三维激光扫描技术在隧道界限分析中的应用.pdf

工程技术建 筑 技 术 开 发 95Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月三维激光扫描技术在隧道界限 分析中的应用周熙俊（上海同济检测技术有限公司，上海 200441）摘要 三维激光扫描技术是一种先进的全自动、高精度、立体扫描技术。基于三维激光扫描技术对隧道初期支护及二次衬砌界面进行扫描，并通过平面展开分析方法对隧道界限及二次衬砌厚度进行分析，能够分析隧道整体的超欠挖情况及支护二次衬砌施工质量，具有检测更全面、结果更准确、干扰小、适应性强的优势，有利于指导施工，提高隧道施工质量。关键词 三维激光扫描；初期支护；二次衬砌；超欠挖；厚度 中图分类号P 234.4 文献标志码A 文章编号1001-523X（2023）08-0095-04ADVANTAGES OF 3D LASER SCANNING TECHNOLOGY IN TUNNEL BOUNDARY ANALYSISZhou Xi-jun Abstract3D laser scanning technology is an advanced fully automatic,high-precision and three-dimensional scanning technology.Based on 3D laser scanning technology of the initial tunnel support and secondary lining interface,and analyze the tunnel boundary and secondary lining thickness of the tunnel and support construction quality,with more comprehensive detection,more accurate results,small interference adaptability advantage,is beneficial to guide the construction,improve the quality of tunnel construction.Keywords3D laser scanning;primary support;secondary lining;overbreak and underbreak;thickness隧道二次衬砌质量与初期支护、二次衬砌的施工质量密切相关1。如果在施工中发生初期支护侵限，二次衬砌厚度就会受到影响，造成二次衬砌厚度不足，隧道结构安全难以保证，二次衬砌轮廓是否侵入界限将会决定净空尺寸是否达到设计要求。对隧道初期支护及二次衬砌的轮廓界限进行检测，可有效保证隧道施工质量。近年来，三维激光扫描技术凭借其高精度、高密度、自动化、可视化、全息全面等优点被广泛应用到隧道工程领域，并受到广大工程师及研究者的青睐。李勇兵等1提出了一种基于三维激光扫描技术的隧道变形监测以及检测技术，通过色谱分析法及模型对比法对隧道整体变形进行快速检测。赵海霖等2提出一种结合三维激光扫描技术优化预留变形量的方法，可对已开挖段进行整体监测、分析，动态优化调整各部位的预留变形量。曾健雄等3深入探讨了三维激光扫描技术原理、作业流程和精度验证，并在云茂高速隧道开展了拱顶沉降与周边位移、断面检测等应用。为了发挥出三维激光扫描仪在隧道检测中的优势，提出了一种基于三维激光扫描仪检测隧道初期支护二次衬砌界限及厚度的方法，能够全面、精确、高效地进行检测工作，对同类工作的开展提供了一种新的方法，具有一定的实际意义。1 三维激光扫描技术三维激光扫描技术是一种先进的全自动、高精度、立体扫描技术，又称为实景复制技术，一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、数据处理平台及电源和其他附件构成。三维激光扫描技术的基本原理是通过激光测距仪发射激光，同时接受被测目标物表面反射的信号，扫描仪根据激光发射点和目标反射点之间的距离及方位角确定每个测点的三维坐标。随着扫描仪反射镜在垂直方向和水平方向的转动，形成密集的三维点云数据。被测点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义4，点数据P的坐标信息包括三维坐标（x，y，z）和反射光强度值（i）。被测物体点云中任意一点的三维坐标可表示为：xyz收稿日期：20230330作者简介：周熙俊（1986），男，湖北黄冈人，工程师，主要研究方向为隧道与地下工程。工程技术建 筑 技 术 开 发96 Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月三维激光扫描系统是激光扫描测量工作的平台，按照不同的测距原理，可以将激光测距系统分为脉冲测距式、干涉测距式、激光三角法。采用的是Trimble SX10三维激光扫描仪，扫描仪采用脉冲式测距法原理，每秒扫描26 600个点，测程可达600 m，配有全站仪测量功能，集高精度测量、影像和高速三维激光扫描于一体，如图1所示。zxyoSP(X,Y,Z)图1 三维激光扫描测量原理全站仪扫描仪一体化设计实现了后视控制点配准，无需布置标靶或者进行其他配准操作，能够极大地提高监测和配准效率。2 隧道初期支护界限及厚度检测方法及对比2.1 传统的检测方法传统的隧道断面轮廓检测方法通常是利用激光断面仪测量某一断面的轮廓并对比设计轮廓进行界限分析。尽管这种方法已经优于直接测量和全站仪测量的方法，但是只能检测单个断面，而各断面之间是否侵无法得知，工作效率和检测范围受到较大限制。对于隧道二次衬砌厚度检测，目前主要采用地质雷达法。该方法通过在二次衬砌表面布置57条检测线，利用地质雷达采集数据，通过对数据图像的分析来判定二次衬砌厚度质量。该方法在实际工作中仍有一些不足具体如下。（1）地质雷达检测采用“以线代面”的方法，只能对测线覆盖的二次衬砌厚度进行分析，未被测线覆盖的区域厚度情况不知，同时难以对质量不合格区域的范围和面积进行精确描述。（2）地质雷达的电磁波信号容易受二次衬砌内部钢筋的影响，导致难以辨明初期支护和二次衬砌的分界位置，使二次衬砌厚度分析不准。有研究表明，当二次衬砌内部环向钢筋布设密集时（间距小于25 cm），初期支护界面信号被钢筋屏蔽，无法 识别。（3）实际工作中可能存在电磁波波速标定不准，导致二次衬砌厚度分析存在较大误差。2.2 三维激光扫描检测方法为了解决传统检测方法的不足，提出了一种基于三维扫描技术的隧道界限分析方法，如图2所示。?图2 基于三维激光扫描的处理流程通过在隧道内设置两个已知大地坐标的控制点，利用后方交会设站建立坐标系，利用三维激光扫描仪扫描采集隧道初期支护轮廓和二次衬砌轮廓三维点云，点云经过去噪处理后在点云和设计网格模型上指定隧道检查点，分别计算检查点位置点云与隧道设计网格模型之间的距离，即可得到各点的超欠挖值，进而完成初期支护侵限和二次衬砌净空的分析。二次衬砌的厚度计算是通过对比根据两期点云分别生成的实际网格之间的距离，基本原理是通过各检查点的超欠挖值加上二次衬砌设计厚度再减去二次衬砌净空的超欠挖值。对于数据分析方面，提出将扫描分析结果进行平面展开分析，即将隧道设计轮廓面沿着环向展开成水平面，假设该平面高程（超欠挖值）为0，其中x轴作为每个断面环向测点的分布，以距离左墙脚的距离表示，环向1 m间隔布设1个测点。y轴作为隧道走向的里程分布，z轴则代表各检查点的超欠挖值，进而通过各点的超欠挖值拟合出的平面近似得到隧道的轮廓面。当某个检查点的z值小于0则说明在该区域侵入设计界限，需要处理。通过这种处理方式，可更加准确定位到超欠挖的区间和具体的超欠挖值，而不只是某工程技术建 筑 技 术 开 发 97Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月一个断面的超欠挖。3 工程应用及分析以广东省某隧道为例，选取959964里程区间的6个断面，采用三维激光扫描技术进行初期支护和二次衬砌的界限以及二次衬砌厚度检测分析工作。3.1 初期支护界限检测为了能够全面反映隧道超欠挖分布情况，将三维激光扫描超欠挖分析结果平面展开，以隧道走向和环向均以1 m为间隔提取一次数据，将超欠挖数据转换成三维坐标点进行平面展开，生成隧道模拟初喷混凝土表面。其中在z=0位置的平面作为隧道设计标准断面，z轴坐标代表超欠挖量值（图3）。超欠挖超欠挖/m0.5230.4900.4570.4240.3910.3580.3240.2910.2580.2250.192964963962里程/m距离/m961920959-510203040-0.4-0.00.00.20.40.60.815253505图3 初期支护轮廓平面分析根据图3可以看出，该隧道在959964里程段范围内没有z值小于0的情况，说明这段里程范围初期支护没有侵限发生，不会影响二次衬砌厚度。但存在不同程度的超前情况，最大超挖量出现在右边墙以及963964里程段拱顶范围区间，最大超挖值为52.3 cm，最小超挖范围出现在960964里程段左边墙位置，最小超挖值为19.2 cm。通过图3可以明显看出，隧道右侧超挖整体偏大而左侧超挖值整体偏小，有利于下一段喷射混凝土时做出相应的调整，使其偏差减小，超挖值尽量对称，如果没有这样的信息反馈，有可能会持续偏离，最终出现侵限现象。综上所述，基于三维激光扫描超欠挖数据平面展开分析，更有利于精准定位缺陷位置，以便于及时处理，最大限度地保证隧道施工质量。3.2 二次衬砌界限检测采用该方法开展二次衬砌界限检测，该隧道959964里程段二次衬砌内轮廓的三维激光扫描点云与净空标准断面轮廓尺寸对比分析得到结果，如图4 所示。距离(m)-5-0.10-0.05超欠挖(m)0.000.050.100.15102030152505超欠挖0.080 00.075 50.071 00.066 50.062 00.057 50.053 00.048 50.044 00.039 50.035 0964963962里程(m)961960959图4 二次衬砌净空平面分析从图4中看出，检测区域没有z值小于0的情况，说明这段里程二次衬砌没有侵入净空界面。可以发现，该里程区间内较大超挖发生在右边墙和右拱腰，其中最大超挖出现在963964里程段的右边墙，而较小超挖发生在左拱腰和拱顶，其中最小值出现在963964里程段的左拱腰。另外，从整体变化趋势分析可以看出，随着里程的增大，范围（宽度）逐渐减小，而蓝色区域的范围逐渐增大，这说明在模筑混凝土时，台车对称中线与隧道中线发生偏离，并有利于指导下一次模板台车的角度和高度，在浇筑二次衬砌之前应尽量将台车对称放置，进而保证隧道两侧二次衬砌厚度，同时满足 要求。3.3 二次衬砌厚度分析传统的二次衬砌厚度检测方法有钻心取样直接测量法和地质雷达法，但是这两种方法都无法实现连续全面的测量，只能测量某个位置或某条测线的二次衬砌厚度情况。三维激光扫描则可以得到连续全面三维点云，实现无遗漏检测。采用三维激光扫描的环向展开式分析、TBC厚度计算分析方法检测该隧道959964里程段二次衬砌厚度。基于三维激光扫描得到的初期支护和二次衬砌点云采用TBC计算二次衬砌厚度，基本原理是分别根据两期点云生成初期支护和二次衬砌三角网格，再计算两种网格之间的距离生成二次衬砌厚度。这种方法虽然也是通过拟合生成的网格，但是由工程技术建 筑 技 术 开 发98 Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月于点云数量非常大，所得三角网格误差就会很小，可以忽略不计。这段区间的二次衬砌设计厚度为70 cm，图5为二次衬砌厚度平面分析，从图5中二次衬砌厚度由初期支护超欠挖值加上设计二次衬砌厚度减去二次衬砌的超欠挖值得到。从图5可以看出，整体上隧道各个位置的二次衬砌厚度均满足设计要求，并且可以明显看出各个断面的拱顶、右边墙和左拱腰的厚度较大，最大厚度为1.08 m，分别出现在963964的拱顶和959960的右边墙位置，而较小厚度均发生在左边墙，最小厚度为0.848 m，出现在963964的左边墙。距离/m-5102030350.20.40.6厚度/m0.81.01.21.4152505964963962里程/m961960959厚度1.081.061.041.010.9880.9650.9420.9180.8950.8710.848图5 二次衬砌厚度平面分析结合图3和图4可以发现，该里程段的初期支护超挖值相对较大，同时二次衬砌净空超挖值在拱顶位置相对较小，这解释了拱顶的二次衬砌厚度在拱顶位置偏大。同理，初期支护在左边墙超挖较小而二次衬砌净空超挖值较大。进一步解释了二次衬砌厚度在某一断面左边墙位置最小的现象。因此，可以通过初期支护和二次衬砌的界面情况值结合设计厚度分析实际的二次衬砌 厚度。3.4 三维激光扫描准确度验证为了验证三维激光扫描技术在隧道二次衬砌厚度检测上的精准性，通过现场直尺分别测量该隧道在960里程左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰和右边墙的实际厚度，并与三维激光扫描结果进行对比，通过对比结果分析可知，利用三维激光扫描测量二次衬砌厚度准确度很高。二次衬砌厚度测量对比，见表1。表1 二次衬砌厚度测量对比 m测量方法左边墙左拱腰拱顶右拱腰右边墙三维激光扫描0.8910.9851.0050.9040.933尺量法0.890.9851.0050.9050.9324 结论三维激光扫描技术对隧道初期支护、二次衬砌界面及二次衬砌厚度检测，具有检测更全面、结果更准确、干扰小适应性强的优势。对三维激光扫描数据通过平面展开方法进行分析，可以更加全面地判断隧道超欠挖情况及初期支护、二次衬砌界面信息，精准直观地找到超欠挖的具体位置，分析其发生的原因，并指导施工，有利于提高隧道整体施工质量。参考文献1 李勇兵,高成明,马盈盈,等.三维激光扫描技术在隧道变形监测及检测中的应用J.科学技术与工程,2021,21(12):51115117.2 赵海霖,仇文革,戚幸鑫,等.基于三维激光扫描技术的隧道预留变形量优化研究J.隧道建设(中英文),2020,40(11):16071614.3 曾健雄,马增琦,吴勇生,等.三维激光扫描技术在隧道监控测量中的应用J.公路交通科技,2020,37(S2):135140,153.4 赵宇,詹建勇,杨勇勇,等.基于三维激光扫描技术的隧道施工期变形监测研究J.科技通报,2019,35(09):173179.5 詹建勇.基于三维激光扫描技术的山岭隧道施工期变形监测研究D.杭州:浙江大学,2019.6 孟庆年,刘宝华,张洪德,等.基于三维激光扫描技术的地铁隧道初期支护检测方法研究J.城市勘测,2019(5):126129.7 关为民.三维激光扫描技术在隧道施工应用中的新进展J.铁道建筑技术,2021(8):111115.8 李勇兵,高成明,马盈盈,等.三维激光扫描技术在隧道变形监测及检测中的应用J.科学技术与工程,2021,21(12):51115117.9 邵伟伟,窦顺.地质雷达检测隧道二次衬砌钢筋对初期支护型钢拱架分辨率的影响研究J.路基工程,2017(4):171174.北京市推动智能建造与新型建筑工业化协同发展的实施方案为更好推进我市智能建造与新型建筑工业化协同发展工作，市住房城乡建设委等十二部门联合制订了北京市推动智能建造与新型建筑工业化协同发展的实施方案。认真落实北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标纲要和住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见（建市202060号）、关于加快新型建筑工业化发展的若干意见（建标规20208号）等文件要求。推进智能建造与新型建筑工业化协同发展，构建可持续的绿色低碳发展体系，促进建筑绿色发展，结合我市实际，制订本实施方案。（来源：北京市住房和城乡建设部网站）