关为民

（中铁十六局集团有限公司 北京 100018）

1 引言

在工程施工测绘领域，三维激光扫描技术是继GPS技术之后的又一次技术革命。该技术是通过扫描采集点云数据，经处理分析后获取高精度、高分辨率的数字模型，进而利用生成的成果进行后续工作的综合技术，是快速创建三维影像模型的全新技术手段，使工程施工大数据应用成为现实。

2 工程概况

某高速铁路项目含长度超过10 km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 三维激光扫描技术

3.1 应用内容

（1）隧道超欠挖检测分析；（2）喷锚层平整度检测分析；（3）断面收敛监测分析；（4）隧道模型构建应用。

3.2 系统组成

（1）硬件配置：能输出*.pts／ptx格式数据的三维激光扫描仪；电脑（配置4G独显、16G／32G内存）；平板电脑（内存16G以上）。

（2）软件配置：电脑端和云平台软件。

3.3 工作原理

采用激光测距原理，快速获取待测物表面点的三维坐标（x，y，z）、反射率等信息，由大量点信息形成三维效果模型［1］。通过发射激光脉冲，同时接收反射信号，测量斜距S、垂直角α和水平角β，计算可得扫描点与测站的空间相对坐标（见图1），计算公式：

图1 扫描点坐标计算原理

式中：S为扫描仪激光中心点到扫描点的斜距；α为竖直角；β为水平角。

4 现场应用方案

激光扫描测量分为三个阶段：外业（扫描测量）、内业（数据处理）、检测成果输出。

4.1 工艺流程

三维激光扫描操作流程见图2。

图2 三维激光扫描操作工艺流程

4.2 测量实施方案

4.2.1 外业操作

激光扫描仪布置在中心轴线附近，在扫描仪前0.6～5 m内呈不规则三角形摆设3个球棱镜，放置于宽敞通视处，且每个球棱镜间距离不大于5 m，并保持棱镜面朝向全站仪，反光面朝向扫描仪，见图3。球棱镜架设完成后用全站仪测量棱镜坐标（此时棱镜常数和棱镜杆高度均调为零），保持球棱镜不动直至扫描完毕。测站间距小于30 m。

图3 扫描仪测量布置

现场要保证扫描范围内无干扰物，并严禁车辆和行人通过，避免影响扫描范围和精度。同时为减少全站仪因素造成的系统误差，数据采集过程使用同一台全站仪，由同一组测量人员完成操作，过程中确保全站仪的稳定性。

4.2.2 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［2］。

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［3］。

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［4］，见图4。

图4 隧道整体轮廓分析成果

4.3 成果输出

数据处理完成后，可输出三维效果图及各类检测结果报告、报表，直观地反映隧道超欠挖、平整度及断面侵限、收敛等情况。

超欠挖分析三维效果图可实现对隧道开挖的综合评价，用冷暖色对超欠挖情况进行立体展示，暖色代表欠挖，冷色代表超挖［5］，见图5。

图5 超欠挖分析三维效果及展开图

沿线路法线方向生成的隧道断面超欠挖分析报表，最小断面间距可达0.01 m，能显示断面详细信息，见图6。通过自动搜索功能准确定位欠挖部位，便于现场精确处理。可根据隧道断面信息，适当调整施工方法、工艺及预留沉降量等，做到动态控制［6］。

图6 系统生成的单断面超欠挖分析报表截图

在快速识别超欠挖的同时，可用于计算初支、二衬混凝土用量，有利于材料超耗原因分析。

4.3.2 平整度检测

高速铁路对初支平整度要求较高，扫描成果可将整条隧道表面影像图展开，用不同颜色直观展现隧道表面平整度［7］，见图7。黄色区域的平整度指数大于0.1（相当于采用1 m靠尺测量隧道表面所得到的最大凹凸不平度超过10 cm），桔红色到红色区域平整度指数为0.2～0.3。据此可知：整个区间段的边墙底部平整度较差。

图7 隧道初支平整度影像

4.3.3 断面检测（侵限控制、收敛监测）

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［8］。

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，对比断面间的投影距离，从而确定断面收敛数据，见图8。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1～2 mm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［9］；（3）隧道平整度指数较大，点云数据稀疏。

图8 断面收敛分析成果

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。

选择阀杆密封面与阀体底面的距离作为目标参数，目标参数在随履带运动时在不同时间位置对应的数值如图6所示。

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2 mm，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［9］，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。

5 三维激光扫描仪误差分析及误差控制

三维激光扫描技术可适应复杂的现场环境，为保障测量精度，通过多组扫描成果与全站仪实测数据进行对比，分析具体应用条件下误差产生原因，并据之进一步完善实施方案［10］。

5.1 现场对比测量试验方案

选取具有代表性的初期支护段落20 m作为试验段，选取特征断面3个，间距5 m，另设置特征标靶点4个，间距5 m，对称贴于待测段表面。

为对比分析扫描精度的影响因素，在不同测量条件下对试验段进行3组扫描，其中第一组测量时空气质量较好，测量条件最好，第二组空气质量一般，第三组空气质量较差；后视标靶球数量第一组4个，第二、三组2个。

测量步骤：全站仪测量特征标靶点坐标及特征断面→全站仪测量标靶球坐标→三维激光扫描仪进行扫描测量→全站仪复核测量。

5.2 两种方法下的标靶点坐标数据对比

针对4个标靶点，同时扫描测量三组数据，因篇幅原因仅列举2个点位进行数据对比（以全站仪测量结果为基准），见表1。

表1 标靶点坐标测量数据对比

对比最大偏差值，第一组为5 mm，第二组为17 mm，第三组为26 mm。从数据对比分析看，第一组测量数据精确度最高。

5.3 两种方法下的特征断面结果对比

因断面有效测点数较多，3个特征断面对比数据量较大，仅列举扫描断面极大值、极小值和平均值。以全站仪测量结果为基准进行对比，见表2。

表2 断面测量数据对比

由表2数据可知，第一组扫描数据与全站仪测量数据最为接近，精度最高。

5.4 误差原因分析

通过数据对比，第一组测量后视约束点位多、测量条件好，测量精度最高，满足规范及施工要求。导致误差的原因主要有以下几个方面：

（1）扫描仪自身精度误差，尤其是标靶球的定位精度误差，会导致球棱镜球面没有完全对准扫描仪，从而导致坐标拟合的球心偏移产生误差，属于后视误差，在扫描测量时会被放大。

（2）扫描点云数据需要经全站仪测量的坐标传递，存在两个误差源：一是受全站仪误差影响，二是受测量误差影响，尤其是测量中多为临时控制点的原因［11］。

（3）外界环境因素引起的误差，包括空气环境、施工作业环境影响等，如空气可见度、空气中粒子含量等因素的影响及施工产生的振动等外界因素影响。当外界环境比较恶劣时对扫描测量精度影响较大［12］。

（4）分析软件计算方法的差异产生的误差（在对比试验中选用2套内业处理软件进行数据分析对比），配套的软件与硬件能有效减少误差。

5.5 误差控制措施

在现有技术条件下，为提升测量精度，可采取以下措施：

（1）限定扫描段落长度，一般控制在20～30 m范围，并定期采用常规方法对三维激光扫描仪测量数据进行复核测量。

（2）做好三维激光扫描仪不定期检查和定期检测；选用高精度全站仪，减少全站仪测量中误差传递；适当增加后视标靶球数量，不少于3个，提高后视精度［12］；内业处理选用扫描仪配套软件。

（3）重视外部环境（空气质量、温度、湿度等）对测量精度的影响，并进行有效控制，避开施工高峰期等极端条件下的扫描作业。

（4）强化操作管理，测量人员要经过专业培训和经验积累，固定专人测量，减少人员操作误差。

6 结束语

通过成果对比，三维激光扫描仪的精度满足隧道施工需求，其外业操作简单，数据采集速率可达数十万点／s，单站测量时间小于3 min，传统测量方式难以比拟，且一次测量可同时获得用于隧道侵限、超欠挖、拱顶沉降、收敛变形等所需的点云数据，工作效率高。采用三维激光扫描技术是控制隧道施工超欠挖、避免和减少超欠挖造成返工和混凝土超耗的有效措施，也是及时掌握围岩收敛及断面变形状况和保证施工安全的可靠手段，已具备包括隧道在内的施工和监测领域广泛推广应用的基础和条件。