基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究

基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究

陈俊

广东省建设工程质量安全检测总站 有限公司，广东广州， 510000

摘要：近年来，三维激光扫描技术在地铁隧道安全检测领域得到了很大的发展。在隧道开挖过程中，可利用该技术测量超欠挖情况，避免隧道发生塌方事故；在隧道运营过程中，可利用其对隧道进行定期安全检测，以保证地铁安全运行。相对于传统隧道检测方法，三维激光扫描技术有效地提高了隧道安全检测的工作效率和检测精度，并且节约了大量人力和财力。截至目前，隧道变形监测领域用到的三维激光扫描系统大多是固定式三维激光扫描系统。虽然固定式激光扫描系统扫描点云数量和精度都能达到工程变形监测要求，但是由于隧道几何形态呈狭长条状的特点，利用固定式激光扫描系统会造成两测站重叠部分存在大量冗余点，使得后期点云拼接困难。基于此，本篇文章对基于三维激光扫描技术的隧道检测技术进行研究，以供参考。

关键词：三维激光扫描技术；隧道；检测技术

引言

近年来，随着城市的不断发展，地铁建设的高速推进。在隧道建设过程中，地面设施的建设、不同区段地理环境的差异等因素，都会使地铁隧道发生一定程度上的变形，当变形程度超过限定要求时会严重影响隧道的结构安全。地铁隧道竣工后需要检测其超欠挖是否合理、横断面与设计值的误差量。地铁隧道距离长、分布区域广，需要在天窗时间测量，因此对测量手段要求较为苛刻。传统方法通常采用全站仪、断面仪等设备进行特征点位测量。全站仪采用单点测量，具有较高的精度，但存在测量速度慢、采集的数据量有限等缺点;另外断面仪测量时只能获取一个断面信息，在长距离隧道检测中，作业效率低。总而言之，传统方法的数据采集量少，工作量较大，工作效率较低，短时间内无法全面反映隧道的变形状况。三维激光扫描技术近年来发展迅速，受到人们的广泛关注，相比于传统测量方法具有高速度、高效率等特点，在地铁隧道监测领域的应用具有广阔的应用前景。

1三维激光扫描技术的相关概述

1.1概念

三维激光扫描技术采用的是激光测距的原理实现非接触、快速获取地物目标的三维点云数据和纹理（影像）数据，并对采集到的数据进行处理后进行三维建模，以此可以将复杂环境下的结构数据以三维的形式展示给相关工作人员，为空间信息数据库提供丰富的数据源。其在实际应用中主要使用的设备是三维激光扫描仪，在激光测距仪与反射棱镜的支持下完成测距扫描，同时其还集成了激光扫描仪、数码相机、软件及附属设备，测量速度较快，获取的数据信息精确度也比较高。

1.2特点

三维激光扫描技术具有如下特点，一是具有快速性，通过操作三维激光扫描仪就能够对隧道内部空间进行快速的扫描，并得出数据信息，数据也会及时进行更新；二是采样率比较高，扫描过程中可以大面积采集目标物体的表面信息，同时采集数据速度达到每秒几万点到几百万点之间；三是具有实时性、动态性、主动性，借助三维激光扫描仪，开展工作的时候不会受到光照、气压等外界条件的影响；四是具有非接触性的特点，在隧道检测中只需要借助三维激光扫描系统发射出的激光信号以及反射棱镜发射和接收反射信号的方式就可以完成信息数据的采集，全程不需要测量人员接触测量物体，在对环境复杂的隧道进行检测时候，非接触性也能够大大保障测量人员的安全；五是具有全数字特征、自动化特点，三维激光扫描技术采集的信息具有数字特性，方便显示输出，而且可靠性好，在数据的采集、处理与建模过程中都呈现较明显的自动化；六是系统拥有外置（或内置）数码相机，对实地的目标物体选择有较大帮助，也能够适应多种不良环境，而且是由软件通过平台接口实现对数码相机的控制，处理较为简单；七是新型扫描系统拥有定位装置，以便可以将扫描的点云数据直接输出为绝对坐标，提高生产效率。

2工程概况

某高速铁路项目含长度超过10km的隧道两座，沿线地形地貌多变，工程地质和水文条件复杂。为提升施工管控效率，保障和提高施工质量，在隧道施工中使用三维激光扫描技术，用于隧道开挖、初期支护及二次衬砌的断面检测及收敛监测。

3基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究

3.1外业数据采集

在开始采集数据之前，首先要根据隧道的具体情况布设测站，在保证点云扫描质量的情况下，尽量减少测站数，减少点云拼接误差;根据实际情况，设置符合工程需求的最佳扫描分辨率;由于三维激光扫描仪测距精度上的限制，每扫描完一段区域后需要转移测站使得各测站间数据相互独立，因此需要在两测站之间布设不少于3个标靶球作为公共点，方便后期数据拼接;在准备工作完成之后，即可开始对隧道进行扫描。

3.2内业处理

(1)点云数据拼接。通过计算坐标系间的转换参数，采取平移或旋转数据的方式，将现场扫描的点云数据统一拼接到一个坐标系内。拼接方法:一是基于标靶点坐标转换进行拼接;二是基于计算标记点数据间的拼接参数进行拼接;三是基于点信息、几何特征信息、动态和影像拼接算法综合处理后进行拼接。现场基于标靶点坐标采用扫描仪配套专用软件完成数据拼接。首先输入设计线路及断面参数，导入扫描仪测量的数据，进行靶球提取后输入靶球坐标，完成坐标转换;然后，计算线路坐标，进行点云数据拼接，裁掉多余断面数据。(2)成果数据处理。整体侵限分析后，根据实测超欠挖情况进行断面去噪处理，去除隧道整体轮廓多余部分，保留合格数据，形成隧道整体轮廓并导出数据成果。

3.3成果输出

初支侵限控制:拱顶下沉和围岩收敛稳定后，及时进行初支断面扫描测量。应用其完整的点云数据建立三维模型，绘制横纵断面图，检验隧道初支断面净空。断面收敛监测:将扫描仪置于同一测站进行多次扫描，通过在同一里程分别截取扫描断面，以首次扫描断面作为理论断面，对比断面间的投影离，从而确定断面收敛数据。分析数据结果可知，在同一个测站上设站，监测同一个断面的精度基本在1～2mm之间。个别位置会存在较大误差，究其原因:(1)因两次扫描点位置随机，不可能完全一致;(2)扫描过程产生噪点，数据采集有轻微扰动影响;(3)隧道平整度指数较大，点云数据稀疏。为了排除误差，可将分析断面设在通风管之上，分析其线性平均误差。线性平均误差=(超挖面积+欠挖面积)/多段线长度。对于隧道围岩表面起伏不严重的部位(平整度指数小于0．2)，断面监测精度误差可优于2mm，满足精度要求。为进一步提高精度，可将待测面划分为若干小区，分块采集高密度点云数据进行监测分析，其精度优于全站仪法、收敛计法等测量手段，但数据量极大，对设备性能要求很高，建议局部重点部位监测可以考虑采用。

结束语

综上所述，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，能利用三维立体全面扫描的优势，实现对检测工程全方位数据的采集和形态的监测。对三维激光扫描技术在隧道工程监测中的应用要点进行分析，希望对相关工作人员提供借鉴。

参考文献

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