本站小編為你精心準(zhǔn)備了三維激光技術(shù)在隧道施工的應(yīng)用研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：針對(duì)隧道施工中經(jīng)常發(fā)生的超欠挖問題，文章引入了地面三維激光技術(shù)，以某隧道工程為例，闡述了三維激光技術(shù)在隧道超欠挖施工中的應(yīng)用方法。實(shí)踐證明：采用三維激光技術(shù)進(jìn)行隧道超欠挖分析，既能保證測(cè)量放樣隧道中線和標(biāo)高的準(zhǔn)確性，又能定制化輸出分析結(jié)果，方便了施工管理，與傳統(tǒng)方法相比有較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：隧道施工；三維激光；超欠挖分析

引言

近年來，隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展，各類型的隧道越來越長(zhǎng)、越來越復(fù)雜。隧道開挖是公路、地鐵等大型基礎(chǔ)工程建設(shè)的重要施工環(huán)節(jié)之一。隧道按設(shè)計(jì)要求開挖是隧道施工的關(guān)鍵步驟，不論是超挖還是欠挖都會(huì)延誤工期增加施工成本。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段如全站儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)量機(jī)器人等均存在效率低的問題，都是基于點(diǎn)的測(cè)量不能整體反映隧道形態(tài)變化等劣勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)在業(yè)內(nèi)有“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”的美譽(yù)，是測(cè)繪地理信息領(lǐng)域繼“GPS定位技術(shù)”后的又一項(xiàng)重大技術(shù)革新［1］。三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)測(cè)量中由點(diǎn)到線、再由線到面的單點(diǎn)作業(yè)模式，能快速獲取被掃描物表面的海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的跨越。三維激光掃描屬于非接觸性測(cè)量，無需與被測(cè)物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。另外伴隨著點(diǎn)云處理技術(shù)的快速發(fā)展及軟件使用的簡(jiǎn)便化，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只需經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理即可直接使用，大大降低了使用難度，十分適用于隧道施工建設(shè)。目前三維激光掃描技術(shù)在隧道建設(shè)的施工測(cè)量、斷面測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、竣工測(cè)量、三維地理信息系統(tǒng)等方面越來越受到重視。

1三維激光掃描原理及應(yīng)用

1．1三維激光原理

三維激光掃描是從激光測(cè)距儀發(fā)展來的。單點(diǎn)激光測(cè)距儀出現(xiàn)了50多年，價(jià)格已經(jīng)很便宜，但是只能針對(duì)特定點(diǎn)單點(diǎn)測(cè)距。如果將激光測(cè)距儀安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨著旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，點(diǎn)狀的單束激光就會(huì)測(cè)出一個(gè)截面信息，得到了二維激光雷達(dá)掃描。將點(diǎn)狀的單束脈沖激光，在進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，垂直方向也進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就得到了三維激光雷達(dá)掃描［2］。三維激光掃描儀的關(guān)鍵部件有激光發(fā)射器、掃描控制模塊器、距離測(cè)量模塊、水平發(fā)射鏡和垂直反射鏡等感應(yīng)器［3］，其基本組成見圖1。圖1三維激光掃描儀基本組成圖

1．2三維激光技術(shù)在隧道方面的應(yīng)用

1．2．1竣工測(cè)量竣工測(cè)量的主要內(nèi)容包括：超欠挖斷面分析、斷面收斂、侵界檢測(cè)、隧道中心軸線、砌襯厚度、方量測(cè)量、材料用量和工程量分析等。1．2．2斷面測(cè)量隧道斷面測(cè)量主要內(nèi)容包括：隧道中心線生成；隧道斷面參數(shù)設(shè)定（其中包括隧道斷面位置設(shè)置、隧道斷面屬性設(shè)置以及斷面提取位置設(shè)置）；分析成果報(bào)表輸出。1．2．3變形監(jiān)測(cè)隧道變形監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包括：全面斷面收斂分析、中心軸線偏差、線路侵界、隧道滲水、裂縫、鋼筋裸露異狀等多種分析。1．2．4三維建模采用當(dāng)前成熟先進(jìn)的三維建模技術(shù)，構(gòu)建項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的三維模型，包括隧道內(nèi)及附屬機(jī)電設(shè)施模型。

2地面三維激光在隧道超欠挖中的應(yīng)用

隧道超欠挖分為超挖和欠挖兩種形式。當(dāng)隧道開挖輪廓線大于隧道設(shè)計(jì)輪廓線時(shí)即是超挖；而當(dāng)隧道開挖輪廓線小于隧道設(shè)計(jì)輪廓線時(shí)即是欠挖［4］。想要判斷隧道是否超欠挖，首先需要計(jì)算隧道的設(shè)計(jì)面積，然后計(jì)算實(shí)際開挖后截取斷面的面積。控制超欠挖主要是開挖輪廓線（或周邊孔線）的精度要控制好。由于測(cè)量錯(cuò)誤引起的超欠挖在隧道施工中將是致命的，必須規(guī)避此類風(fēng)險(xiǎn)［5］。某隧道采用爆破的形式開挖。開挖后在洞壁上布設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后再噴射水泥澆筑來完成一襯，一襯和二襯之間還有40cm的支護(hù)厚度，一襯結(jié)束后要保證二襯的水泥厚度。所以一襯的水泥襯砌厚度要得到控制，超挖沒有問題，欠挖區(qū)域需要鑿下去。在項(xiàng)目開展過程中采用三維激光技術(shù)進(jìn)行隧道超欠挖分析，既能保證測(cè)量放樣隧道中線和標(biāo)高的準(zhǔn)確性，也能定制化分析結(jié)果輸出，方便了施工管理。主要作業(yè)步驟如下：（1）數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。項(xiàng)目中采用一臺(tái)相位式三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，測(cè)距范圍0．3～187．3m，采點(diǎn)速率：101．6萬／s；內(nèi)置相機(jī)：全景8000萬像素（HDR技術(shù)）；掃描視角：360°×320°。三維激光掃描儀作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用全站儀獲取標(biāo)靶的絕對(duì)坐標(biāo)，輔助后期三維激光掃描數(shù)據(jù)的絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用設(shè)備自帶的LASERCONTROL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要進(jìn)行站點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接、去噪、絕對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、各種常見點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)出等預(yù)處理工作。軟件界面如圖2所示。（2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)套合。主要完成設(shè)計(jì)斷面和設(shè)計(jì)中軸線的套合工作。具體而言首先將隧道的一襯設(shè)計(jì)斷面從CAD中提取出來，做成一條閉合的多段線（主要是為了在3DReshaper中制作閉合的設(shè)計(jì)模型），通過道路設(shè)計(jì)要素（道路設(shè)計(jì)要素一般都是由設(shè)計(jì)院給出的，包括平曲線要素表、豎曲線要素表、斷鏈表）來計(jì)算逐樁表，然后在CAD中生成設(shè)計(jì)中軸線（見圖3）。（3）隧道斷面檢測(cè)和隧道超欠挖數(shù)據(jù)處理。將設(shè)計(jì)模型、設(shè)計(jì)中軸線、實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)套合在一起，按照設(shè)計(jì)中軸線進(jìn)行切片，在斷面上顯示按照設(shè)計(jì)模型的法線方向計(jì)算設(shè)計(jì)模型和實(shí)測(cè)模型之間的距離。通過設(shè)置斷面切片間隔、起始里程值、超欠挖色譜等，對(duì)比結(jié)果導(dǎo)出．dxf格式數(shù)據(jù)文件。斷面數(shù)據(jù)可清晰反映各個(gè)區(qū)域的變形量，方便分析和評(píng)估變形帶來的安全隱患（如圖4所示）。通過設(shè)定不同的闕值來控制顯示區(qū)域的面積和顯示顏色，定量并且直觀地分析出與施工質(zhì)量相關(guān)的一些問題，作為對(duì)施工質(zhì)量把關(guān)的一種參照。此外，也可以按照里程方向依次顯示隧道超欠挖體積，并以標(biāo)簽方式定量顯示。圖43D隧道超欠挖分析色譜定量分析圖（4）隧道對(duì)比檢測(cè)結(jié)果和隧道超欠挖體積分析成果和報(bào)告導(dǎo)出。利用3DReshaper軟件制作形式多樣的分析成果報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行報(bào)告的定制化輸出，方便施工單位和監(jiān)理單位進(jìn)行施工質(zhì)量檢查，指導(dǎo)后期對(duì)欠挖區(qū)域進(jìn)行處理。例如根據(jù)施工單位需要，將隧道欠挖區(qū)域的坐標(biāo)值和欠挖體積量導(dǎo)出到EXCEL，方便以后在實(shí)地指導(dǎo)施工中使用；將軟件分析出來的欠挖區(qū)域的坐標(biāo)用標(biāo)簽的形式標(biāo)注以指導(dǎo)施工作業(yè)；將斷面對(duì)比成果導(dǎo)出成DXF文檔，作為監(jiān)理方檢測(cè)成果資料等（見圖5）。圖5超欠挖體積分析展示圖

3結(jié)語

利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)在建隧道進(jìn)行超欠挖分析，結(jié)果表明：（1）與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，三維激光掃描技術(shù)不僅可以保證設(shè)計(jì)施工所要求的測(cè)量精度，更具有數(shù)據(jù)采集效率高、數(shù)據(jù)全面性強(qiáng)、結(jié)果可三維立體化展示等特點(diǎn)。（2）使用3DReshaper軟件制作形式多樣的分析成果報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行報(bào)告的定制化輸出，應(yīng)用于隧道開挖相關(guān)的施工流程，可以為隧道超欠挖分析提供更完備、更精準(zhǔn)、更多樣化的數(shù)據(jù)服務(wù)。（3）三維激光掃描技術(shù)不僅有效地提高了測(cè)繪作業(yè)的效率，而且提升了隧道施工測(cè)量的安全性。隨著我國(guó)對(duì)隧道建設(shè)質(zhì)量要求的日益提高和對(duì)工程安全意識(shí)的日漸重視，三維激光掃描技術(shù)必將成為一種重要的隧道測(cè)量技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

［1］馬立廣．地面三維激光掃描儀分類與應(yīng)用［J］．地理空間信息，2005，3（3）：60－62．

［2］沈?qū)帲S激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究［D］．濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2017．

［3］許海東．激光掃描儀在油田三維系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014（1）：227．

［4］謝振紅．Excel在隧道超欠挖計(jì)算中的應(yīng)用［J］．吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（1）：41－44．

［5］鄧江．貓山公路隧道工程技術(shù)［M］．北京：人民交通出版社，2002．

作者：侯海元 單位：廣西交投科技有限公司