樓慧元

【摘 要】依據(jù)獲取的監(jiān)測信息，結(jié)合經(jīng)驗反饋和回歸分析，合理確定支護時機和支護參數(shù)，確保施工安全及良好的經(jīng)濟性，有效評價圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并總結(jié)出圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的變形和受力變化規(guī)律，為隧道設計和施工提供參考。本文主要介紹了隧道三維點云施工監(jiān)測技術(shù)與應用，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】隧道；施工；監(jiān)測

一、監(jiān)測原理

隧道真三維點云施工監(jiān)測技術(shù)基于三維激光測量原理，所采用的激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，測距原理可分為三角法、脈沖法、相位移法和脈沖-相位移法，測量平臺可分為地面固定型、車載型、手持型及機載型。通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描，在測程范圍內(nèi)掃描視場范圍內(nèi)的反射體，進行空間坐標定位測量和點云特征采集，具有掃描度快、定位精度高和全景范圍實時測量的優(yōu)點。

二、數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復制技術(shù)，它是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復制出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術(shù)突破。

三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過程可分為以下步驟：（1）根據(jù)已知控制點放置好參考球或標靶；（2）打開三角架，正確安裝掃描儀器；（3）開機，設置測量項目和分辨率；（4）開始掃描；（5）文件檢查與瀏覽；（6）關(guān)機。

三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過程必須遵循以下原則：（1）儀器安裝位置一般應居監(jiān)測區(qū)近中間的位置，每個隧道監(jiān)測前必須提供不少于三個坐標控制點（k1，k2，k3，k4），儀器安裝位置如圖1所示；（2）控制點圖形優(yōu)選等邊三角形控制，三角形最小內(nèi)角不小于25°；（3）標志球位置采用強制對中措施，最大誤差不超過2 mm；（4）儀器鏡頭出現(xiàn)水印或面狀灰塵時，監(jiān)測數(shù)據(jù)視為無效；（5）儀器超出適用保護狀態(tài)時，監(jiān)測數(shù)據(jù)視為無效。

三、隧道監(jiān)測坐標系統(tǒng)與坐標轉(zhuǎn)換

四、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測成果

數(shù)據(jù)處理主要內(nèi)容是將噪點剔除，進行點云拼接等，獲取正確連續(xù)性的信號。處理方法可采用系統(tǒng)處理或人工處理，首先采用系統(tǒng)去噪消除背景干擾信號，再用人工局部處理刪除干擾信號。

成果文件輸出操作步驟：

（1）導入隧道標準模型數(shù)據(jù)，并進行模型封裝；

（2）導入隧道監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，并進行模型封裝；

（3）進行模型對比計算；

（4）進行任意斷面瀏覽查看；

（5）輸出隧道模型變形對比數(shù)據(jù)與顏色預警預報表；

（6）輸出隧道模型與監(jiān)測模型對比圖；

（7）生成隧道固定斷面圖；

（8）生成隧道斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)和對比數(shù)據(jù)；

（9）生成斷面侵限對比分析圖；

（10）生成隧道結(jié)構(gòu)應力監(jiān)測與預警預報圖。

五、工程應用與對比分析

本隧道所在區(qū)域地層構(gòu)造為青藏高原東南緣，是川滇菱形塊體、華南塊體和臨滄-思茅塊體的結(jié)合部位，全隧道7 377 m均為富水軟弱Ⅴ級圍巖，巖性為砂巖、板巖、灰?guī)r等，地層以不整合接觸為主，極易發(fā)生突水突泥事故。地表有水庫、鐵路、高速公路等特殊構(gòu)筑物，特別是富水條件Ⅴ級圍巖橫洞與正洞交叉段喇叭口施工控制難度極高，在施工過程中曾多次發(fā)生突水突泥事故，以及隧道周邊膨脹變形等地質(zhì)災害。

隧道施工三維點云信息化監(jiān)測系統(tǒng)自2014年在本隧道開始運用，主要功能是對監(jiān)測隧道進行數(shù)據(jù)信息采集、點云數(shù)據(jù)處理、坐標轉(zhuǎn)換、模型對比分析、變形對比分析和侵限對比分析等。

根據(jù)隧道設計文件可以在隧道坐標系中建立隧道標準模型，根據(jù)監(jiān)測到的點云數(shù)據(jù)可以行隧道開挖過程與標準模型的對比分析，確定隧道的開挖進度、方向和尺寸大小。圖3為隧道監(jiān)測模型與標準模型對比結(jié)果，圖中彩色部分為已開挖的隧道，顏色深淺處表示隧道超欠挖的多少和位置，圖4表示具體斷面的超欠挖尺寸和大小。

隧道施工三維點云信息化監(jiān)測系統(tǒng)可以進行任意時間段內(nèi)的隧道開挖過程與模型對比分析，本隧道三號斜井大里程不同時間隧道變形分析模型對比如圖5（圖中蘭顏色表示隧道右側(cè)收斂值，紅顏色表示隧道左側(cè)收斂值）所示，斷面侵限對比分析如圖6所示。，由隧道變形對比分析圖可知，本隧道三號斜井大里程在隧道開挖初期變形量較小，變形基本上是對稱分布的；隨著開挖后時間的增加，變形量逐漸增加，并出現(xiàn)不對稱變形。由圖6可知，隧道開挖后出現(xiàn)不對稱變形，左側(cè)多處侵限。

六、監(jiān)測數(shù)據(jù)精度對比與分析

為檢查和分析三維激光檢測系統(tǒng)的精度結(jié)果，采用Leica TPS1200全站儀測量結(jié)果與三維激光測量系統(tǒng)檢測的同一天不同測量斷面的測量結(jié)果進行了對比，對比結(jié)果如圖7所示。

光掃描儀測量，斷面測量數(shù)據(jù)精度均達到鐵路監(jiān)測規(guī)程規(guī)定的要求，二種方法測量結(jié)果吻合非常好，點位相對誤差均小于2 mm，高程相對誤差均小于2 mm。

2、測量數(shù)據(jù)對比分析

為衡量三維激光掃描儀的測量精度，采用全站儀和掃描儀分別測量同一隧道的斷面大小，并進行對比。由圖7可知，無論采用全站儀測量還是采用激光掃描儀測量，斷面測量數(shù)據(jù)精度均達到鐵路監(jiān)測規(guī)程規(guī)定的要求，二種方法測量結(jié)果吻合非常好，點位相對誤差均小于2 mm，高程相對誤差均小于2 mm。

結(jié)束語

隧道施工三維點云信息化監(jiān)測系統(tǒng)是隧道開挖過程中的監(jiān)測與分析系統(tǒng)，主要功能是數(shù)據(jù)信息采集、點云數(shù)據(jù)處理、坐標轉(zhuǎn)換、模型對比分析，變形對比分析和侵限對比分析；及時地掌握隧道施工過程中隧道的沉降和收斂情況、隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，為及時調(diào)整支護參數(shù)、確定二次襯砌最佳時機、修改設計提供可靠的依據(jù)；并對監(jiān)測成果進行分級預警預報、分級風險管理。

采用隧道三維坐標監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測到的點云數(shù)據(jù)進行隧道開挖過程與標準模型的對比分析，確定隧道的開挖進度、方向和尺寸大小。

三維激光掃描系統(tǒng)采用激光相位移測量原理，具有速度快、精度高等優(yōu)點。其測量結(jié)果與LeicaTPS1200全站儀對比表明，精度符合規(guī)范規(guī)定的相關(guān)要求，數(shù)據(jù)十分接近。

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