应用3D激光扫描仪监控隧道围岩
应用3D激光扫描仪监控隧道围岩
刘金德
【摘要】3D激光扫描仪在隧道内的围岩监控量测；隧道的安全监测；工作流程及数据处理。
【关键词】三维激光扫描仪 隧道围岩监控 工作流程
1 前言
随着国内拉动内需政策的执行，铁路、高速公路、高速铁路、地铁等工程项目相继开工，随之而来的大批隐蔽工程正如火如荼的进行施工，安全问题越来越被列入最重要的施工问题。隐蔽工程如隧道、地铁的开挖，围岩的稳定性、安全性成为施工安全隐患的根源。如何安全、有效、便捷的控制隐蔽工程中围岩的稳定性、安全性的问题得到广泛关注。ILRIS-3D激光扫描技术原理是将实际的物体以点云的形式转换到电脑当中，用以进行编辑、测量、对比、实物建模等后续的数据处理工作。单从围岩监控量测功能上来说，这台仪器完全运用一种逆向的思维工作流程。隧道的掌子面开挖后，整个开挖面完全是不规则的形体，没办法将其真实的记录、监控。传统的围岩监控量测办法是运用全站仪，在拱顶及边墙处埋点，通过每天观察预埋点的变化，来判断围岩的变化，这是以点盖面的错误理论。而ILRIS-3D激光扫描仪则是真实记录开挖后整个拱顶及边墙的实际数据，通过与上一次扫描结果的对比，整段围岩任意点的变化都将被显示，做到了真正意义上的围岩监测。3D激光扫描仪的应用，为隐蔽工程的安全做到保驾护航！
2 工做特点
2.1作业程序时间短，工效高，不影响施工工序。利用隧道放炮、出渣后，测量人员进行测量的时间，即可完成扫描工作。
2.2仪器设备简单，操作方便，无需埋点。ILRIS-3D激光扫描仪的高频率激光点扫描更是主要特点之一，它每秒钟发射2000个激光点，假设扫描10分钟，我们就会获得120万个激光点的信息，这与传统的单点测量比较，显而易见。
2.3及时反映监控情况，数据图形直观。并不需要多次的观测与数据积累来判断围岩变化情况，只需要两次，后一次与前一次对比，围岩每一点的变化情况完全反应出来，而且数据、图形直观，更快、更全面的反应围岩的变化情况，给隧道施工带来更安全、正确的指导。
3 适用范围
ILRIS-3D激光扫描仪适用于铁路、公路隧道的围岩监控量测，桥梁的监控量测，地铁施工中的变形监控量测，工民建中基坑的变形监控量测。由于将激光扫描仪应用于工程上在国内乃至世界上都是第一次，所以我们正摸索着将这台仪器应用于工程的更多方面。
4 施工工艺
4.1 工艺原理
3D激光扫描技术原理：ILRIS-3D三维激光扫描系统可以深入到任何复杂的现场环境及空间中，通过三维激光扫描直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维实体模型，同时，所采集的三维激光点云数据还可将目标的完整数据用于各种后处理工作（如：测绘、计量、应力分析、有限元分析、仿真分析、任务模拟、…等）。ILRIS-3D激光扫描技术原理是将实际的物体以点云的形式转换到电脑当中，用以进行编辑、测量、对比、实物建模等后续的数据处理工作。单从围岩监控量测功能上来说，这台仪器完全运用一种逆向的思维工作流程。隧道的掌子面开挖后，整个开挖面完全是不规则的形体，没办法将其真实的记录、监控。传统的围岩监控量测办法是运用全站仪，在拱顶及边墙处埋点，通过每天观察预埋点的变化，来判断围岩的变化，这是以点盖面的错误理论。而ILRIS-3D激光扫描仪则是真实记录开挖后整个拱顶及边墙的实际数据，通过与上一次扫描结果的对比，整段围岩任意点的变化都将被显示，做到了真正意义上的围岩监测。在隧道内包括边墙在内进行全断面扫描，开挖后立即进行第一次，待第二次扫描后与第一次扫描进行对比，得出整个断面的变化图形，所有变化均包括在内，随即导出数据。第三次扫描再与第二次进行对比，直至变形量达到要求，或保持稳定为止，最终形成回归曲线及数据，形成报告。
4.2 工艺流程
施工准备-控制点放置--控制点坐标读取-- 选定仪器位置-扫描断面-数据转换-软件处理-对比处理-得出报告
4.3 施工工艺简要说明
4.3.1施工准备
A 待隧道放炮、出渣结束，进入现场掌子面，准备采集第一手数据。
B 自制标识订制与校准。
C 仪器及电池的检查。
D 现场及环境的安排。
4.3.2 正式扫描
A扫描位置选择与隧道内环境状况
进入隧道后首先选取合适的扫描的位置，初步确定架设仪器的高度，以便能更全面的采集到不规则洞壁的更多信息。隧道内的环境问题亦是影响扫描精度的很重要的原因，为不影响施工进度，耽误下一道工序的时间，必须及早进行通风。
B系统自检与仪器连通状况
快速将仪器连接上，测试连通情况，并快速进行系统自检，以保证仪器可以正常工作。
C自制标识安置及中心点测量
将自制标识即控制点，选取合适的位置，要放在适合仪器扫描的角度上，也要适合测量人员方便打点。摆放完毕后，通过全站仪，快速读取中心点数据。
D控制人员及车辆走动
尽量控制人员及车辆通过仪器正前方，以免影响数据点接受，影响扫描结果。
E调节激光点距离、扫描区域开始扫描
仪器打开后，调节高度和角度，使其对准待扫描的区域。控制仪器，调节激光点间距，确定扫描间距和时间，开始扫描。
图三 扫描后结果
4.3.3 数据处理
数据处理大致分为三个步骤：扫描数据的转化、点云的处理和结果对比，详细流程如下：原始数据的获取-辅助软件的转化-点云的导入-焦距及有效距离的选择-扫描数据的拼接重组-软件对标识中心点的自动获取-对中心点进行标记处理-标识中心点坐标的整体输入-点云的叠加处理-软件自动对比-对比报告的生成
4.3.3 数据分析
ILRIS-3D激光扫描仪采集到的数据通过Parser软件的转化，然后转让polyworks软件，以下为数据分析过程：
A将数据导入软件，将每个图像进行细分，调整图像的采样系数、焦距、焦距间距、最大有效距离来调节每个图像的有效数据；
B数据导入后并不是完整的现场现状，选定一个基准图像，将其他图像隐藏，再逐一调出相邻图像进行拼接，最后形成完整的现场图像，再将拼接后的整体数据进行错误消除；
C标记途中扫描下来的标识点；
D将整体图像内的多余部分进行清理，只留下需要对比的有用数据；
E将上次扫描结果调出，进行对比分析并生成报告。
5 质量控制
5.1 严格按照铁路、公路、高铁相关规范和其他有关规程进行施工及验收。
5.2 掌子面的环境即可见度必须得到保证。
5.3 标识牌中心点读数必须准确。
5.4 仪器的角度及位置尽量布置合理，以保证接受的数据效果最好。
5.5 扫描前仪器设置，激光点间距尽量拉小，以保证足够的数据量，减少误差。
5.6 尽量控制仪器镜头前有人或车辆通过，以保证扫描数据的质量。
5.7 制定相应的质量保证体系。
6 安全措施
6.1 必须待掌子面排险后进入施工现场，防止拱顶掉块，砸伤人员，砸坏仪器。
6.2 配齐安全防护用品，经常学习隧道安全知识，以便应付突发事件的发生。
7 效益分析
7.1 本工法工艺简单，节约造价，操作灵活，安全可靠。
7.2 三维激光扫描技术属于非接触性测量，无需埋点等接触操作，
即安全又省事且不用担心所埋点被破坏。因为不需要任何耗材，所以间接节约了成本。
7.3 机械设备简单，节省劳力，机具可重复使用，节省费用。
8 结束语
一种新的科技手段应用于新的领域，总是需要实践的检验。三维激光扫描技术应用于围岩量测上，无论从理论上还是手段上，都不会很快被现场技术人员所接受。但它的测量理念将成为未来监控测量上的主流思想。
