套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》是中鐵十八局集團有限公司完成的建築類施工工法，完成人是劉齊山、潘建立、史振春、付兆崗、劉金德。該工法適用於鐵路、公路隧道的圍岩監控量測，捷運施工中的變形監控量測，工民建中基坑的變形監控量測。

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》主要的工法特點是：儀器設備簡單，操作方便；全新的監控理念；龐大的數據量有力的保證了監控結果。

2011年9月30日，《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009~2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法
• 工法編號：GJEJGF227-2010
• 完成單位：中鐵十八局集團有限公司
• 主要完成人：劉齊山、潘建立、史振春、付兆崗、劉金德
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

如何控制隧道與地下工程中圍岩的穩定性、安全性的問題已受到廣泛關注。鐵路、高速公路、高速鐵路、捷運等工程項目相繼開工，隨之而來的隧道與地下工程的承建已不可避免，安全被列入最重要的施工問題。地下工程如隧道、捷運的開挖，圍岩的穩定性、安全性成為施工安全隱患的根源。傳統的圍岩量測是利用在洞壁上埋點，利用全站儀、水平儀、收斂儀等進行監控，不但耗費人力、物力，占用過多的施工時間，且埋在洞壁上的監控點很容易在施工中被破壞掉，導致之前的監控數據不能得以連續，變得沒有意義，不能真正的控制圍岩的變形，更給施工帶來安全隱患。廈門東通道（翔安隧道）工程是一項規模宏大的跨海工程，是2009年前中國大陸地區第一座大斷面海底隧道。為了保證施工安全，中鐵十八局集團有限公司採用3D雷射掃瞄器非接觸圍岩量測對海域段風化槽部位進行全程整體監控，隧道開挖順利通過海域段風化槽。通過對該技術的總結後形成《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》。

工法特點

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的工法特點是：

一、該工法採用3D雷射掃瞄器進行數據採集，無需埋點，屬於非接觸圍岩量測，作業程式時間短、工效高，不影響施工工序。

二、儀器設備簡單，操作方便。傳統的圍岩量測，是在隧道圍岩上埋固定點，利用全站儀、水平儀、收斂儀等通過對固定點的測量，進而得出隧道圍岩的變形情況，一旦固定點在施工過程中被破壞，圍岩量測將無法進行。D雷射掃描技術屬於非接觸性圍岩監控技術，不需要擔心觀測點被破壞，且能保證掃描數據的連續性。

三、全新的監控理念，是該工法的最大特點之一。傳統的監控量測，是以點代面。在隧道洞壁的一個位置埋點，觀測的結果卻是整個洞壁的穩定性。實際施工中有太多的例子可供參考，往往圍岩變形塌方的地方不在觀測的固定點處。3D雷射掃描技術是將整個洞壁全部掃描，然後進行面與面的對比，以此確定區域的變化。

四、龐大的數據量有力的保證了監控結果。3D雷射掃瞄器，每秒發射2000個雷射點，以掃描的時間為10分鐘來計算，獲得120萬個雷射點的數據。為監控的對比分析打下了良好的基礎。

操作原理

適用範圍

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的適用範圍如下：

一、3D雷射掃瞄器適用於鐵路、公路隧道的圍岩監控量測，捷運施工中的變形監控量測，工民建中基坑的變形監控量測。

二、3D雷射掃瞄器套用於隧道內圍岩監控量測，所以對於施工季節沒有特殊要求。利用紅外線雷射點進行掃描，因此對光線也沒有要求，但對隧道內的環境還是有一定要求，儘量避免在灰塵過大時使用。

工藝原理

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的工藝原理敘述如下：

3D雷射掃瞄器是將隧道整個洞壁全部掃描，採集下來的雷射點將以點雲的形式轉換到電腦中。點雲的形狀、尺寸與實際完全相同，形成實物數據化。利用軟體，將採集的數據進行整體對比，得到對比後的區域性變化圖形，仍然可以採集到最大變化點，位置與變化量真實可靠。將最大變化量點進行數據累計，做出回歸曲線，監測工作完成。

施工工藝

• 工藝流程

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的施工工藝流程見下圖。

施工工藝流程圖

先進行施工準備；選好控制點位置；再將控制點坐標用全站儀進行測量、讀取，記錄數據；選定儀器位置，進行斷面掃描，可與全站儀測量同時進行；現場數據採集結束後進入內業處理，首先數據轉換，將採集到的數據轉換成軟體識別格式；進行軟體處理，通過測量數據的輸入，將點雲轉換成有大地坐標的實物模型，利用軟體工具進行處理，保留有用的點雲數據；監控量測數據分析，通過點雲間對比，得到變形示意圖，對其分析整理後，形成報告。

操作要點

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的操作要點如下：

一、控制點坐標讀取

1.要求全站儀架設穩定，後視校對準確，並儘量靠近自製標示牌控制點，以便減少誤差。

2.自製標示牌放置穩定，標示牌中心點必須正對全站儀，且在掃瞄器掃描範圍內。標示牌放置儘量錯開位置，高低不同且距離不要太近，保證控制點的三維空間位置。

3.全站儀讀取大地坐標，帶高程，儘量保留小數點後所有數據。

二、正式掃描

1.選取合適的掃描的位置，調掃瞄器的節高度和角度，以便能更全面的採集到不規則洞壁的更多信息。控制儀器，調節雷射點間距，確定掃描間距和時間，開始掃描。

2.保證隧道內通風良好，儘量避免灰塵過大的時候進行掃描，以免影響掃描的結果與精度。

3.儘量控制人員及車輛通過儀器正前方，以免影響數據點接受，影響掃描結果。

三、數據處理

1.數據處理流程圖（下圖）。

數據處理流程圖

2.經過一年的研究和探索，研發了針對圍岩監控量測的專用軟體《重建者》，更加簡便、快捷的進行數據分析，增強了套用性與推廣性。

3.依靠一個簡單的passer應用程式，將採集到的原始數據點雲轉換成軟體《重建者》所能識別的點雲格式。將轉換後的點雲導入軟體。

4.處理導入軟體內的點雲。利用軟體找到標識牌中心點，一般為4~5個標識牌。輸入全站儀讀出的大地坐標點數據，計算出點雲內所有雷射點坐標，將點雲轉人現場真實三維坐標系統。

5.點雲的疊加。將真實坐標系中的點雲進行清理，刪除多餘雷射點，包括遮擋物、地面、灰塵點等。導入到對比模組（其中已經包含前幾次掃描結果），相同坐標系下，重合里程段自動疊加。利用軟體的對比功能，即軟體自動找到坐標相同點，進行重合，對於坐標不重合點，就近對比原則，對多次點雲進行疊加對比。

6.自動提取變形量最大點進行數據累計對比，生產對比報告及回歸曲線圖（下表、下圖）。

變形量累計表

/	時間	里程斷面	高程值（米）	下沉速度（毫米/天）	下沉量（毫米）	下沉加速度（毫米/天）
1	06.10.05	940-Z	-5.6883	0.0	0.0	0.0
2	/	940-Z	-5.6934	5.1	5.1	5.1
3	/	940-Z	-5.7042	10.8	19.9	5.7
4	06.10.08	940-Z	-5.7129	8.7	24.6	-2.1
5	/	940-Z	-5.7219	9.0	33.6	0.3
6	/	940-Z	-5.7302	8.3	41.9	-0.7
7	/	940-2	-5.7383	8.1	50.0	-0.2
8	/	940-Z	-5.7497	11.4	61.4	3.3
9	/	940-Z	-5.7632	13.5	74.9	2.1
10	/	940-Z	-5.7747	11.5	86.4	-2.0

回歸曲線圖

四、施工注意事項

1.注意施工現場環境，儘量在掃描位置灰塵相對較少時進行掃描。避免人員、車輛通過掃瞄器前方。

2.注意全站儀測量的準確性，以便減少誤差。

3.軟體處理需要細心，儘量選點準確，全站儀數據小數點後儘量多位數。

勞動力組織

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的勞動力組織見下表。

材料設備

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》沒有耗材，機械設備見下表。

一、3D雷射掃瞄器技術指標見下表。

二、《重建者》軟體是為隧道圍岩量測專門開發的一款專用軟體，集數據處理、圖形處理、數據比對、危險提示等多功能、一體化的專用軟體。

質量控制

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的質量控制要求如下：

一、工程質量控制標準

1.嚴格按照鐵路、公路、高鐵相關規範和其他有關規程進行施工及驗收。

2.執行《鐵路隧道監控量測技術規程》TB 10121-2007。

二、質量控制措施

1.控制掌子面灰塵量降到最低，確保掃瞄器接收到最多的數據量，保證結果的準確性。

2.全站儀儘量架設到標識牌的附近，確保標識牌中心點正對全站儀，儘量減少誤差，保證數據準確。

3.掃描前儀器設定，雷射點間距儘量拉小，以保證足夠的數據量，減少誤差。

4.儘量控制儀器鏡頭前有人或車輛通過。

安全措施

採用《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、必須待掌子面排險後進入施工現場，防止拱頂掉塊，砸傷人員，砸壞儀器。

二、配齊安全防護用品，經常學習隧道安全知識，以便應對突發事件的發生。

環保措施

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的環保措施如下：

3D雷射掃瞄器整個工作過程無需多餘材料輔助，完全依靠儀器本身進行操作，數據處理只需在電腦上操作即可。因此並不產生多餘的工程廢料及污染環境的多餘產物。儀器採用鋰電池帶動工作，做到了節能環保。

效益分析

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的效益分析如下：

一、經濟效益

傳統的圍岩監控量測，需要在邊牆埋點、掛牌進行監控。鐵路上圍岩監控量測規定，五級圍岩，環向埋設5個點，環向間距5米。而3D雷射掃瞄器屬於非接觸性測量，無需埋點等接觸操作，節省耗材。

二、環境效益

D雷射掃瞄器整個工作過程無需多餘材料輔助，完全依靠儀器本身進行操作，數據處理只需在電腦上操作即可。因此並不產生多餘的工程廢料及污染環境的多餘產物，對環境無影響。

三、節能效益

該工法儀器採用鋰電池帶動工作，真正做到節能、環保。

四、社會效益

1.採用3D雷射掃描技術，一改傳統的以點代面監控手段，進行全斷面立體監控，為施工的安全生產提供了保障。

2.該工法的成功套用，為隱蔽工程的監控量測積累了寶貴的經驗，培養和鍛鍊了一批測量監控的技術人才，擴大了企業的影響，填補了中國在該領域的空白，增強了企業的市場競爭力，取得了社會效益。

套用實例

《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》的套用實例如下：

一、廈門翔安海底隧道工程

1.工程概況

廈門東通道（翔安隧道）工程是一項規模宏大的跨海工程，是連線廈門市島和翔安區陸地的重要通道，是廈門市的第三條進出通道，兼具公路和城市道路雙重功能。線路總長8.695千米，翔安隧道全長5.9千米。其中海域段4.2千米，隧道採用鑽爆法施工，是2009年前中國大陸地區第一座大斷面海底隧道。

2.施工情況

廈門翔安海底隧道工程海域段，有數段風化槽，其上直接與海底相通，是施工掘進的最大隱患。施工進入風化槽後，真實、全面的隧道圍岩監控，是保證施工安全的主要手段。3D雷射掃描技術的介入，為現場施工人員及時了解隧道圍岩的沉降、變形，提供了全面、直觀、立體的數據及圖形，指導了施工生產，保證了施工安全。

3.套用效果

3D雷射掃描技術套用於廈門翔安海底隧道。安全可靠，充分體現了節能環保的理念；使得隧道圍岩監控量測的時間控制在20分鐘以內，而且不占用現場施工工序的時間，監控結果無論從數據上還是圖形上都得到現場施工人員的認可，降低了工人勞動強度，提高了勞動生產率，使監控量測這道工藝更標準化、數位化、直觀化、效率化，改善了工人的作業條件。該項技術的投人使用，取得了經濟效應和社會效應。

4.推廣前景

該工法在中鐵十八局集團有限公司廈門海底隧道項目部A2標段得到了成功的套用，取得了經濟技術效果。隨著公路隧道、鐵路隧道、捷運等隱蔽工程大量開工，安全問題已經成為施工單位面臨的首要問題。為了更好的解決安全問題，新技術的套用已迫在眉睫。中鐵十八局投入了大量的科研精力，經過不斷的現場套用，積累了現場經驗，確保該技術更趨於完善與科學合理，具有推廣前景。

二、青島膠州灣海底隧道工程

1.工程概況

青島膠州灣隧道工程是一項規模宏大的跨海工程，是連線青島市主城與輔城的重要通道，南接薛家島，北連團島，下穿膠州灣灣口海域。膠州灣隧道是一條以城市道路功能為主兼有公路功能的隧道，設雙向雙洞六車道，設計車速80千米/小時，線路全長約7.12千米，隧道總長約6.17千米，其中跨越海域段約3.95千米。中鐵十八局擔負施工的第三契約段，主體工程為左線隧道出口段，長3293.3米。

2.施工情況

青島膠州灣海底隧道進入海域段，雖然圍岩完整性、穩定性較好，但圍岩滲水量明顯增加，帶有腐蝕性的海水不斷滲出，對圍岩的初支及拱架的破壞性也相應增大。為了確保施工安全，中鐵十八局青島海底隧道項目部決定套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩。

3.套用效果

借鑑廈門海底隧道的施工經驗，經過不斷的整理、改進，使得3D雷射掃描技術更全面、方便、快捷的得到套用。結合傳統的圍岩量測，有效的監控了隧道圍岩的變化情況，確保了施工安全。該項技術的投入使用，取得了經濟效應和社會效應。

4.推廣前景

由於該工法在中鐵十八局內不斷推廣，使越來越多的施工技術人員了解了該項技術。全斷面監控隧道圍岩的監控理念正不斷被越來越多的人接受。不斷的被質疑，不斷的提出問題，不斷的解決問題，正使該項工法走向成熟。面與面對比的新理念正被更多的人所接受，也會有推廣前景。

三、蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程

1.工程概況

西秦嶺特長隧道位於甘肅省隴南市武都區境內，進口位於透防鄉潘家溝，出口位於洛塘鎮老盤底，隧道走行於秦嶺高中山區，地勢總體趨勢西高東低，山體陡峻，溝谷深切多呈“V”字形。高程多在1000~2400米，相對高差約1400米，隧道最大埋深約1400米。隧道長28236米；設計為兩座單線隧道，洞身段線間距40米。隧道經過幾個淺埋溝谷及F6斷層帶。

2.施工情況

西秦嶺隧道進口採用鑽爆法施工，出口採用兩台外徑為10.2米的開敞式TBM施工。該工法主要套用在進口段，由於隧道經過幾個淺埋溝谷，圍岩風化破碎嚴重，初支變形大。F6斷層帶本來就為活動斷層帶，又受汶川地震影響，發生大變形的可能性增大，且F6斷層帶跨越距離較大，需要嚴密監控。為了確保施工安全，中鐵十八局蘭渝鐵路指揮部決定採用3D雷射掃瞄器進行圍岩監控。

3.套用效果

3D雷射掃瞄器套用在西秦嶺隧道進口，已經安全通過了兩個淺埋溝谷，尚未進人入F6斷層帶。在對兩個淺埋溝谷段的監測顯示，初支後圍岩變形過大，局部變形速度過快，項目部果斷採用臨時支護並進行注漿鞏固，安全的度過了兩個淺埋溝谷。取得了經濟效應和社會效應。

4.推廣前景

隨著現場經驗的不斷積累，對3D雷射掃描技術的認識也不斷加深，其中存在的問題逐步得到解決。一項新技術的產生，必然會受到不斷的質疑，特別是與傳統的理念相衝突的時候。3D雷射掃描技術就是與傳統的以點代面的測量理念相衝突，而遭到了很多現場技術人員的質疑。但通過不斷的深入了解，逐漸被認可，這便是一個新的開始，也許不久，3D雷射掃描技術將會成為測量的主流。

榮譽表彰

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單》，以建質[2011]154號檔案公布，《套用3D雷射掃瞄器監控隧道圍岩施工工法》被評定為中國國家二級工法。