罗鹏飞
中铁隧道集团二处有限公司 河北廊坊 065200
摘要：以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托，开展了三维激光扫描技术的现场应用研究，详细介绍了三维激光扫描系统的组成、监测原理以及现场实施方案，并通过三维激光扫描系统实现了隧道断面提取、拱顶沉降与周边位移分析、断面检测与超欠挖分析、二衬厚度及侵限检测、轴线偏差分析、二衬表面三维建模等应用，突破了传统单点监测方式的局限性，为类似软岩大变形隧道工程提供指导借鉴。
关键词：三维激光扫描；变形监测；木寨岭公路隧道；现场应用
0引言
随着我国交通隧道建设逐渐向长、大、深、险发展，诸如高地应力岩爆、软岩大变形、高地温或高寒等难题愈发常见[1]。其中软岩大变形问题较为突出，诸如十房高速公路通省隧道、渭武高速木寨岭公路隧道、西汉高速酉水隧道等重难点工程频现[2-4]，其特点为变形量大、变形速度快、收敛时间长，极易导致变形侵限、钢架扭曲、锚杆拉断、衬砌剥落等大变形破坏。在此情境下，选择合适的支护参数与支护时机就至关重要。然而，由于隧道工程赋存地质环境复杂，且施工过程中围岩物理力学性能会随时间、空间发生变化，具有很大的不确定性[5]，使得隧道设计阶段往往无法准确的判断变形情况，导致支护设计往往无法满足实际施工需要。故此，要实现支护参数与支护时机的合理选择，就需要通过施工监控量测来密切关注现场实际情况。
目前，隧道施工监控量测通常采用以全站仪为主的传统单点监测手段，但木寨岭公路隧道现场实践显示其监测效率较低、信息量较小，且实施较为复杂，无法很好的实现软岩大变形隧道中及时、准确、高效监测的要求。故此，有必要引入能够实现自动化数字多点监测的三维激光扫描技术，实现木寨岭公路隧道中的高效动态监测，准确掌握隧道整体变形情况与趋势，以指导支护设计与施工。综上所述，本文将以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托，开展软岩大变形隧道的三维激光扫描监测技术的系统应用研究，并为类似工程提供借鉴。
1三维激光扫描监测技术
三维激光扫描技术亦称“实景复制技术”，其能够依靠激光扫描高效准确的获得实物表面测点点云的空间位置数据，突破了传统测量手段只能实现单点测量的局限性，具有高效、高精度、自动化、数字化等显著优势，被誉为测绘技术继GPS后的又一革命性突破[6]。
1.1三维激光扫描系统组成及其测量原理
三维激光扫描系统由激光扫描仪、控制器、计算机和电源供应系统等组成[7]，如图1所示。其中激光扫描仪是整个系统的核心组成部分，主要包含激光发射器、接收器、CCD相机以及旋转系统，负责发射激光扫描实景表面点云。
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三维激光扫描系统的测量原理如下：激光扫描仪发射出激光脉冲信号，在控制器的控制下，水平镜和垂直镜按照设定的步进量快速有序的同步旋转，使激光依次扫过物体表面，激光脉冲信号经物体表面漫反射后被探测器所接收；控制模块测量出每个激光脉冲到物体表面的柱坐标位置参数，包括空间距离S和水平角α和高度角θ；计算机接收所测得的柱坐标位置参数，并根据坐标转换公式（1）将之转换为三维笛卡尔空间坐标，由此实现在短时间内获取测量物体表面点云的位置信息，实现快速高效监测。
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1.2三维激光扫描监测技术与传统隧道监测技术的对比分析
三维激光扫描监测相较与传统单点监测手段（全站仪、水准仪等）具有如下优点：
（1）监测效率高：传统监测手段仅能实现单点监测，即每次只能测量一个断面的一个测点，监测速度慢，且监测范围只是隧道的个别断面，断面不连续，监测效率较低；而三维激光扫描仪能够实现多点检测，在50米远的距离内两站扫描（只需30分钟）即可以覆盖80多米隧道，且测点连续成面，数据可以随机调取，监测效率极高。
（2）信息量大：传统监测手段只能提供单点的相对位移值，信息量较小，而三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面点云的三维数据（包括三维坐标数据、灰度数据以及RGB颜色数据），能够全面获取扫描范围内的任何点位的信息。
（3）实施简便：传统监测手段需事先在隧道内埋设监控量测点，每次量测需对监测点逐个测量，过程繁杂、用时较长；而三维激光扫描仪进行测量不需要任何预埋件，，只需1到2人即可完成自动化数字测量，操作简单高效。
2三维激光扫描技术现场应用
2.1工程概况
兰州至海口国家高速公路(G75)渭源至武都段木寨岭隧道采用分离式设计，其中左线全长15231m，右线全长15173m，最大埋深约629.1m。隧道进口采用削竹式，出口采用端墙式。全隧均为Ⅴ级围岩，以中风化炭质板岩为主，岩质软弱破碎，单轴抗压强度不超过30Mpa，且受极高应力作用（强度应力比小于4），支护不当极易发生大变形破坏（图2）。在此情境下，采用三维激光扫描技术及时、全面、准确的监测隧道变形，进而根据变形情况指导现场施工支护参数及支护时间，就显得至关重要。
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2.2现场实测三维激光扫描仪型号及关键技术参数
相位式三维激光扫描仪的测距范围较短（百米级），测量速度极快（一般为百万点每秒），精度相对较高（毫米级），适合用于隧道变形监测。故此，在木寨岭隧道监控量测中采用Faro S350相位式三维激光扫描仪（图3），其关键技术参数见表1。
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2.3三维激光扫描在木寨岭隧道的监控实施
三维激光扫描现场实施步骤如下：
1)在待测区域布设2个靶标球，标靶球距离扫描仪3-5米，两标靶球间隔3-5米（保证仪器扫描过程中可以扫描到即可)，通过全站仪测出这2个靶标球的三维坐标。
2)开始第一站测量时，在待测区域任意起点附近摆放拼接球6个，前后各3个（间距≤40m），架设仪器在中间，以保障仪器可扫描到拼接球为准。为提高精度，通常将仪器放置到前后拼接球中间区域，如图4（a）所示；
3)开始第二站测量时，保持拼接球4、5、6稳定不动(否则前后测站数据无法拼接)，移动定位球1、2、3至前方，与拼接球4、5、6间距≤40m，后移动三维激光扫描设备至拼接球中间区域，保证仪器能够扫描到6个拼接球，如图4(b)所示；
4)开始第n(n≥3)测量时，保持前方3个拼接球不动，移动后方3个拼接球至前方，移动仪器至前后6个拼接球中部，保证仪器能够扫描到6个拼接球即可。
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3三维激光扫描监控量测项目
在木寨岭隧道及斜井监控量测中，通过三维激光扫描进行了断面提取、拱顶沉降与周边位移分析、断面检测与超欠挖分析、二衬厚度及侵限检测、轴线偏差分析、二衬表面三维建模等监控量测项目。
3.1断面提取
在木寨岭隧道3#斜井实践应用中，一般提取1cm以下厚度的数据作为断面数据。图5为在施工坐标系中提取的断面，图6为在独立坐标系中的断面，原点为拱顶圆弧所在圆圆心。
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3.2拱顶沉降与周边位移
拱顶沉降和收敛变化都是在断面上选择固定的点，对其进行连续的监测。拱顶沉降测点与收敛测点布置在同一断面，前者一般选取1-3个点，后者选取1-2条测线[8-9]。在木寨岭隧道3#斜井中，分别布设3个拱顶沉降观测点与一条收敛测线，布点情况如图7所示。
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获取了各个测点的监测数据后，就可以以先期数据为基础，画出收敛及沉降随时间的变化曲线，以反映各断面的收敛与沉降情况，此外还可以画出空间变化曲线以反映隧道的整体变化情况。
3.3断面检测与超欠挖分析
三维激光扫描数据能够获得断面上任一点的具体超欠挖值，全面完整的反应隧道的超欠挖情况（如图8所示），进而准确的对隧道开挖情况进行评价。
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3.4轴线偏差分析
轴线偏差分析主要是利用二衬表面数据提取出断面数据后，利用最小二乘法拟合出断面的中心点，再和设计中心点比较，分析其偏差是否满足规范要求。图9展示的为木寨岭隧道3#斜井K1+180～K1+200检测期间的部分成果。可以看出，竖向偏差值普遍大于横向偏差值，这主要是由两侧拱腰变形较大造成的。
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3.5二衬厚度及侵限检测
利用扫描数据对衬砌质量进行检查，主要是通过衬砌前后的断面数据对比，计算其差值得到衬砌厚度。此外，还可以通过和设计数据对比来检查衬砌是否侵线，如图10所示。
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3.6二衬表面三维建模
二次衬砌基本稳定后，用三维激光扫描仪对衬砌表面进行扫描，获取点云数据。对点云数据进行拼接去噪处理后，导入Geomagic Studio软件中进行三维逆向工程建模，获得隧道三维模型（图11）。
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隧道建成通车后，测量控制点一般均已失效，在此情境下，带有坐标信息的三维模型就可以提供后期隧道运营养护所必须的数据支撑，具有一定的存档作用。
4. 结论
本文基于渭武高速木寨岭公路隧道，开展了三维激光扫描技术的现场应用研究，介绍了三维激光扫描系统的组成和测量原理，分析了三维激光扫描技术相对于传统监测手段的优越性，归纳了其在交通隧道的实施方案，最终实现了三维激光扫描技术在软岩大变形隧道中的成功应用，主要包括隧道断面提取、拱顶沉降与周边位移分析、断面检测与超欠挖分析、二衬厚度及侵限检测、轴线偏差分析、二衬表面三维建模等，对类似软岩大变形隧道工程有借鉴作用。
参考文献：
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