浅谈3D扫描在隧道施工中的应用

浅谈3D扫描在隧道施工中的应用

陈安飞

431121****1021441X   云南省昆明市   650000

摘 要:在隧道矿山法施工中，由于超欠挖难以精确控制、喷浆机械手操作水平不一等因素，可能导致隧道施工质量、成本难以控制。为进一步提加强施工过程控制，在隧道初支和二衬工序后，利用3D扫描仪器测量隧道轮廓线，并对隧道初支平整度和二衬厚度进行复核，调整施工措施，可减少隧道缺陷，有效控制隧道施工质量和成本。

关键词：隧道施工测量；3D扫描；预留沉降量；施工成本

引言

在中国高铁快速发展，高速铁路从设计上要求线路“平”、“直”，桥隧比逐渐升高。隧道新奥法施工穿越各种岩层，需要克服二次衬砌厚度不足、背后脱空的“红线”问题，留沉降量过大，导致超挖、超耗过大，使施工成本增加的问题。

本文以渝昆高铁长房子隧道施工为背景，介绍采用3D扫描技术在隧道施工的应用，主要从做法、优点和成效方面阐述。

1.工程概况

新建重庆至昆明高速铁路宜宾至嵩明段站前工程YKYGZQ-7标段，位于昆明市寻甸县境内，起讫里程DK613+735.68～DK643+168.78，全长29.433km，其中长房子隧道DK627+275至DK631+560，正线全长4.315km。暗洞衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式，初期支护以锚杆、钢筋网、钢拱架及喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防水排水夹层。项目测量工作分为两级管理，即施工队测量组负责施工放样，项目部测量组复核。

2.主要做法

2.1扫描施工工序流程

在隧道施工中，项目测量组主要对初支超欠挖、二衬台车定位和二衬成品净空进行复测。

图1隧道3D扫描施工工序流程

2.2扫描在隧道中应用

（1）通过输入设计线路参数和隧道初支、二衬断面，建立设计信息。为消除施工过程中控制网传递误差、台车模板微变形等影响，采用初支和二衬参考断面同时放大5cm控制施工。设计二衬内半径6.65m，每米多挖土方1.29~1.33m³，混凝土浇筑多0.07~0.08m³。

表1放大5cm对隧道净空影响统计表

（2）仪器架在待扫段落或范围前后，设站完成后进行扫描获得点云。项目部采用天宝X7扫描仪对隧道断面进行扫描，前后30m点约占总点云的75%以上，隧道属于带状工程，扫描受里程影响较大，距仪器越近区域扫描点位最密，即距离仪器太远的数据不能有效的反映隧道轮廓。在扫描隧道断面时首选低密度扫描，减少扫描用时，约1~2分钟完成扫描，点位在150~600万个。通风条件正常时一次可扫描前后约30m，可见度差时尽量缩短仪器与待扫区域的距离。

图2扫描3D点云模型

（3）对扫描3D点云模型进行处理，截取本次扫描的里程段落，套入设计信息进行过滤，剔除非初支或二衬干扰物，剔除时根据现场实际情况进行多次试算，得到真实超欠挖。截取段落点云太稀，明显有较多空洞、无数据时，需减少仪器与目标区域的距离，重新扫描。扫描完成的点云需对钢筋和风筒等进行过滤，得到反映隧道实际情况的点云。

图3过滤得到目标段落点云

通过点云对初支平整度进行分析，低于项目部规定的95%平整度初支应在施作防水前进行处理并复测合格，平整度过低直接导致防水板背后脱空，不利于二衬质量控制。

（4）采用不同颜色对点云进行渲染，直观显示超欠挖情况，现场放样激光指示出欠挖区域，对应处理，完成后立即进行复核。前期对于初支扫描放样出的点位，采用全站仪进行复核超欠挖情况。

通过同一隧道的相同围岩级别内施工情况，分析初支超欠挖情况，指导得出隧道开挖的优化预留沉降量，确保初支、二衬厚度情况下，减少混凝土超耗量，控制施工成本。

（5）隧道二衬厚度检测

二衬厚度是否满足设计要求，在无空洞的情况下某部位的厚度值是多少，主要采用施作防水板前的初支扫描点云与二衬浇筑完成脱膜后扫描同里程段点云对比，计算出差值即二衬厚度。同样可以通过二衬浇筑完成脱膜后扫描点云与设计断面对比，得出二衬是否侵线。在隧道管控中严禁出现厚度不足情况，当初支扫描结果存在侵线应及时处理，当初支描结果刚好在临界值并且不是因喷浆过厚导致，应在台车定位时适当内收1~2cm，前期外放了5cm并不影响设计净空。

图4二衬厚度分析图

（6）二衬方量计算

以二衬浇筑的每板作为一个小单元，快速核算计划浇筑混凝土量，采用初支扫描断面与台车定位理论（或实际）断面对比，分析出此板二衬浇筑理论方量，再与实际浇筑方量对比，得出是否存在脱空情况。

式中  A-比值；

V1-实际浇筑方量（m³）；

V2-理论浇筑方量（m³）。

考虑二衬中的钢筋体积和防水板厚度，A值应在0.95~1之间，小于0.95有存在二衬脱空和不密实的质量问题，大于1可能存在漏浆、堵管浪费的情况，通过A值反推问题与实际发生情况相互验证。

图5二衬混凝土方量对比趋势图

（7）隧道轴线偏差

利用扫描的点云数据得出一定距离间隔的断面，再拟合出各断面的隧道左线坐标，并与设计线路进行比较，按照规范要求分析其偏差是否满足规范要求。

2.3技术要点

（1）在数据处理平板中正确输入线路平、纵曲线、断链、设计断面等，输入后按规定进行复核，试算无误后使用。

（2）最后一次初支测量扫描须在初支侵线和不平整处理完成且二衬防水板铺挂之前进行，更有利分析二衬的厚度。

（3）对于矮边墙预留钢筋、风筒、行走人员和机械进行数据处理、剔除。

（4）控制合适的扫描成果控制采点率，点位越多精度越高，点位太稀只具有局部代表性，不能系统体现实际情况。

（5）通过3D扫描对现场预留沉降量控制提供数据支撑。

3.采用3D扫描施工优点

（1）全方位扫描，测量时间短，测点覆盖面广。

全站仪测量隧道断面时，按照软件规定间距或是观测者人眼识别测点欠挖点，测量结果只具有一定代表性，存在复核不全面的缺陷，测量复核具有局限性。使用3D扫描仪对隧道开挖、初支断面进行全方位扫描，测量时间短，测点覆盖面广，计算结果精确得到保证。

（2）快速进行数据后处理，减轻人员计算劳动强度。

使用3D扫描仪自带软件对扫描出的点云进行分析，快速进行数据后处理，减轻人员计算劳动强度。软件成图明朗清晰，通过不同颜色显示可以看出各区域的超欠挖和平整度。

图6不同颜色直观显示超欠挖情况图

（3）提高施工功效。

根据软件计算成果，可快速放样超挖区域及不平整部位，提高施工功效。

（4）快速核算计划浇筑混凝土量，并指导得出隧道开挖的优化预留沉降量。

4 实施效果

长房子隧道采用3D扫描测量对隧道施工进行控制，主要取得以下几个成效：

（1）减轻了测量劳动强度。长房子隧道出口工点测量人员主要工作是监控量测工作和测量复核工作，工作任务量大。使用3D扫描仪后，减轻了工作强度和测量人员数量的压力，目前项目测量组在本工点安排1名常驻专职测量人员，各项测量工作正常开展。

（2）初支平整度得到有效控制。二衬防水挂设前，使用3D扫描仪对初支进行扫描，及时处理不平整初支，有利于防水板与初支密贴，减少二衬防水板背后脱空的质量缺陷。对长房子隧道初支扫描4030m，施工防水前平整度为96.84%,通过自检及三检未在此段落发现“二衬背后脱空”的缺陷。

（3）保证二衬厚度。使用3D扫描后，及时进行欠挖缺陷处理，可有效避免二衬厚度不足的质量缺陷。通过二衬施工前初支轮廓与二衬脱模后的轮廓对比分析，未发现隧道欠厚缺陷，与试验检测结果一致。

（4）节约施工成本。项目部通过长房子隧道出口前期进洞施工的二衬系统分析，设置的预留沉降量存在缩小的空间，初支预留沉降量缩小3公分每板二衬约减少10m³混凝土超耗量，结合监控量测变形累计数据，进洞段预留沉降量25cm，现调整至现在的7cm，相对进洞段平均每板二衬节约混凝土约58m³，大大节约施工成本。

5结论

隧道施工中应用3D扫描技术，采用3D扫描仪器和配套处理软件，可对隧道喷射初支混凝土、二衬浇筑等施工工序进行精细控制和检测。具有测量效率高，测区范围测点覆盖全面，数据分析快，显示直观，超欠挖区域放样快等优势，能更好指导现场施工，准确卡控各道施工工序的施工质量，即能做到满足设计尺寸和轮廓要求，又能精细控制预留沉降量，从而尽可能减少二衬混凝土损耗，控制施工质量和施工成本。

参考文献

[1]吴勇，王勇，张永杰.香丽高速某破碎围岩隧道预留变形量研究.公路交通科技，2018.

[2]匡志威，杨志敏.地铁隧道断面测量及质量检查方法.城市勘测，2019

[3]赵守东.隧道二衬缺陷及病害整治处理及其防治措施分析.新型工业化，2022.