徕卡全站扫描仪在隧道施工测量中的应用

徕卡全站扫描仪在隧道施工测量中的应用

陈文豪

湖北省国土测绘院 湖北武汉430000

摘要：针对隧道施工测量的特点，本文利用徕卡全站扫描仪，以某铁路大理到保山段隧道工程为例，阐述了三维激光技术在隧道超欠挖、变形监测、二衬厚度检测、二衬钢筋保护层厚度检测等方面的应用，并对点云的精度进行比较以及分析，结果表明，该全站扫描仪不但能够满足测量规范要求，而且大幅提高了工作效率。

关键词：隧道工程；三维激光扫描技术；点云数据；超欠挖计算；断面提取

０引言

随着社会经济的不断发展，交通运输基础设施投入的不断加大，我国修建了很多铁路，因此需要开挖大量隧道，其施工主要使用钻爆法，超欠挖情况不可避免，而隧道断面测量作为控制隧道开挖、支护、衬砌质量的重要手段，测量效率及精度在隧道施工中显得尤为重要，其决定了下部工序的质量和进度。

本文以新建大理至瑞丽铁路大理至保山段站前一标段隧道工程为研究对象，该项目多为单线隧道，单个隧道大、隧道断面类型多且变换频繁，传统的断面测量技术由于速度慢，操作不方便，只能逐点、逐断面进行测量，点位比较分散、间隔过大，获取的测量数据有限，无法获取整体的断面信息，对于整体的质量和精度控制有很大的局限性，测量作业开展非常困难。全站扫描仪是将测量机器人、三维激光扫描仪和图像测量等多种技术集成于一体的一种测量设备，利用全站扫描仪寻求一种快速、高精度、覆盖范围广的隧道测量方法。

1隧道测量方法应用

1.1难点

某铁路大保段一标段多为长大单线隧道，空间狭窄、作业面有限，隧道断面类型多，变换频繁，以太邑隧道D2K12+845-D2K13+3345为例，500ｍ的长度，前后有13种断面类型，17次断面类型变化，测量作业困难，速度慢，操作不方便，无法获取整体断面信息，对于整体测量质量和精度的控制有很大的局限性。

12创新点

１）引入徕卡全站扫描仪，对其精度及可靠性进行研究，分析扫描误差来源，形成隧道断面扫描系统，在作业空间有限、工序衔接紧张、断面类型复杂的情况下，快速、高精度实现隧道断面扫描一次成型，无须进行数据拼接，实现复杂断面全自动、高精度点云信息快速采集及数据处理。

２）点云数据处理结果不仅可以用于判定隧道超欠挖、指导超欠挖处理，还可用于隧道变形监测、二衬厚度检测、二衬钢筋保护层厚度检测等。

1.3隧道断面测量设备比选

常用的隧道断面测量方法主要有激光隧道断面仪配合后处理软件、全站仪测量三维坐标搭配相应的断面生成软件，这２种方法目前已运用得非常成熟。这２种方法均按照设置步长逐点测量断面点，很容易漏测凹凸明显的部位，且均存在工作量大、效率低、安全隐患大、耗费大量人力物力、占用过多施工时间等问题。全站扫描仪突破单点测量方式，通过采集大量点云数据构建物体真实形态，可以更真实、准确、清晰地表示隧道内结构状况。通过对断面激光测量技术、全站仪断面测量技术、激光扫描技术的特点及现场数据采集效率及效果、断面成果的形式及运用途径等进行分析，３种技术手段对比见表１。

表格 1传统手段与激光扫描技术对比

从表１可以看出，选择全站扫描仪具有明显的技术优势。全站扫描技术相较于传统测量方式具有以下优势：１）测量效率高，每站覆盖面范围广；２）不受限制，可获取任意里程断面；３）精度有保证；４）获取海量点云数据、数字化程度高、成果用途拓展性强。

1.4三维激光扫描隧道断面测量数据采集

徕卡全站扫描仪与常规的三维激光扫描仪不同，集合了三维激光扫描仪和高精度全站仪的功能，只需要通过全站仪功能进行设站，开启扫描并设置扫描相关参数，就可通过仪器本身的自动化装置对空间内的目标以一定的采样密度进行全方位扫描，获得被测物体表面大量离散点的集合，这些点被称作“点云”。

1.5隧道超欠挖

１）隧道施工扫描测量程序可导出多种成果文件，包括隧道断面报告、超欠挖报告、方量报告、超欠挖断面CAD。

２）方量计算。计算任意断面间的点云方量、超欠挖方量、衬砌方量等。

３）随机检测。该仪器进行通信设置，使电脑和仪器连接，点击断面成果，该仪器可自动转到对应断面该点位置，该仪器测量任意位置，可在电脑实时显示该点位坐标、里程以及超欠挖值。

４）色谱点云定位锁定超欠挖区域。自定义超欠挖及隧道平整度颜色，软件可对每个点云进行色谱分析，通过颜色整体分析隧道超欠挖情况及隧道平整度情况，直观锁定超欠挖区域。若出现欠挖，可以导出欠挖区域坐标点，使用该仪器全站仪功能将欠挖区域现场放样。若开挖面出现超挖，可根据超挖方量，结合隧道围岩等级调整炸药量、炮孔深度等参数，达到控制超挖效果。

1.6隧道全断面变形监测分析

可通过对比同一隧道相同里程２期断面进行隧道的形变监测，通过数据分析生成监测对比报告。

通过对比可以看出，第一期拱顶５号点数值为超挖５２ｍｍ，第二期拱顶超挖数值为４８．３ｍｍ，拱顶沉降３．７ｍｍ，以此类推还可以选取拱腰两侧位置的点，进行收敛分析。这种方式不仅可以实现一种数据多种用途，还可以省去变形检测点埋设及施工破坏等带来的一系列问题。

2扫描精度及可靠性分析

2.1精度评定

为了检验扫描全站仪在隧道断面测量中的精度与可靠性，分别采用与高精度全站仪ＴＳ６０（测角０．５″，免棱镜１０００ｍ）全站仪对同一段隧道进行断面测量，比较两者的精度从而进行精度评定。利用全站仪进行隧道断面测量是传统作业方式，测量精度有保证，可以以其测量结果作为基准参考。

２．２该仪器可靠性分析

该仪器全站扫描精度是指扫描点的定位精度，结合三维激光扫描原理，由误差传播定律可得出扫描点各坐标分量中误差及点位中误差：

2.3效益分析

以该项目１ｋｍ隧道为例，设置扫描断面间距为１ｍ，每站扫描距离为７０ｍ，１ｋｍ大约需要257 min，本项目费用为：徕卡该仪器扫描成本约1638元，全站仪测量成本约10671元，节约费用约８５％，每千米节约9033元，市场价每千米大约３万元，每天可以扫描２ｋｍ，每天利润约５万元。

３结束语

基于该仪器高速影像全站扫描仪构建的隧道断面扫描系统能快速直观地获取基于隧道控制点坐标的隧道断面点位三维坐标，通过快速高效扫描镜头获取海量点云数据，在海量点云数据基础上进行数据处理及隧道断面超欠挖分析能够根据需要切取任意里程及任意密度的断面，满足隧道施工期间的任意测量要求，能够批量实现隧道断面对比、超欠挖计算、方量计算、隧道放样等主要测量需求，还可以实现变形监测、二衬厚度检测、二衬钢筋保护层厚度检等多种功能，从而实现隧道断面扫描的快速、精准和全覆盖，其精度可靠，方法可行，经济效益明显。

参考文献

[1]韦向高.全站仪免棱镜测距技术在隧道施工测量中的应用分析[J].运输经理世界,2022(15):101-103.

[2]周富春.弦线支距法在曲线隧道施工测量中的应用[J].铁道标准设计,2007(S2):113-115.