语
综上所述，衬砌结构是隧道工程的主体结构，隧道衬砌质量控制是隧道施工管理和运营养护的重要内容，研究隧道衬砌质量检测和控制的新方法具有重要的理论意义和工程应用价值。应用三维激光扫描技术对隧道二次衬砌前后分别进行扫描，根据两次扫描所得的点云数据可以计算出扫描范围内任意断面、任意点位处的衬砌厚度值；根据扫描获取的灰度图像，还可以对衬砌表面的渗水区域和裂缝进行检测和识别。应用三维激光扫描技术对隧道衬砌质量进行控制和评价，方法简单，实施方便，内容全面，并且可以为隧道建设和全生命周期养护提供重要的基础数据。
参考文献
[1]刘燕萍，程效军，贾东峰.基于三维激光扫描的隧道收敛分析[J].工程勘察，2013(3):74-77.
[2]邓洪亮，陈凯江，朱明岩，等.隧道监控量测三维激光扫描方法与应用研究[J].测绘通报，2012(S):123-126.
[3]邓洪亮，付思远，高文学，等.隧道三维点云施工监测技术与应用[J].现代隧道技术，2014，51(5):199-204.
[4]曹先革，杨金玲，刘妍，等.基于三维激光扫描数据的地铁隧道断面测量[J].测绘与空间地理信息，2015，38(7):4-6.
[5]谢秋平，于海洋，余鹏磊，等.地铁隧道三维激光扫描数据配准方法[J].测绘科学，2015，40(6):98-101.
[6]毕俊，冯琐，顾星哗，等.三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用研究[J].测绘科学，2008，33(S):14-16.
[7]陶坤，何小平.TM隧道断面测量系统在施工质量控制中的应用[J].施工技术，2008，37(11):73-76.