三维激光扫描技术在隧道界限分析中的应用.pdf
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1、工程技术建 筑 技 术 开 发 95Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月三维激光扫描技术在隧道界限 分析中的应用周熙俊(上海同济检测技术有限公司,上海 200441)摘要 三维激光扫描技术是一种先进的全自动、高精度、立体扫描技术。基于三维激光扫描技术对隧道初期支护及二次衬砌界面进行扫描,并通过平面展开分析方法对隧道界限及二次衬砌厚度进行分析,能够分析隧道整体的超欠挖情况及支护二次衬砌施工质量,具有检测更全面、结果更准确、干扰小、适应性强的优势,有利于指导施工,提高隧道施工质量。关键词 三维
2、激光扫描;初期支护;二次衬砌;超欠挖;厚度 中图分类号P 234.4 文献标志码A 文章编号1001-523X(2023)08-0095-04ADVANTAGES OF 3D LASER SCANNING TECHNOLOGY IN TUNNEL BOUNDARY ANALYSISZhou Xi-jun Abstract3D laser scanning technology is an advanced fully automatic,high-precision and three-dimensional scanning technology.Based on 3D laser scan
3、ning technology of the initial tunnel support and secondary lining interface,and analyze the tunnel boundary and secondary lining thickness of the tunnel and support construction quality,with more comprehensive detection,more accurate results,small interference adaptability advantage,is beneficial t
4、o guide the construction,improve the quality of tunnel construction.Keywords3D laser scanning;primary support;secondary lining;overbreak and underbreak;thickness隧道二次衬砌质量与初期支护、二次衬砌的施工质量密切相关1。如果在施工中发生初期支护侵限,二次衬砌厚度就会受到影响,造成二次衬砌厚度不足,隧道结构安全难以保证,二次衬砌轮廓是否侵入界限将会决定净空尺寸是否达到设计要求。对隧道初期支护及二次衬砌的轮廓界限进行检测,可有效保证隧道施工
5、质量。近年来,三维激光扫描技术凭借其高精度、高密度、自动化、可视化、全息全面等优点被广泛应用到隧道工程领域,并受到广大工程师及研究者的青睐。李勇兵等1提出了一种基于三维激光扫描技术的隧道变形监测以及检测技术,通过色谱分析法及模型对比法对隧道整体变形进行快速检测。赵海霖等2提出一种结合三维激光扫描技术优化预留变形量的方法,可对已开挖段进行整体监测、分析,动态优化调整各部位的预留变形量。曾健雄等3深入探讨了三维激光扫描技术原理、作业流程和精度验证,并在云茂高速隧道开展了拱顶沉降与周边位移、断面检测等应用。为了发挥出三维激光扫描仪在隧道检测中的优势,提出了一种基于三维激光扫描仪检测隧道初期支护二次衬
6、砌界限及厚度的方法,能够全面、精确、高效地进行检测工作,对同类工作的开展提供了一种新的方法,具有一定的实际意义。1 三维激光扫描技术三维激光扫描技术是一种先进的全自动、高精度、立体扫描技术,又称为实景复制技术,一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、数据处理平台及电源和其他附件构成。三维激光扫描技术的基本原理是通过激光测距仪发射激光,同时接受被测目标物表面反射的信号,扫描仪根据激光发射点和目标反射点之间的距离及方位角确定每个测点的三维坐标。随着扫描仪反射镜在垂直方向和水平方向的转动,形成密集的三维点云数据。被测点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义4,点数据
7、P的坐标信息包括三维坐标(x,y,z)和反射光强度值(i)。被测物体点云中任意一点的三维坐标可表示为:xyz收稿日期:20230330作者简介:周熙俊(1986),男,湖北黄冈人,工程师,主要研究方向为隧道与地下工程。工程技术建 筑 技 术 开 发96 Engineering and TechnologyBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月三维激光扫描系统是激光扫描测量工作的平台,按照不同的测距原理,可以将激光测距系统分为脉冲测距式、干涉测距式、激光三角法。采用的是Trimble SX10三维激光扫描仪,扫描仪采用脉冲式测距法原理,每秒扫描
8、26 600个点,测程可达600 m,配有全站仪测量功能,集高精度测量、影像和高速三维激光扫描于一体,如图1所示。zxyoSP(X,Y,Z)图1 三维激光扫描测量原理全站仪扫描仪一体化设计实现了后视控制点配准,无需布置标靶或者进行其他配准操作,能够极大地提高监测和配准效率。2 隧道初期支护界限及厚度检测方法及对比2.1 传统的检测方法传统的隧道断面轮廓检测方法通常是利用激光断面仪测量某一断面的轮廓并对比设计轮廓进行界限分析。尽管这种方法已经优于直接测量和全站仪测量的方法,但是只能检测单个断面,而各断面之间是否侵无法得知,工作效率和检测范围受到较大限制。对于隧道二次衬砌厚度检测,目前主要采用地质
9、雷达法。该方法通过在二次衬砌表面布置57条检测线,利用地质雷达采集数据,通过对数据图像的分析来判定二次衬砌厚度质量。该方法在实际工作中仍有一些不足具体如下。(1)地质雷达检测采用“以线代面”的方法,只能对测线覆盖的二次衬砌厚度进行分析,未被测线覆盖的区域厚度情况不知,同时难以对质量不合格区域的范围和面积进行精确描述。(2)地质雷达的电磁波信号容易受二次衬砌内部钢筋的影响,导致难以辨明初期支护和二次衬砌的分界位置,使二次衬砌厚度分析不准。有研究表明,当二次衬砌内部环向钢筋布设密集时(间距小于25 cm),初期支护界面信号被钢筋屏蔽,无法 识别。(3)实际工作中可能存在电磁波波速标定不准,导致二次
10、衬砌厚度分析存在较大误差。2.2 三维激光扫描检测方法为了解决传统检测方法的不足,提出了一种基于三维扫描技术的隧道界限分析方法,如图2所示。?图2 基于三维激光扫描的处理流程通过在隧道内设置两个已知大地坐标的控制点,利用后方交会设站建立坐标系,利用三维激光扫描仪扫描采集隧道初期支护轮廓和二次衬砌轮廓三维点云,点云经过去噪处理后在点云和设计网格模型上指定隧道检查点,分别计算检查点位置点云与隧道设计网格模型之间的距离,即可得到各点的超欠挖值,进而完成初期支护侵限和二次衬砌净空的分析。二次衬砌的厚度计算是通过对比根据两期点云分别生成的实际网格之间的距离,基本原理是通过各检查点的超欠挖值加上二次衬砌设
11、计厚度再减去二次衬砌净空的超欠挖值。对于数据分析方面,提出将扫描分析结果进行平面展开分析,即将隧道设计轮廓面沿着环向展开成水平面,假设该平面高程(超欠挖值)为0,其中x轴作为每个断面环向测点的分布,以距离左墙脚的距离表示,环向1 m间隔布设1个测点。y轴作为隧道走向的里程分布,z轴则代表各检查点的超欠挖值,进而通过各点的超欠挖值拟合出的平面近似得到隧道的轮廓面。当某个检查点的z值小于0则说明在该区域侵入设计界限,需要处理。通过这种处理方式,可更加准确定位到超欠挖的区间和具体的超欠挖值,而不只是某工程技术建 筑 技 术 开 发 97Engineering and TechnologyBuildi
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