三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用

袁長征，滕德貴，胡 波，劉秀涵

(1. 重慶市勘測院，重慶 400020; 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

天寶測繪解決方案專欄

三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用

袁長征1，滕德貴1，胡 波1，劉秀涵2

(1. 重慶市勘測院，重慶 400020; 2. 北京麥格天渱科技發(fā)展有限公司，北京 100043)

針對傳統(tǒng)隧道監(jiān)測手段工作效率低、數(shù)據(jù)不全面、自動(dòng)化程度低等缺陷，將三維激光掃描技術(shù)引入地鐵隧道變形監(jiān)測中，詳細(xì)介紹其作業(yè)流程，并以實(shí)際工程為例進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理分析。試驗(yàn)結(jié)果表明了該方法在隧道變形監(jiān)測中的可行性和優(yōu)越性。

三維激光掃描；隧道；變形監(jiān)測；點(diǎn)云；斷面

地鐵隧道在建設(shè)及運(yùn)營過程中由于土體擾動(dòng)、周邊工程施工及建構(gòu)筑物負(fù)載等原因，其結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生縱向及橫向變形，超過一定程度的變形會危害隧道安全，影響地鐵的正常運(yùn)營，因此隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測是地鐵隧道安全監(jiān)測工作中非常重要的環(huán)節(jié)。

三維激光掃描技術(shù)能提供視場內(nèi)有效測程的一定采樣密度的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并構(gòu)建三維模型數(shù)據(jù)場，能夠全面準(zhǔn)確地反映監(jiān)測對象的細(xì)節(jié)信息，有效避免了傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段的局部性和片面性。此外，三維激光掃描技術(shù)對作業(yè)環(huán)境的光照條件沒有要求，在黑暗的隧道照樣能正常工作，且數(shù)據(jù)采集效率高，5 min左右即能完成一個(gè)測站的數(shù)據(jù)采集，能很好地滿足運(yùn)營地鐵隧道一般只能在夜間較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)的要求。

1 工程實(shí)例

本次選取重慶軌道交通六號線一段長約200 m的輕軌隧道進(jìn)行試驗(yàn)，采用的儀器為Trimble TX8激光掃描儀，數(shù)據(jù)處理軟件為Trimble Realworks軟件?，F(xiàn)場控制點(diǎn)分布及第一期掃描的測站和標(biāo)靶布設(shè)方式如圖1所示。

圖1 測站及標(biāo)靶布設(shè)圖

2016年6月30日及2016年11月14日分別對該區(qū)間隧道進(jìn)行了兩次掃描。

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后，將各站的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入RealWorks軟件，提取標(biāo)靶的中心點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行配準(zhǔn)，然后基于控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到重慶獨(dú)立坐標(biāo)系中。第一期掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過配準(zhǔn)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)

截取其中一段點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先進(jìn)行點(diǎn)云去噪，剔除側(cè)壁支架、管線、道床及作業(yè)人員等噪聲數(shù)據(jù)，去噪前后的點(diǎn)云分別如圖 3(a)、(b)所示。

圖3 隧道試驗(yàn)區(qū)間點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.2 精度分析

為了分析三維激光掃描儀的測量精度，在隧道內(nèi)選取兩個(gè)斷面布設(shè)平面反射標(biāo)靶，用三維激光掃描儀對各標(biāo)靶進(jìn)行掃描并提取中心點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)采用測角精度為0.5″、測距精度為0.6 mm+1×10-6D的高精度全站儀測量各標(biāo)靶的中心點(diǎn)坐標(biāo)，兩者的測量結(jié)果見表1。

從表1可以看出，三維激光掃描儀獲取的坐標(biāo)與全站儀測量坐標(biāo)的差值最大不超過4 mm，經(jīng)計(jì)算得到水平點(diǎn)位中誤差σ0=±0.56 mm、高程中誤差σz=2.45 mm，滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》中變形監(jiān)測Ⅱ級所要求的±3 mm及±5 mm[13]，表明此款三維激光掃描儀的測量精度能夠滿足隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的要求。

表1 標(biāo)靶坐標(biāo)對比

注：X、Y坐標(biāo)均省略前3位數(shù)字。

1.3 斷面提取及變形分析

三維激光掃描的點(diǎn)云包含了隧道結(jié)構(gòu)表面的坐標(biāo)信息，從多期掃描數(shù)據(jù)中提取相同位置的斷面曲線進(jìn)行對比，可分析隧道的變形情況。首先在RealWorks處理軟件中基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成隧道結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)模型，如圖 4所示。

圖4 隧道試驗(yàn)區(qū)段三角網(wǎng)

提取斷面時(shí)，設(shè)置起止位置及斷面間距，軟件即可自動(dòng)生成相應(yīng)的斷面曲線及斷面中心點(diǎn)坐標(biāo)、法線等屬性信息。在試驗(yàn)區(qū)段以1 m為間距提取32個(gè)斷面，如圖 5所示。

圖5 試驗(yàn)區(qū)段斷面曲線

斷面曲線提取完成后，通過斷面分析器可對同一位置的兩期斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其中一個(gè)斷面的分析結(jié)果如圖 6所示。從圖中可以看出，兩期斷面數(shù)據(jù)的差值大多在2 mm以內(nèi)，最大不超過4 mm且斷面各位置的差值呈正態(tài)分布，表明該斷面沒有發(fā)生明顯變形。為了對隧道的整體變形趨勢進(jìn)行分析，提取各個(gè)斷面的中心點(diǎn)坐標(biāo)并連接形成隧道結(jié)構(gòu)的中軸線，通過兩期中軸線數(shù)據(jù)的對比分析隧道的整體變形情況。各個(gè)斷面中心點(diǎn)坐標(biāo)在X、Y、Z3個(gè)方向上的差值如圖 7所示。

圖6 斷面對比分析

圖7 隧道中軸線坐標(biāo)偏差

從圖7可以看出，基于兩期掃描數(shù)據(jù)提取的隧道中軸線坐標(biāo)在3個(gè)維度上的差值均在6 mm以內(nèi)，并且在不同斷面位置無趨勢性差異，表明該隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)在整體上無明顯變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2 結(jié) 語

本文在分析傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測手段缺陷及三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道安全監(jiān)測中的作業(yè)流程并進(jìn)行了工程實(shí)踐。分析結(jié)果表明，三維激光掃描儀的測量精度能夠滿足隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的要求，可以準(zhǔn)確、快速獲取隧道空間數(shù)據(jù)，提高了作業(yè)效率，基于斷面曲線及隧道中軸線的變形分析方法能夠從局部和整體兩個(gè)層面反映隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，為地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測提供了一種科學(xué)可行的解決方案。