基于三维激光扫描技术的隧道断面检测

基于三维激光扫描技术的隧道断面检测

金,鑫

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041

摘要：随着我国经济的快速发展，我国隧道工程的建设数量越来越多，施工难度也越来越大，为确保其安全运营，隧道断面检测显得尤为重要。本文阐明了三维激光扫描技术的隧道检测基本原理和技术优势，探究了其在隧道断面检测中的应用， 同时，三维扫描影像图可用于分析隧道常见的拱顶漏水、衬砌空洞、超欠挖等问题的原因，为隧道施工提供参考和改善措施，使得隧道施工更加安全和科学。

关键词：隧道；断面检测；三维激光扫描；安全和科学

0引言

随着我国经济的快速发展，我国公路交通事业逐渐发达起来。近年来我国修建的数量越来越多，施工难度也越来越大。然而由于我国地域辽阔，各地工程施工地质条件差异巨大，隧道工程作为隐蔽工程，不仅受到地质条件的影响，而且受到初期设计与施工和技术水平限制影响，在运营中会出现了一系列工程病害，如：漏水、衬砌开裂、和衬砌腐蚀等。在隧道的运营过程中，隧道断面的检测是重中之重[1]。然而传统的隧道检测通常由人工进行， 会受限于作业人员的专业素质、工作态度等因素，使得检测效率低下，存在着隧道检测和隧道安全预警不及时的缺点[2]。三维激光扫描技术凭借其高精度、高密度、全覆盖、无需设站等特点受到广泛关注。

1三维激光扫描技术的原理分析

1.1三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是一项高新测量技术，称作为“实景复制技术”［3］，它于上世纪90年代中期逐

渐发展成熟，其原理和全站仪的原理类似，不同点在于三维激光扫描仪采用非接触方式，把激光先投射到被测物体表面，继而反射回扫描仪内的传感器中，扫描仪据此计算其与物体的距离，确定物体在空间中的位置，得到三维点云数据，再通过计算可大面积、高分辨率地快速复建出被测物体的空间点位信息并构建三维模型。三维激光扫描技术测量原理如图１所示，以发射激光束处为该坐标系原点，Ｘ轴为扫描仪水平转动轴的零方向，Ｚ轴为扫描仪水平时的天顶方向（理论竖直轴），Ｙ轴与Ｘ轴、Ｚ轴成右手坐标关系，

图1中α为扫描仪测量到的水平角，θ为扫描仪测量到的竖直角，Ｓ为坐标原点到监测点的距离，可以用式（1）来表示监测点在扫描坐标系中的坐标：

图1  三维激光扫描技术的测量原理

1.2三维激光扫描技术优势

与传统断面检测技术相比，三维激光扫描测量具有以下优势：

无接触测量：采用非接触扫描的方式，无需接触被测实体表面，即可直接采集物体表面的三维数据，降低了测量风险。能有效避免异形建筑，危险场景的测量危险，为测量提供安全；测量效率高：现在三维激光扫描仪最大速度已经达到100万点每秒，而且云采样密度高，测点信息丰富，具备高精度数字化数据采集功能；劳动强度低：极大地降低数据采集工作的劳动强度，同时还降低了对检测人员的业务素质的要求，避免了传统日常检测结果往往受人为主观因素影响的现象，提高了结果的真实［4］。

2三维激光扫描应用中的基本流程

采用三维激光扫描技术侧重于对数据的处理及分析，通过数据处理结果建模对隧道进行变形监测，主要思路及流程如图 2 所示。

图2 技术路线

3 隧道断面检测应用

3.1 隧道病害检测

三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反射率的信息，这些都是传统仪器无法获得的，隧道内三维表面影像根据反射率不同赋予相应的灰度值生成雷达影像，通过这些雷达影像可以为分析隧道侧壁渗水、结构裂缝等的有力数据［5］。

根据影像数据即可识别出隧道的渗水与裂缝，当隧道管壁上出现渗水、裂缝等状况时，其反射率会随之改变，在图像上呈现不同的灰度值。这样能避免检测人员到现场逐一检查，节省了大量的人力和物力。

3.2 隧道开挖轮廓与尺寸检测

在点云模型中，X 轴代表隧道轴线方向，Z 轴代表竖向位移方向，通过提取隧道结构内壁临近两点坐标差值，得出两处结构超欠挖情况。

4 结语

三维扫描影像图能为隧道侧壁渗水、结构裂缝、超挖欠挖等现象提供有力依据，为降低施工风险和成本，提高隧道施工安全和效率等方面上起到了很大的作用，使得隧道施工更加科学。

6参考文献

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          Huang Xiaokun, Tian Chunyu. Research on prefabricated concrete structure [J]. Housing Industry, 2010 (9): 28-32.

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          Li Xiaoming. Development and application of key technologies for pre fabricated concrete structures abroad [J]. Housing Industry, 2011 (6): 16-18.

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