三维激光扫描技术在高速公路隧道监测中的应用研究

摘要：随着高速公路网快速扩展，隧道工程监测技术作为施工安全核心手段，在全生命周期中发挥重要作用。三维激光扫描技术凭借非接触测量、全断面覆盖、毫米级精度等技术优势，已在隧道监测中形成系统应用。本文以G56杭瑞高速天保至麻栗坡段隧道工程为例，结合理论与实践分析该技术在施工监控中的应用路径。通过工程实例验证其在收敛变形监测、监控量测、断面分析、成果输出等环节的效果，经数据对比与效果评估，评价其工程应用价值并展望其应用前景。

关键词：三维激光扫描技术隧道工程监控量测断面分析

1引言

隧道工程是现代交通基础设施的重要组成部分，但施工及使用中易受地质、荷载、施工扰动等因素影响，出现结构变形等问题。传统监测方法存在效率低、精度不足等缺陷。

三维激光扫描技术凭借高精度、非接触测量等优势，在工程监测领域备受关注。本文探讨该技术在隧道监控中的应用，分析其在变形监测、断面分析、安全评估及工程量验算等方面的优势，结合高速公路隧道案例论证其工程实效，保障隧道施工安全。

2三维激光扫描技术的原理与特点

2.1三维激光扫描技术的测量原理

三维激光扫描技术通过发射激光束并接收反射信号，记录物体表面三维坐标信息，生成高精度点云模型。其采用内部坐标系，原点为扫描中心，X轴为前进方向，Y轴与X轴垂直且顺时针，Z轴垂直XY平面向上，如图2.1-1。

式中：S为测点至测站的距离，C为激光在空气中的传播速度，t为激光由测站传播至目标表面返回的时间，X、Y、Z为测点的三维坐标，α为待测点P与X方向的夹角，θ为测点P与Z方向的夹角。

2.1三维激光扫描技术的特点

三维激光扫描技术利用非接触式的面测量的方式测量采集数据，能快速获得物体表面采样点的三维坐标信息，弥补了传统测量方式的不足，具有以下特点：

（1）精度高：能够获取毫米级的测量精度，适用于复杂结构的精细测量。

（2）速度快：能够在短时间内完成大面积的扫描测量，特别适合周期性的动态监测场景。

（3）非接触式观测：无需接触被测物体，可获得观测物体表面的三维坐标点云数据，能够进行危险区域、柔性目标和人无法到达地方的目标观测，可得到真实可靠三维坐标信息。

（4）数字化、自动化程度高：所采集的数据是数字坐标信息，通过软件自动处理扫描数据，生成三维模型，减少了人工干预，易于数据的后期处理、格式转换及成果输出。

（5）穿透性强：三维激光扫描的采样间距较小、采样密度大，对稀疏植被扫描时，部分激光能到达目标表面，采集的点云数据可包含目标表面的不同层面的几何信息。

（6）可结合GNSS与数码相机采集物体表面彩色信息，真实反映目标。GNSS换算直接生成地理坐标点云数据，扩展应用范围并提升精度。

2.3 三维激光扫描技术在隧道监测中的应用优势

随着三维建模技术发展完善，三维激光扫描技术已广泛应用于隧道监测领域。其通过获取不同围岩等级、断面尺寸的隧道断面图及高精度三维坐标数据，为隧道施工提供可靠依据。相比传统监测方法，该技术具备以下优势：

（1）全面性：能够快速获取隧道内部的三维空间信息，包括衬砌表面、裂缝分布、空间变形、空间布局、全断面模型等。

（2）安全高效性：相比传统测量方法（如全站仪、激光断面仪等），三维激光扫描技术能快速扫描获取三维空间信息，能全面、高效的获取断面数据信息，大幅提升测量作业效率，降低劳动力投入，尤其适用于高危区域的远程监测，保障人员安全。

（3）精确性：能够捕捉微小的结构变形和裂缝，适合长隧道或复杂结构物的高效覆盖，为隧道安全评估提供了可靠依据，有效保障隧道的施工进度。

（4）密集的点云数据：单次扫描可生成数百万数据点，全面覆盖隧道内壁、拱顶及底板，有效避免单点监测的遗漏问题。

3三维激光扫描技术在隧道监测中的应用实践

3.1依托工程背景

G56杭瑞高速天保至麻栗坡段地处云南高原南缘，以岩溶、构造溶蚀地貌为主，地形起伏大。起点天保口岸海拔110m，最高点楼梯寨1350m，终点1284m。全线设17座隧道，含2座特长隧道：天保隧道4152米、岩脚隧道4196米。该区域岩体破碎、透水性强，雨季易涌水，施工中可能发生岩爆及坍塌，需加强监测及时支护。

3.2 应用分析

因隧道区域地形起伏大、地质条件差且岩体破碎，及时监控量测是施工关键。采用三维激光扫描技术进行高精度监测，掌握数据并分析趋势，预警风险保障安全。

（1）隧道变形监测

隧道施工中，因施工扰动、地基沉降等因素，结构易变形。传统方法人工观测效率低，三维激光扫描可快速获取衬砌表面数据，结合多次扫描准确计算变形量，为安全评估提供依据。

（2）隧道断面分析

隧道施工需精准测量断面尺寸。三维激光扫描可快速建立断面三维模型，通过软件分析几何参数，确保施工符合设计规范。

（3）裂缝检测与监测

隧道结构在使用过程中可能会出现裂缝，裂缝的扩展可能影响结构的耐久性和安全性。三维激光扫描技术可以通过对比多次扫描数据，精确捕捉裂缝的位置和扩展情况，为裂缝修复提供科学依据。

（4）隧道衬砌质量检测

三维激光扫描技术可以对隧道衬砌表面的平整度、裂缝分布、锚杆质量等进行全面检测，为隧道衬砌的质量评估提供数据支持。

3.3 应用实践效果

在高速公路隧道施工中，应用三维激光扫描技术实时监测隧道衬砌变形，建立高精度三维模型并制作开挖断面，通过分析断面超挖、欠挖情况指导掘进施工，确保符合设计要求，避免返工增加成本。

通过对比分析，定期扫描和数据分析发现隧道施工中局部变形。利用数据处理软件生成变形云图，可快速定位变形区并采取应急加固措施保障安全，同时分析断面尺寸偏差发现超欠挖现象，为调整施工方案、验算开挖及支护工程量、确保结构完整、成本可控提供技术依据。

4挑战与展望

三维激光扫描技术在隧道工程监测领域虽已展现出显著的技术优势，但其实际应用仍面临多维度的实践挑战。具体而言，高昂的设备采购与软件研发成本构成了主要经济制约，复杂点云数据的后处理流程对专业技术人员存在较高要求。同时，在潮湿、多粉尘等复杂隧道环境中的测量精度与稳定性易受干扰，这些因素共同形成了技术推广的客观屏障。为突破当前应用瓶颈，建议采取系统性改进策略：开发经济型三维激光扫描设备以降低应用门槛，研发智能化数据处理算法与优化软件平台提升分析效率，强化设备的环境适应性以满足复杂工况需求。通过多维度技术攻关与工程适配性优化，将有效推动该技术在隧道工程及其他相关领域的规模化应用。

5结论

三维激光扫描技术作为当代测绘领域的革新性技术手段，在隧道工程监测领域构建了系统性解决方案。该技术通过建立高精度点云数据模型，在结构形变监测、断面矢量化解析、结构收敛性监测及风险预警阈值设定等方面展现出显著优势，其毫米级形变监测精度与日均十万平方米级的作业效率较传统监测方法提升显著。基于多维度工程安全评估体系与全生命周期质量控制机制的技术支撑，该技术已发展成为现代隧道工程安全运维的核心保障手段。随着多源数据融合算法的持续优化与智能化三维建模技术的迭代升级，其在复杂地质条件下隧道工程的监测效能将实现新的技术突破。

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作者简介

邓政廉，云南省地质矿产勘查开发局第一地质大队，工程师，主要从事工程测量技术研究。