三維激光掃描儀在高鐵隧道施工中的應(yīng)用分析

1、 三維激光掃描儀在高鐵隧道施工中的應(yīng)用 顧漢廣Summary：三維激光掃描儀掃面精度高、檢測(cè)效率高、數(shù)字化程度高，本文結(jié)合張吉懷鐵路魯家莊隧道施工為例，介紹三維激光掃描技術(shù)在高鐵隧道施工中的應(yīng)用，為以后的高鐵隧道超欠挖控制提供指導(dǎo)。Abstract： The 3D laser scanner has high scanning accuracy， high detection efficiency and high digitization. This paper combines the construction of the Lujiazhuang Tunnel of Zhangjihua

2、i Railway as an example and introduces the application of 3D laser scanning technology in the construction of high-speed railway tunnels， to provide guidance for undercutting control.Key：三維激光掃描;山嶺隧道;超欠挖Key words： 3D laser scanning;mountain tunnel;over-undercut：P234.4 ：A ：1006-4311（2020）14-0270-030 引

3、言隧道施工中的超欠挖控制一直是隧道施工必不可少的控制環(huán)節(jié)，隧道超欠挖的控制好壞不僅直接影響到現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量，更與施工單位的經(jīng)濟(jì)效益密不可分，及時(shí)的測(cè)量分析現(xiàn)場(chǎng)隧道超欠挖情況，控制超挖，節(jié)約成本的同時(shí)，杜絕因欠挖引起的二襯厚度不足等質(zhì)量問(wèn)題。本文結(jié)合三維激光掃描儀在現(xiàn)場(chǎng)隧道施工中的應(yīng)用情況，為以后的隧道超欠挖控制測(cè)量提供參考。1 三維掃描儀原理三維激光掃描是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。根據(jù)其測(cè)量方式，三維掃描儀又可分為脈沖式

4、和相位式。2 傳統(tǒng)測(cè)量手段與三維激光掃描對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)量采用全站儀對(duì)隧道開(kāi)挖輪廓進(jìn)行測(cè)量，獲取的為單點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析與設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓作出對(duì)比，得出隧道的超欠挖情況。由于受儀器和分析軟件的限制，存在著工作量大，數(shù)據(jù)分析不全面，無(wú)法滿足現(xiàn)有施工工藝要求，測(cè)量點(diǎn)位不密集，點(diǎn)位間隔過(guò)大，雖然所測(cè)點(diǎn)位未存在欠挖，但是點(diǎn)位間隔間存在的欠挖無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而而造成欠挖位置未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。三維激光掃描儀可連續(xù)、自動(dòng)、快速的收集大量的目標(biāo)物表面三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云（Point Clouds），因此相較傳統(tǒng)測(cè)量有許多優(yōu)勢(shì)，如1）數(shù)據(jù)獲取速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng);2）數(shù)據(jù)量大，精度高;3）主動(dòng)性強(qiáng)，能全天候工作;4）全數(shù)字特性

5、，信息傳輸、加工、表達(dá)容易。它的工作過(guò)程實(shí)際上就是不斷的數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程，通過(guò)具有一定分辨率的空間點(diǎn)所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物表面發(fā)的采集結(jié)果。3 三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)三維激光掃描儀通過(guò)發(fā)射的不可見(jiàn)激光束對(duì)物體表面進(jìn)行快速測(cè)量，主要技術(shù)參數(shù)如下：方法：相位式掃描，單站最大掃描距離270m，最小射程：0.3m，線性誤差：1mm，分辨率范圍：0.1mm，數(shù)據(jù)采集速率：1.016.00 Pixel/s1，數(shù)據(jù)掃描分辨率：垂直視場(chǎng)：320，水平視野：360，垂直分辨率：0.0004，水平分辨率：0.0002，雙軸補(bǔ)償器：分辨率0.001測(cè)量范圍：0.5，精度：0.007。4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程實(shí)例

6、4.1 工程概況新建張家界至吉首至懷化鐵路ZJHZQ-9標(biāo)段魯家莊隧道為雙線隧道，起訖樁號(hào)為：DK202+060DK204+295.27，全長(zhǎng)2235.27m，洞內(nèi)單面上坡，最大埋深約90m。隧道進(jìn)口段巖層傾角教緩，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)差，開(kāi)挖易坍塌掉快，圍巖級(jí)別較低。4.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集三維掃描儀隨意架設(shè)于隧道內(nèi)，儀器架設(shè)完成后對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行擺設(shè)（為保證掃描精度，標(biāo)靶數(shù)量不少于三個(gè)），通過(guò)全站儀對(duì)標(biāo)靶中心進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)采集。（見(jiàn)圖1）4.3 模型處理通過(guò)瑞士萊卡廠家生產(chǎn)的Cyclone+HdsAnalyzer軟件對(duì)設(shè)計(jì)線路進(jìn)行全線建模，由于后期數(shù)據(jù)量大，為保證處理速度，對(duì)隧道進(jìn)行分段建模，建模后的設(shè)

7、計(jì)三維數(shù)據(jù)模型（見(jiàn)圖2）對(duì)原始掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，對(duì)影響數(shù)據(jù)精度的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行刪除，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將降噪后的測(cè)量數(shù)據(jù)與建模數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖3），附著隧道全斷面超欠挖數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖4），后導(dǎo)出隧道每個(gè)斷面超欠挖CAD圖（見(jiàn)圖5）。5 數(shù)據(jù)分析過(guò)程與成果應(yīng)用首先通過(guò)Cyclone軟件對(duì)兩站以上含兩站原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接（單次測(cè)量無(wú)需拼接）。將全站儀測(cè)量的標(biāo)靶坐標(biāo)帶入原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，將相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系下的modelspace模型，然后對(duì)拼接后點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，先進(jìn)行粗略處理噪點(diǎn)，然后將降噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用Limit Box進(jìn)行細(xì)部數(shù)據(jù)去噪，進(jìn)一步處理表面的噪點(diǎn)生成

8、點(diǎn)云模型，與設(shè)計(jì)斷面模型進(jìn)行匹配對(duì)比，分析出隧道的具體超欠挖情況，根據(jù)使用要求（設(shè)定橫斷面間隔0.2m，縱斷面間距1.0m）對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出。測(cè)量工程師根據(jù)導(dǎo)出的斷面數(shù)據(jù)分析斷面每個(gè)點(diǎn)的超欠挖情況，形成交底資料交由現(xiàn)場(chǎng)工程師或技術(shù)人員（見(jiàn)表1），現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員帶領(lǐng)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人員根據(jù)交底資料將欠挖點(diǎn)情況用紅漆標(biāo)記在初支混凝土面上，后采用銑刨機(jī)或人工鑿除夯實(shí)進(jìn)行處理，以滿足現(xiàn)場(chǎng)二襯混凝土施工要求（見(jiàn)圖6）。處理結(jié)果由測(cè)量工程師采用全站儀或者三維激光掃描儀進(jìn)行復(fù)測(cè)，形成閉合后方可進(jìn)行二次襯砌施工。該施工工藝及處理方案可從根本上控制隧道的超欠挖，在做到節(jié)約成本的前提下滿足現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量及二襯厚度要求。6 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)與傳統(tǒng)方式對(duì)比，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況，三維激光掃描儀的在隧道超欠挖控制方面具有更準(zhǔn)確、快速、全面的特點(diǎn)，對(duì)隧道的超欠挖控制也更全面，避免了因傳統(tǒng)測(cè)量存在盲區(qū)導(dǎo)致的欠挖不能發(fā)現(xiàn)的弊端。隨著科技的發(fā)展，三維激光隧道掃描將更廣泛的應(yīng)用于高鐵隧道的施工，為高鐵隧道的施工超欠挖控制帶來(lái)一次全新的技術(shù)改革。隨著應(yīng)用技術(shù)的成熟，也將更廣泛的應(yīng)用于其他領(lǐng)域。Reference：1毛方儒，王磊.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)J.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2005（02）.2楊松林，劉維寧，王夢(mèng)恕，黃方，崔年治.自動(dòng)全站儀隧道圍巖變形非接觸監(jiān)測(cè)及分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究J.鐵道學(xué)報(bào)，2004（03）.3余海洋，史臘梅，熊朝暉