三维激光扫描技术在公路软弱围岩隧道变形监测中的应用

摘要：隧道软弱围岩段落的质量控制决定了结构安全和项目投资。传统监测方法以有限点代表断面，难以发现隧道变形的区域分布和变形特征，无法精确解决隧道超欠挖、初支二衬侵限的难题。为提高隧道施工质量控制水平，文章以某高速公路隧道为例，引入三维激光扫描技术，实景复刻隧道点云模型，分析对比实测模型与设计轮廓差异，为隧道变形监测与质量评定提供依据。

关键词：三维激光扫描；点云；公路隧道；软弱围岩；质量分析控制

中图分类号：U456.3+1

0 引言

截至2021年末，我国交通运输行业实现了高质量发展，公路总里程达528.07×104 km，其中高速公路里程16.91×104 km，二级及以上等级公路里程72.36×104 km，实现了“十四五”良好开局，为做好“六稳”“六保”工作提供了重要的交通运输支撑［1］。

随着交通建设的持续推进，公路越来越向偏远地区和山区丘陵发展，隧道建设的规模越来越大。据不完全统计，截至2021年4月，我国在建的10 km以上超长公路隧道为17条。隧道建设面临的软岩大变形、活动断裂、超高压富水断裂等不良地质问题十分突出，造成的隧道初支侵限、二衬开裂、路面隆起、突水涌泥等案例时有发生。因此，开展快速、全面、准确的隧道变形监测工作，核查支护结构的规范性和稳定性，严格控制施工质量，动态指导设计施工，有利于提升隧道品质、保障施工安全。

1 隧道变形监测方法

1.1 传统人工监测

隧道洞内变形监测主要包括拱顶下沉、拱脚变形、净空收敛、中隔墙变形等，一般采用全站仪进行人工观测［2］。步骤为：选取代表性断面、设置监测点、埋设靶标、全站仪测量、人工计算与设计断面的差值、出具监测报告。典型监测断面布置和靶标实物见图1。

传统人工监测流程复杂、效率低下、测点稀少、内业繁重，所采数据为一系列离散坐标，不能完全反映隧道支护的真实形态，无法精确提示隧道超欠挖区域及方量，质量分析把控效果有较大提高空间。

1.2 三维激光扫描

三维激光扫描技术（3D laser scanning technology）是近年兴起的一种先进的、全自动高精度立体扫描技术。利用高速激光扫描测量的方法，可大面积、非接触、高分辨率地快速获取被测对象表面的（x，y，z）坐标、反射率、（R.G.B）颜色等数据信息，为快速复建出1∶1真彩色三维点云模型提供的一种全新技术手段［3］。其突破了传统的单点测量技术，以点云的形式采集并保存空间物体表面的三维几何信息和纹理数据［4］，可快速重构目标模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，再现客观事物真实的形态特性。目前，三维激光扫描技术已在公路隧道、地铁隧道、暗涵检测、矿山溜井、边坡工程等［5-9］场景中应用，取得了很好的精细探测效果和辅助分析功能。

三维激光扫描主要分为固定式扫描和移动式扫描，均可以得到高精度的隧道点云模型。天宝SX12扫描机器人属固定式扫描仪，具有便携、高精度、免拼接、易操作等特点，其执行流程为：现场架站、测站设立或后方交会确定坐标系统、自动扫描、导出数据、点云去噪、分析报告生成。

2 工程概况

某高速公路隧道全长2 038 m，隧道最大埋深约173 m，为小净距-分离式双线双洞隧道。隧道属剥蚀中低山地貌，地形起伏较大，地面高程在830～1 200 m，相对高差约370 m。受断层影响，隧道区岩体裂隙很发育，岩体多呈破碎-较破碎状态，Ⅴ级围岩占比约37%，Ⅳ级围岩占比约48%。地下水主要为基岩裂隙水，局部富水可能引发突水突泥现象。

施工开挖揭露围岩显示岩体破碎，节理裂隙发育，以强-中风化砂岩夹泥岩、页岩为主，为软弱围岩。隧道总体轴线方向182°～209°，局部地段发育小型背斜、向斜构造，导致岩层发生反转，产状多变。隧道施工期间，多次发生围岩大变形、冒顶塌方、裸洞超挖、混凝土超灌等情况，隧道洞内监测工作尤为重要。

施工过程中采用全站仪进行人工监测，观测隧道初期支护、二次衬砌的净空和变形，但限于仪器的工作效率和工作模式，未能准确快速判定隧道是否存在局部大变形。利用三维激光扫描技术可建立隧道开挖点云模型，与设计模型实时对比，可精准掌控开挖过程中的超欠情况，计算超欠挖工作量，以降低人工成本、提高管控精度、提高工作效率。现场发生局部冒顶后，采用天宝SX12扫描机器人实景复刻隧道初支轮廓，以查明初支结构变形范围和变形规律，同步扫描隧道二衬轮廓，检测二衬是否存在局部侵限的情况。主要采用TBC（Trimble Business Center）三维激光点云处理软件对扫描数据进行分析，隧道点云模型和设计模型见图2。

3 三维激光监测分析

3.1 初期支护变形分析

隧道的初期支护与围岩紧贴，其位移和稳定状态直接反映了围岩的对应特征。在软弱围岩区段，初期支护易发生侵限、剥落、掉块等现象，不仅极大影响施工安全，降低支护质量，还会减少二次衬砌厚度，为隧道安全留下隐患。

以隧道K1+948～K1+982段的Ⅴ级围岩段为例，通过实测点云与设计模型对比（图3），间隔1 m提取初支横断面。各断面在隧道纵向上变形程度有所差异，其典型情况有4种：整体侵限、局部侵限、洞壁坑洼和洞壁平整，代表性横断面见图4。

针对K1+948～K1+982初支段，以拱顶为0值，左边墙方向为负值，右边墙方向为正值，在隧道周长上进行点云纵向展开，从小桩号向大桩号进行点云横向展开，绘制隧道初支侵限展开如图5所示，结合横断面分析隧道各区段的初支侵限情况。

图5显示，隧道在K1+952～K1+956近二衬段存在初支侵限情况，最大侵限值为7.2 cm，平均侵限值为4.7 cm，侵限面积为3.2 m2，侵限体积为0.15 m3，系因软弱围岩变形挤压初支，超出预留变形量所致，后续段落二衬施作时机应适当提前；其他段处于初支正常变形范围，未出现侵限现象。

3.2 二次衬砌形态检测

隧道施作二次衬砌后，洞壁防护措施完成。在软弱围岩、富水区段，可能存在应力集中导致二衬受压变形，局部净空不满足规范要求的现象。全面检测隧道二衬形态，可以圈定侵限区域、分析应力集中原因，为隧道洞壁补强提供依据。

以隧道K1+610～K1+800段的Ⅴ级围岩段为例，通过实测点云与设计模型对比（图6），间隔5 m提取二衬横断面，代表性横断面见图7。由图可知，隧道在K1+650～K1+675段存在二衬局部侵限现象，主要集中于隧道的左拱肩处，该处产状方向与洞壁方向接近垂直，最大侵限值为2.8 cm，平均侵限值为1.5 cm，侵限面积为9.2 m2，该区域围岩极破碎，建设过程中曾发生过多次冒顶现象；其他区域未见侵限情况，隧道二衬整体质量良好。

3.3 开挖裸洞质量评估

该隧道浅埋段采用机械掘进，深埋段采用上下台阶法分段爆破开挖，炸药量的使用直接影响成洞效果和喷射混凝土方量，关系到隧道整体结构安全和项目经营的成本控制。

以K1+984.0～K1+985.5段的一次上台阶爆破为例，通过实测点云与设计模型对比（图8），间隔0.1 m提取裸洞横断面，代表性横断面见图9。结果显示，本次爆破中隧道裸洞的超挖情况明显，最大超挖值约40 cm，平均超挖值约20 cm，超挖区域主要集中在左拱肩和右拱脚，该处产状方向与洞壁方向接近垂直。根据本次爆破情况，建议重新研究爆破布置和炸药量，使爆破裸洞与设计断面尽量贴合，高效利用围岩自身强度，节约初支混凝土用量。

4 结语

本文以某软弱围岩高速公路隧道为例，通过三维激光扫描技术实景复刻隧道裸洞、初支、二衬全阶段点云模型，将实测点云与设计模型对比分析，为隧道建设的变形监测和质量控制提供充分依据，得到如下主要结论。

（1）该隧道初期支护存在局部侵限、不平整等质量问题，在K1+952～K1+956段平均侵限值为4.7 cm，后续可适当提前开展二衬施作，避免初支变形过大，保证二衬厚度。

（2）该隧道二次衬砌存在局部侵限问题，主要集中在K1+650～K1+675段的左拱肩处，平均侵限值为1.5 cm，系因该段围岩极破碎，区域应力较大所致。

（3）该隧道开挖裸洞存在超挖问题，最大超挖值约40 cm，超挖区域主要集中在左拱肩和右拱脚，后续施工应重新调整爆破布置方案和钻孔装药量，尽量减少超挖，节约项目成本。

参考文献

［1］交通运输部. 2021年交通运输行业发展统计公报［EB/OL］.https：∥www.gov.cn/xinwen/2022-05/25/content_5692174.htm，2022.

［2］DB45/T 1958-2019，公路隧道监控量测技术规程［S］.

［3］胡玉祥，张九宴，张洪德，等.三维激光扫描技术在地铁隧道工程中的综合应用［J］.城市勘测，2020（5）：137-141.

［4］张正禄.工程测量学［M］.武汉：武汉大学出版社，2013.

［5］汪贵鹏.三维激光扫描技术在公路隧道测量中的应用［J］.技术与市场，2022，29（11）：44-47，51.

［6］胡念念，王 蕾.三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用分析［J］.建材与装饰，2019（21）：245-246.

［7］伍 亮，周 敏，罗 波，等.基于三维激光扫描的暗涵检测技术应用研究［J］.给水排水，2022，58（S2）：441-446.

［8］李在利，李杰林，李光全，等.基于三维激光扫描精细探测的溜井破损特性及稳定性分析［J］.中国钼业，2023，47（2）：16-21.

［9］丁延书.基于“ＢＩＭ＋三维激光扫描”的逆向模型重构仿真分析技术在高边坡及隧道施工中的应用［J］.公路，2020，9（9）：55-59.

收稿日期：2024-03-21

作者简介：韦梦贤（1991—），工程师，主要从事高速公路建设管理工作。