隧道监测是利用专用仪器及方法对隧道形变现象进行监视观测,进而对采集的数据进行分析以确定隧道发生形变的位置和大小。传统的形变监测方法采集的数据过于离散和稀疏。而三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式,具有测量精度高、速度快和密度大等优势,可以完整地呈现出隧道内壁的三维结构。如何对任意形状铁路隧道点云进行差异分析以获取隧道发生变化的位置和大小是本文研究的核心问题。在现有基于隧道点云的断面差异分析方法基础上,结合铁路隧道断面复杂多变但不同隧道断面中的基本设计元素却只有圆弧和直线段中的一种或两种的特点,提出了适应任意形状铁路隧道点云的断面差异分析方法。首先提出适应马蹄形、圆拱直墙形、圆形等不同断面形状的铁路隧道设计断面统一模型,再根据隧道断面与设计断面之间的拓扑关系,提出隧道断面与设计元素对应关系判定算法,在此基础上实现了基于隧道设计断面轮廓线投影的断面差异分析。解决了对任意形状铁路隧道点云进行断面差异分析的问题。通过多组模拟实验,验证了本文方法比传统的基于圆形投影的断面差异分析方法分析结果精度高。提出了基于铁路隧道点云差异分析结果的平面表达方法。提出基于隧道设计断面轮廓线投影方法来实现隧道内壁变化无死角、无变形完整地展开为栅格形式的彩色图像。它能表达出隧道真实里程、横向隧道内壁长度以及隧道内壁与隧道设计模型之间的差异。解决了3D隧道点云表达差异虽然直观但需要变换角度才能完全查看,以及传统基于断面表达差异方法缺少断面之间的变化信息等问题,可完整地反映出一段里程区间隧道内壁与设计之间差异区域的空间分布、形态和程度。通过张吉怀高速铁路长为12.162km的吉首隧道对本文研究成果进行了应用,对隧道开挖面的超欠挖、隧道二衬厚度预分析、二衬厚度竣工分析、混凝土填方量、和二衬竣工净空等方面进行测试,经过工程现场验证,断面差异分析方法的结果精度能够满足工程施工要求。