三维激光扫描技术在隧洞检测中的应用
发布时间：2020-09-07
摘要：三维激光扫描是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命。它集实时性、主动性和适应性好的特点于一身。且无需和被检测对象直接接触，可以在很多复杂环境下应用。本文以某水电站导流涵洞实际工程为例，详述了三维激光扫描技术在隧洞工程检测、数字建模方面巨大的应用潜力。
关键词：三维激光扫描; 测绘;工程检测;
1 概述
隧道工程是我国铁路、公路的重要连接项目，项目的施工方法较多的采用了新奥法，新奥法最主要的特点是，可通过动态监测的方式，对地质条件中隧道围岩进行勘察监测，以获得精准勘察数据，做为隧道工程的支护结构设计和施工[1]。新奥法隧道施工中，隧道监控量测工作的质量与结果，对隧道施工的安全与进度，具有重要的指导作用。为了提升数据的准确性，真实的反映隧道围岩的地质结构，确保测量结果不出现偏差，克服现有监控量测工作缺陷，在测量上应用三维激光扫描仪，做为辅助检测设备，对隧道洞内加以监测，其可提高监控量测工作的速度与准确度，节省人力物力，有效促进隧道工程的施工建设。
2 三维激光扫描仪测量原理
三维激光扫描仪测量技术是我国目前较为先进的全自动高精度立体扫描监测技术，也是新型“实景复制技术”，其主要工作原理是应用空间定位系统，对目标进行测绘，获得数据的方法，这是继GPS技术的又一项新突破。三维激光扫描技术，以三维激光扫描获得的原始数据为点云数据，通过获取大量的点云数据，进行散点结合后形成测量结果。这种测量方式的适时性、主动性与适应性好[2]。
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应用三维激光扫描仪，通过高速精确的激光测距仪，引导激光并能够通过均匀角速度扫描的反射棱镜，通过激光测距仪主动发射激光并接受测量物体表层反射信号，每一个扫描点均能够获得一个扫描点的斜距，通过水平与垂直方向角，获得空间坐标，最后求出扫描点的三维坐标点[3]。
三维激光扫描仪主要是通过激光脉冲信号的发射，接触物体(目标点P)后并反转回接收器，获得目标与扫描仪之间的距离(S)以后，扫描仪内部控制编码器同步对每个激光脉冲横向扫描，角度横向观测值设为α，则纵向扫描角度观测值设为β。那么横向扫描面为X轴时，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。这样便可以获得P点的坐标[4]。
图1扫描仪坐标工作原理，三维激光扫描仪的快速扫描，获得高精度扫描点云数据，迅速进行三维建模和虚拟重现。这种技术在我国的各类工程项目中的应用较为广泛，例如对水利工程大坝的保护工程中，对大坝变形监测、地形监测上等用途广泛，三维激光扫描仪生成的测量结果具有可视化、直观的效果，然而三维激光扫描仪在隧道监控量测领域的应用研究仍为空白。
三维激光扫描仪(如图2)用于隧道监控量测最大的优势就是能够快速有效的反应整个隧道的变形情况而不仅仅局限于有限的几个监控量测埋设特征点。在隧道监控量测中每个隧道断面布设5个监测点。虽然能够通过这5个点的变形情况来推测整个断面的情况，但是相比之整个断面的变形情况仍然显得不够全面。
3三维激光扫描仪在隧洞检测中的应用
3.1三维激光扫描技术在某隧洞检测中的应用
(1)某隧洞检测目的与检测任务：
外观缺陷、体形检测和淤积探查，检查采用三维激光、人工调绘等方法。
外观缺陷和体形检测，首先采用三维激光扫描进行隧洞水上部分的全覆盖扫描，采集隧洞内壁三维数字化信息。结合人工调绘成果，分析与统计隧洞内壁表观缺陷的分布，了解隧洞体型变形情况及底板淤积情况。导流洞混凝土外观缺陷统计内容包括：①表面裂缝;②渗水;③冲刷、破损;④露筋等。
检测工作的实施
①采用全站仪通过控制点将隧洞监测控制点引到导流洞洞口附近，再通过支导线的方式将控制点引进隧洞内，作为三维激光扫描的定位基点;
②在导流洞内三维激光架设的附近放置3个定位标靶球，三维激光扫描前先用全站仪给标靶进行定位，获取定位标靶的坐标;见图3。
③从洞口开始，进行三维激光扫描，每一站需将洞口放置的定位标靶纳入三维激光扫描的视野范围内，通过定位标靶的坐标，将每一站的坐标转换到监测坐标系统下;
④以不大于20m的站间距依次完成整条隧洞的全覆盖扫描，确保不出现数据遗漏;
⑤以第一站为基准，通过每一站的三个定位标靶球进行点云数据拼接，生成隧洞的三维模型;
⑥在三维模型的基础上进行数据的解译和判读，识别洞内的缺陷，同时将实测数据和设计数据对比进行差异计算，分析隧洞洞身体型的变化情况;
⑦三维激光扫描成果的基础上，采用人工调绘(见图4)的方式对缺陷和变形进行人工复核和确认，进一步完善检查成果。
3.2洞身体型变化检查成果与分析
三维激光扫描仪对某隧洞进行全覆盖扫描检测，先可以进行断面扫描，然后可以生成的隧洞三维点云实测模型。根据该隧洞设计图纸建立三维模型，跟实测三维模型进行差异对比，整体上可以定量分析出隧洞的体形变化情况。
如图7(上)所示，导流洞拱底沿隧洞轴线方向，对比图纸设计建立的三维模型，表明靠近导流涵洞进口方向，底部淤积量较大，反之，靠近堵头端，淤积量小，拱底平整性较好。垂直于隧道轴向方向，靠近右边墙区域，淤积量大。靠近左边墙区域，底部淤积少，且在局部地方存在少量凹陷积水区(图7上)。图7(下)为导流洞某段形体变化差异图，由于三维激光扫描技术的高精度特点，可以直接精细描述一段隧道，定量描述底部淤积量情况，该段拱底洞身差异变化在0～1.33米这个范围(图6下中A区域)，且靠近堵头段60米范围淤积厚度相对稳定在0.7～0.8米左右(图4下中B区域)。按照同样的方法，估算出这整段导流洞洞身差异变化范围为0～2.86米，对比设计值，可以求出实际导流洞的洞身变化率在0.35%~3.55%之间。
3.3 导流洞隧道病害的识别
在导流洞隧道实际施工中，会出现一些隧道病害，表观上主要以裂缝为主，裂缝的存在会破坏隧洞的整体性，另外一方面会导致大量的钙质溶出，会使得相关部位的混凝土强度不断降低，威胁导流洞结构稳定。因此及时、精准的找出裂缝就显得尤为重要了。——论文作者：杨文洪
