随着现代化进程的快速发展，隧道的建设也越来越多，隧道的建设期及运行期的安全监测会越来越重要，定期的对隧道进行安全监测，有利于隧道的安全建设与稳定运行。过去对隧道的监测手法虽然较多，但效率低下，如采用全站仪、断面仪等手段监测。本文将三维激光扫描技术应用于隧道安全监测中，对隧道进行自动扫描，建立三维模型，通过三维模型的建立对隧道进行不同角度断面解剖，通过这种手段可快速、高效实现隧道安全监测^[1-5]。

目前针对三维激光扫描技术在隧道的应用研究也较为广泛，但是隧道的种类及相关特性也较为复杂，如某些隧道空间狭窄、工作环境较差等。隧道工程不同于其他工程，隧道为超长现状结构，要针对不同的隧道特性制订相对应的现场监测方案，既要保证采集的效率，也要保证数据的准确性^[6-8]。

1 工程概况及数据 1.1 工程概况

江苏宁杭高速公路梯子山隧道长332 m(K147+888-K148+220)，双向6车道连拱式，单洞净宽14.05 m，总宽30.5 m。梯子山隧道洞身穿越104国道，洞顶距104国道的路面仅有2.8 m。随着宁杭高速公路负荷量的激增和隧道运营时间的延长，如何对既有隧道的变形进行有效监测，从而保证高速公路运营安全，并记录下隧道不同运营时期的内部结构几何变形数据，为公路隧道的养护和扩建提供完整准确的测量数据。

1.2 控制网施测及数据处理

为了保证三维激光扫描仪的点云拼接的精度，在扫描之前进行控制网的施测。控制测量采用闭合导线的方式进行布设，如图 1所示。分别在左(杭宁方向)、右(宁杭方向)幅隧道内分别以Z字型方式布设导线。每条单隧道内布设5个控制点，平均边长80 m，其中沿行车方向的左1车道上布设2个控制点，右侧检修道上3个控制点；隧道外布设2个控制点，都位于右检修道外侧，但分别在隧道入口和出口之外，利用隧道外的4个控制点将两条Z字型导线连接成为闭合导线控制网。

闭合导线逆时针编号双测回测量左角，测量使用拓普康GTS332型全站仪(测角精度±2″，测距精度2 mm±2×10^-6)。通过对梯子上双向隧道控制点的布设和测量，得到梯子山隧道CP01~CP10各个控制点空间坐标。测量结果表明：导线闭合路线全长876.774 m，已知边数n为10，角度闭合差为91″，导线全长闭合差为0.350 811 m，角度闭合差限为126.491 1″，导线相对闭合差为1/2 499.274，小于1/2 000。结果表明导线测量各项闭合差完全在限差之内，符合三等控制测量的要求，平面控制点坐标能够用于隧道扫描测量。闭合水准路线起点CP1高程为54 m，闭合路线全长为876.774 m，高差闭合差为-0.086 5 m。闭合水准路线各个点高程结果真实可信，能够达到控制测量的各项要求。

2 三维激光扫描仪外业数据采集

采用Trimble GXTM三维激光扫描仪进行外业数据采集^[9-12]，该仪器100 m处单点定位精度为12 mm，测角精度为: 水平角为12″，竖直角为14″。为了保证扫描数据的完整性和扫描数据的精度，针对隧道的空间几何特征，按照图 2所示的路线进行施测，分别在上(杭宁方向)、下(宁杭方向)两幅隧道内布设路线, 每个方向上都设有7站，每两站之间至少有两个公共的标靶，以利于各测站数据拼接, 在第1站中以控制点CP01、CP10作为起测的后视点，在第14站中以CP01、CP10作为终止站的前视点, 在宁杭方向上用到了全站仪控制测量中的点CP02、CP04、CP11、CP12。在杭宁方向上用到了控制测量中的点CP07、CP09, 为了保障车辆正常通行，每个方向上只在被封的车道上设站和建立标靶。

图 3为扫描结束获取完整梯子山隧道的空间几何数据(宁杭方向与杭宁方向)。

3 内业数据处理

外业获得隧道的几何数据之后，就开始进行以下几个方面的数据处理。

3.1 多站点云数据的拼接

同一天完成的扫描工作前后两站用两个公共的标靶进行拼接，对于第一天的结束站与第二天的开始站依据后视定向和控制点定位的方法进行坐标转换和数据拼接。由已知的两个点起算，这两个点作为三维激光扫描的后视定向，采用后方交会的方法测得测站的坐标，然后由三维激光扫描的基本测量原理得到两个前视点的坐标，本站得到的前视点坐标作为下一站后视定向点的坐标，这样利用两个测站之间的公共标靶把相对的位置关系传递到下一站，实现了相邻两站的拼接，按照图 2中的施测路线两测站之间的公共点进行拼接，可以实现第1到第7站、第8到第14站的拼接。

3.2 点云去噪

在该项工作中要去除有效扫描范围以外的低精度测量点，剔除通行车辆、行人遮挡产生的噪声点数据(见图 4)。由于在测量中只封了两个车道，所以过往的车辆对测量点云有影响，这种由于车辆、行人或其他物体而得到的数据称为噪声，在进行横断面的比对之前，要把这些不需要的点剔除。还有一些点不是测量范围内，这些点会影响测量的精度，也要去除，在此次工作中，采用的是对单站点云逐站去噪的方法，通过软件算法对噪点进行剔除。

3.3 隧道横、纵断面的生成

隧道横断面图是指一系列垂直于隧道中心线的隧道竖直剖面图，表示隧道内表面与竖直剖面闭合相交线的几何形态；隧道纵断面图是指沿隧道线路中心线的竖直剖面图，其横坐标表示隧道段的水平长度，纵坐标表示隧道顶和路面的高程。由点云拟合出隧道的中心线，沿中心线方向取一个垂直于隧道的平面，每隔50 m取一个断面，总共有6个横断面，宁杭方向与杭宁方向取得的整体断面效果图如图 5所示。

3.4 隧道变形分析

选择沿中心线方向离南京隧道入口处不同距离处的横断面，横断面与中心线和附近的点云对比分析。把隧道每隔50 m划分为一段，逐断在其横截面附近进行检测，通过与原断面线的偏移量可以分析出变形程度(见图 6)。分析纵横断面变形量，分别用提取的点云纵横断面与设计的纵横断面进行对比分析，通过图 6显示结果，可以得出点云断面数据与原标准断面的偏移，可得到径向方向上的变形量和隧道铅垂线方向上的沉降和抬升。

4 结束语

利用三维激光扫描技术获取隧道纵横断面图可以为隧道任一部位的变形观测提供数据分析参考依据，可以根据设计图用AutoCAD成图软件画出隧道的设计横断面和设计中心线，然后把设计线和横断面的图上坐标与三维点云的坐标联系起来，沿着设计中心线移动设计横断面到提取有点云横断面的位置，通过点云与设计模型的对比，分析出变形量。在普通测量仪器不能有效的使用情况下，三维激光扫描技术发挥了重要作用，也提高了测量效率，三维激光扫描仪已经成为重要的测量工具，随着三维激光扫描仪生产技术和配套数据处理软件的日渐发展成熟，使用三维激光扫描系统对建筑物、地铁、隧道、边坡和矿区等进行变形监测对于安全预测、生产指导都具有重要意义。