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三维激光扫描技术在隧道衬砌施工质量管理中的应用研究

文档作者：李静１李长青１邓洪亮２文档来源：１．北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院２.北京工业大学建筑工程学院		点击数：	更新时间： 2025年11月13日
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１ ３４
施 工 技 术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１７ 年７ 月下
第４６ 卷 第１４ 期
ＤＯＩ：１０. ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１７１４０１３４
三维激光扫描技术在隧道衬砌施工质量
管理中的应用研究
李 静１，李长青１，邓洪亮２
（１． 北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院，北京 １０００４２；
２． 北京工业大学建筑工程学院，北京 １００１２４）
［摘要］ 隧道衬砌结构的弯矩、剪力和轴力都比较大，属于病害发生的敏感部位，当隧道衬砌出现厚度不足时，安全
系数显著减小，甚至使隧道产生较大的变形，影响建筑限界和行车限界，发生断裂、塌落等灾难性后果。采用地质
雷达进行隧道衬砌厚度检测是目前常用的检测方法，但由于检测方法和检测空间的限制，只能进行抽检得到局部
的衬砌厚度信息。采用三维激光扫描技术，可以快速得到在不同施工阶段和工况条件下隧道内壁的全部几何信息
和影像信息，通过不同施工阶段的信息对比进行隧道衬砌厚度的计算分析，进行衬砌厚度计算和质量评价，可全面
掌握隧道的衬砌厚度和衬砌质量，进行项目的施工管理和运营管理，对保证隧道施工和运营安全具有重要的理论
意义和应用价值。
［关键词］ 地下工程；隧道；三维激光扫描技术；衬砌；应用
［中图分类号］ Ｕ４５５ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１７）１４⁃０１３４⁃０３
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ３Ｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ
Ｔｕｎｎｅｌ Ｌｉｎｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ＬI Ｊｉｎｇ１， ＬI Ｃｈａｎｇｑｉｎｇ１， ＤＥＮＧ Hｏｎｇｌｉａｎｇ２
（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ＆ Ｍａｐｐｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４２，
Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ， ｓｈｅａｒ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ
ｌａｒｇｅ， ｗｈｅｒｅ ｄｉｓｅａｓｅ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ， ａｎｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ， ｄｉｓａｓｔｒｏｕｓ
ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｃｃｕｒ ｌｉｋｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ， ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ
ｏｆ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｆｆｉｃ ｂｏｕｎｄ， ｅｖｅｎ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｌｌａｐｓｅ． Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ ｉｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ
ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｐａｃｅ， ｉｔ
ｃａｎ ｂｅ ｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ． Ｕｓｉｎｇ ３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ａｌｌ ｔｈｅ
ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｗａｌｌ ｃｏｕｌｄ ｂｅ
ａｃｑｕｉｒｅｄ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｃｈ
ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｆｕｌｌｙ ｇｒａｓｐｅｄ ａｎｄ ｍａｎａｇｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ
ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｓａｆｅｔｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｔｕｎｎｅｌｓ； ３Ｄ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｌｉｎｉｎｇ； ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
［作者简介］ 李 静，讲师，Ｅ⁃ｍａｉｌ：４４４６８７２７＠ ｑｑ． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１６⁃１２⁃２９
０ 引言
隧道衬砌质量检测有钻孔探测的破损检测方
法和无损检测方法，如回弹法、反射波法、浅层地震
法、超声波法和地质雷达法等。众所周知，地球物
理探测的方法是根据材料的物性参数和结构参数
间接地和综合地确定隧道测线位置衬砌质量的方
法，其中，地质雷达法是一种快速、方便、精确和无
损的检测方法，被广泛应用于隧道衬砌质量的检测
中，可以快速确定隧道衬砌的厚度和背后的密实
度。但地质雷达在衬砌质量检测时只能检测测线
附近的局部情况，如何确定衬砌表面反射波和电磁
波在结构中的传播速度，如何减少散射、绕射问题
和多次反射的影响问题等，虽然国内外学者已有大
万方数据 量研究，目前仍存在不足和缺陷。
２０１７ Ｎｏ． １４ 李 静等：三维激光扫描技术在隧道衬砌施工质量管理中的应用研究 １ ３５
三维激光扫描技术可以在任何复杂环境中进
行扫描操作，并具有非接触、精度高、扫描速度快、
获取数据量大等优点，能通过计算机采集到目标物
体的高精度三维数据，实现三维可视化。目前，国
内已将三维激光扫描仪运用于溶洞、采空区等探
测，隧道、巷道和滑坡等变形监测的领域。应用三
维激光扫描技术进行隧道衬砌厚度检测、质量评估
和项目全生命周期管理等具有重要的理论意义和
工程应用价值［１⁃４］ 。
１ 三维激光扫描技术
隧道三维激光扫描技术基于三维激光测量原
理，所采用的激光具有单色性、方向性、相干性和高
亮度等特性，测距原理可分为三角法、脉冲法、相位
移法和脉冲⁃相位移法， 测量平台可分为地面固定
型、车载型、手持型及机载型。通过内置伺服驱动
电动机系统精密控制多面扫描棱镜的转动， 决定激
光束出射方向， 从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵
轴方向快速扫描， 在测程范围内扫描视场范围内的
纵反射体，进行空间坐标定位测量和点云特征采
集，具有扫描速度快、定位精度高和全景范围实时
测量的优点［１⁃８］ 。
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是
利用激光测距的原理， 通过记录被测物体表面大量
的密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快
速复制出被测目标的三维模型及线、面、体等各种
图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大
量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点
测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化
到面测量的革命性技术突破［２⁃５］ 。
２ 隧道三维模型的建立
本次研究对广东省某隧道工程分别在隧道的
初支后和二次衬砌后进行三维激光扫描测量，采用
ＦＡＲＯ１２０ 三维激光扫描仪进行数据采集。
ＦＡＲＯ１２０ 三维激光扫描仪为全自动三维激光扫描
仪，测量范围为平面方向３６０°和竖向３０５°，采样速
度为９７ ６００ 点／ ｓ，测距精度为２ ＋ ２ × １０ －６ Ｄ，测角
精度为１″，双轴倾斜传感器精度为０. ０１５°，水平方
向分辨率为０. ９ｍｍ，垂直方向分辨率为１. ５ｍｍ，每
ｍｉｎ 数据流文件约５０ＭＢ，包括点坐标、灰度、强度和
像元信息等。现场测量数据采用ＦＡＲＯ ｓｃｅｎｅ，
Ｒｅａｌｗｏｒｋｓ，Ａｕｔｏ⁃ｃａｄ 和Ｇｅｏｍａｇｉｃ ｑｕａｌｉｆｙ 等专门软件
进行去噪、滤波、坐标转换、点云拼接和面分析处理
等，得到了隧道初支后和二次衬砌后的内壁点云模
型和隧道三维实体模型，如图１ 所示。该模型为数
据文件，可存储于数据库，可以浏览查看点坐标、像
元信息、测点距离、结构层厚度和结构层表面质量
等，为隧道施工质量控制、质量验收管理和隧道全
生命周期的信息化养护管理等提供科学依据。
图１ 隧道内壁三维模型
Ｆｉｇ． １ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎｎｅｒ ｗａｌｌ
３ 隧道二衬厚度的计算与分析
根据隧道初支后和二次衬砌后的内壁三维实
体模型，运用Ｇｅｏｍａｇｉｃ ｑｕａｌｉｆｙ 软件，最大允许偏差
１６ ０００ｍｍ进行３Ｄ 精细对比和最佳拟合对齐，精准
拟合和消除偏差后可得到隧道的初支后和二次衬
砌后模型对比分析图，如图２ａ 所示。各点的二次衬
砌厚度误差较小，平均厚度为２５ｍｍ 左右。同时，由
对比模型可导出模型的偏差对比表、生成任意方
向、任意截面分析对比图和截面曲线、进行点云对
比注释和生成点云对比文件，也可进行模型合并与
拆分等。
图２ 隧道二衬厚度对比分析
Ｆｉｇ． ２ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
进行２Ｄ 对比分析，分号截取模型上隧道任意
断面（平面、纵断面和横断面）的偏差分析，图２ｂ 中
为二次衬砌厚度分析，图中可查询断面上任意点的
二衬厚度，可创建断面分析报告和进行厚度标注，
并估算误差的公差范围，也可与隧道设计模型对
比，确定隧道的施工误差，对初支的侵界进行分析。
４ 隧道二次衬砌质量的评价方法
隧道二次衬砌结构是隧道工程施工在初期支
护内侧施作的模筑混凝土衬砌，与初期支护共同组
成复合式衬砌，是隧道安全储备的一种工程措施，
用来承受软弱围岩的蠕变压力、膨胀力和附加荷载
的作用等，是围岩压力的主要承受者，同时又可能
达到加固支护、优化路线防排水系统、美化外观、方
便设置通信、照明、监测等设施的作用。因此，隧道
二次衬砌的质量和厚度关系到隧道的安全和使用
寿命。
隧道的二次衬砌厚度一般采用地质雷达探测
法进行检测确定，由于受空间检测条件和测线数量
万方数据 所限，不可能全面掌握二次衬砌的厚度，采用三维
１ ３６ 施工技术 第４６ 卷
激光扫描的测量方法，根据隧道初支后和二次衬砌
后的模型对比分析，可快速、全面地掌握隧道任意
点的二次衬砌厚度及进行二次衬砌厚度的质量分
析，全面评价隧道的施工质量，表１ 为采用三维激光
扫描仪对隧道进行测量和数据处理后得到的某隧
道二次衬砌厚度测试成果表，表中隧道检测段二次
衬砌厚度为９ ～５８ｍｍ，平均厚度为３２ｍｍ，设计二次
衬砌厚度为２５ｍｍ，检测段隧道二次衬砌厚度合格
率为６１. ３％，隧道二次衬砌厚度统计分析如图３ 所
示，该检测段二次衬砌厚度大多为３０ ～５０ｍｍ，衬砌
厚度满足设计要求。
表１ 隧道二次衬砌厚度测试结果
Ｔａｂｌｅ １ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
测试点测试ｘ ／ ｍ 测试ｙ ／ ｍ 二衬厚度／ ｍｍ
１ ３２８ ０５１. ０５１ －６２ ４０３. ８２７ ９
２ ３２６ ６３８. ４６１ －５１ ３７２. ９４５ ５６
３ ３２６ ８２４. ２１９ －５０ ７５４. ５９３ ２１
４ ２８８ １３８. ０３９ －２９ ０１４. ４２４ ２１
５ ２５９ ９８９. １０５ －６ ４２２. ２３９ ４５
６ ２８４ ７２１. ３１３ －２３ １９６. ８８３ ２９
７ ３６０ １９３. ９３８ －７６ ３０８. ０７４ １１
８ ４１７ ２８８. ３７４ －１１５ ８８４. ５６７ ２０
９ ４４７ ８０４. ４９５ －１３２ ７６４. ２９１ ２２
１０ ２９６ ６７６. ４３７ －３０ ６７５. ０５５ ３５
１１ ３３８ ２０１. ５９０ －５３ ４７０. ０１８ ４７
１２ ３４２ ５２５. ３９３ －５５ ２８５. ９６６ ３３
１３ ３４９ ６７１. ５６９ －６０ ２４１. １１１ ２３
１４ ３６５ ８０９. ８４５ －７２ ７８７. ８９４ ２３
１５ ３７４ ６８９. ６８６ －８０ ８８０. ０１７ ３４
１６ ３９１ ９４５. １９３ －９０ ４４２. ８００ １７
１７ ４０２ ６５２. ３９１ －１００ ９５５. ５６８ ４６
１８ ２５４ ３１２. ８５８ －９ １２５. ５５１ ３１
１９ ２７６ ２０７. ５４８ －８ ９４３. １２５ ２４
２０ ３１４ ７６４. ７３１ －４９ ９９２. ０６７ ５８
２１ ３２９ ９１９. ７３８ －６０ ８６１. ３１０ ３６
２２ ３５６ ３８９. ５５２ －７９ １２３. ７０２ ４９
２３ ４０２ ７００. ９８８ －１０７ ８７５. ３９０ ３７
２４ ４２４ ４９６. ２６６ －１２２ ４９０. ０４５ ２９
２５ ４３６ ２３１. ２５９ －１３２ １７３. ２６６ ５５
２６ ４４９ ３６７. ９３１ －１４１ ６６８. １８８ ３３
２７ ４５９ ４９６. ４８８ －１４７ ２３８. ６８１ １１
２８ ２８６ ７８８. ９５６ －２８ １３２. ５６３ ４４
２９ ２６３ ９０３. ０９３ －１５ ２８７. ０５７ ４４
３０ ２４２ ５２４. ４１３ －１ ３８８. ６２０ ２３
３１ ３００ ８４０. ９６２ －３６ ２７９. １９０ ３４
平均厚度３２
５ 结论与建议
隧道工程为交通运输线路的重要组成部分，衬
砌结构是隧道的重要结构组成部分，隧道衬砌质量
检测和质量控制是隧道施工和运营管理等重要内
容，开发检测新技术和进行质量评价方法研究对隧
道建设、质量验收管理和运营管理等有重要的理论
意义和工程应用价值。
图３ 隧道二次衬砌厚度雷达图
Ｆｉｇ． ３ Ｒａｄａｒ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
通过对隧道初支后和二次衬砌后的三维激光扫
描测量，得到了隧道不同工况下的数据流文件和灰
度、强度信息，通过数据去噪处理、滤波处理和点云拼
接等，建立了隧道的三维实体模型和对比分析模型，
由实体模型可浏览、查询隧道壁的详细纹理和结构缺
陷，由分析模型可生成全隧道任意断面、任意点的二
次衬砌厚度对比表和对比分析图，进行隧道衬砌厚度
等结构层厚度分析和衬砌质量评价，数据真实可靠，
存储方便，评价方法简单，评价内容全面。
三维激光扫描测量技术具有非接触、精度高、
扫描速度快、获取数据量大等优点，可用来快速测
量并建立隧道在不同工况下的三维空间模型，具有
信息量大，实景复制和方便应用等优点，可快速、全
面地分析在不同工况下的模型变化情况，获取隧道
施工和养护管理各阶段的详细结构参数，技术的推
广应用将为隧道建设和全生命周期的养护管理等
提供重要的科学依据。
参考文献：
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