基于三维激光扫描技术在隧道超欠挖上的应用研究

基于三维激光扫描技术在隧道超欠挖上的应用研究

李锐罗意

（中铁十一局集团第四工程有限公司，湖北武汉430000）

摘要：本文利用贵南高铁都安隧道采集的断面数据进行三维激光扫描仪及全站仪的断面测量精度和断面测量的效率进行对比，得出三维激光扫描仪进行断面扫描精度能够满足断面扫描的要求，效率可以得到极大的提高的结论。

关键词：三维激光扫描；点云预处理；断面测量

1三维激光技术的应用及其精度对比

1.1测区概况

新建贵州至南宁高速铁路广西段GNZQ-6标都安隧道位于河池～都安区间，全长15152m，进口里程DK347+720，出口里程DK362+872，双线隧道，设计为人字坡，进口至DK350+000段为17‰（2280m）的上坡，DK350+000至DK352+600.775段为4.1‰（2600.775m）的下坡，DK352+600.775至DK354+700段为17‰的（2099.225m）下坡，DK354+700至DK362+800段为9.5‰的（8100m）下坡，DK362+800至出口段为平坡（72m）。本隧洞身穿越地层以灰岩、白云岩为主的可溶岩地层，地表呈峰丛地貌，洼地、落水洞发育，全隧共穿越1条断层、1处向斜、1处背斜、4条节理密集带。

1.2数据预处理

本次试验采集数据在都安隧道进行，数据采集采用FAROFOCUS70相位式三维激光扫描仪，仪器有效测距为0.6-70m，采点速度为180万每秒，扫描视角为360°*320°。如下图所示为对点云数据进行数据的预处理，处理内容包括点云数据的压缩、拼接、去噪等操作。此次试验站间距为25m左右，采集了两站数据总耗时20分钟，站与站直接原始数据的拼接使用球棱镜，绝对坐标转换采用全站仪测取球棱镜的方式获取。预处理成果如下图3.1所示。

图3.1点云数据预处理成果

由于站点之间距离较近，且用的球棱镜标靶，所以拼接数据误差较小，重合率较高。下表为拼接报告误差统计。

表3.1点云数据拼接误差统计

1.3数据后处理

数据后处理采用的是隧道三维监测软件，该软件实现了隧道断面检测和超欠挖分析。进行点云数据分析之前，需要进行相应数据的导入，如左图所示，需要导入的数据有：1.与现场匹配的初支和二衬设计数据；2.隧道的平曲线参数3.隧道的纵曲线参数。

在点云数据导入之后，对点云数据进行色谱分析，色谱分析是通过隧道超欠挖定量分析，通过设定不同的阀值来控制显示区域的面积和显示颜色，这样可以定量并且直观的分析出施工质量相关的一些问题，作为施工质量把关的一种参照，图3.2为色谱分析图。

图3.2隧道超欠挖色谱分析图

隧道超欠挖体积以标签形式显示，其中蓝色为超挖部分，红色为欠挖部分。其次通过隧道三维监测软件进行三维点云内任意里程断面的提取，断面检测结果导出（.dwg）、3D对比和超欠挖报告定制化输出。

2与全站仪+断面仪采集超欠挖数据对比

通过提取与全站仪所采集相同里程断面，本次试验对两种方法所采集的数据进行了对比，下图为全站仪+断面仪所采集数据所生成的断面分析图和利用三维激光扫描仪采集数据生成的断面分析图。所取断面里程均为DK362+770。

全站仪+断面仪方法及三维激光扫描仪方法生成的断面,对其数据进行对比，对比结果

如下表所示：

表3.2两种方法数据对比表

由两种方法超欠挖成果数据以及隧道现场的实际情况对两种方法进行比较分析，主要有以下几点：

（1）由于三维激光扫面面积计算是用三角网算法，点云之间的距离间隔较小，面积计算更为准确，与实际面积相差较小，全站仪+断面仪的断面数据采集方式，采用的平滑算法，当间距过大时与实际面积相差较大。

（2）从超欠挖距离进行分析，三维激光扫描所用的点云数据点云密度较为密集，所采集的断面数据随机性较小，而全站仪+断面仪的模式采集间距过大，存在一定的偶然性。

（3）通过数据分析，可以看出三维激光断面扫描能够满足隧道断面扫描的要求，而在实际操作过程中三维激光进行断面扫描能够大幅度的缩短工作时间提高工作效率。

3.结束语

本文对新建贵州至南宁高速铁路广西段GNZQ-6标都安隧道分别利用三维激光及全站仪进行隧道断面扫描，结果表明三维激光扫描技术在隧道断面扫描上较全站仪能够在扫描精度上有所提高，在扫描效率上能够大幅度缩短工作时间，减少人力投入，提高断面扫描效率。同时，三维激光扫描后处理软件还是存在许多半人工半智能化的人机互动，如果能够提高其自动化及功能集成化，能够进一步提高工作效率，更好的应用于各类测量项目中。

参考文献

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