現(xiàn)代測繪技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

張文春 徐正元 張理想 馬金峰

(吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

城市軌道交通是城市公共交通的骨干.其中,地鐵系統(tǒng)以其運量大、空間利用率高、安全節(jié)能等特點,成為當(dāng)今城市化進程中優(yōu)化城市交通的有效手段.地鐵建設(shè)和運營會帶動沿途經(jīng)濟及城市建設(shè)的發(fā)展同時,會因地鐵施工及沿線城市建設(shè)所造成的土體應(yīng)力狀態(tài)變化導(dǎo)致建筑物、構(gòu)筑物及地鐵結(jié)構(gòu)的變形,從而產(chǎn)生安全隱患.在地鐵施工運營及地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)的工程活動中,地鐵保護監(jiān)測成為保護地鐵及沿線建筑結(jié)構(gòu)安全、確保市民安全出行的必要手段.地鐵變形監(jiān)測的主要工作就是利用直接或間接獲取隧道結(jié)構(gòu)的三維空間信息.傳統(tǒng)地鐵保護監(jiān)測方式，如收斂計位移監(jiān)測、全站儀拱頂位移監(jiān)測、水準(zhǔn)儀隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測等，因功能單一、人工測量工作繁雜、觀測時段受限等,已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)今高效率地鐵施工進度和高密度地鐵運維工作.隨著測繪科學(xué)的不斷進步、施工測量工藝的不斷改進及電子儀器技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展[1],如自動化全站儀地鐵監(jiān)測系統(tǒng)、三維激光掃描技術(shù)及近景攝影測量技術(shù)等，已經(jīng)逐步應(yīng)用到地鐵保護監(jiān)測工作當(dāng)中.

1 全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)是集電磁波測距技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)通訊及自動目標(biāo)識別技術(shù)等,利用計算機語言開發(fā),基于服務(wù)器、控制器、客戶端等硬件的C/S架構(gòu)的自動化測量系統(tǒng)(見圖1).

國內(nèi)外行業(yè)專家對該類系統(tǒng)進行了多方面的理論論證和開發(fā)應(yīng)用.1983年，Hannover大學(xué)利用相機及數(shù)字影像處理技術(shù)成功實現(xiàn)測量目標(biāo)的準(zhǔn)確定位,利用無線電通訊裝置實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸,這就是現(xiàn)代化測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)的雛形；張書華基于TCA200型全站儀開發(fā)了隧道變形自動監(jiān)測系統(tǒng)[2]；徠卡公司自1997年于香港九龍?zhí)潦状蔚罔F自動化監(jiān)測試驗成功以來,一直致力于自動化監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和完善，至今,依托高精度TS(TM)30型測量機器人開發(fā)的GeoMoS自動化監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)外廣泛認(rèn)可和應(yīng)用；裴運軍(2011)對該系統(tǒng)的觀測精度進行了分析評定[3]；徐正元(2017)在實際工程中對該系統(tǒng)進行沉降監(jiān)測的可靠性進行了長期的實際觀測和理論分析,并對觀測結(jié)果進行了精度評定[4]；GeoMoS監(jiān)測系統(tǒng)在沉降監(jiān)測中采用高精度測量機器人結(jié)合中間法進行三角高程解算,其精度受mα,ms,mk影響.

由上式計算極限誤差最大值Δmax限=2mh≈0.014 72mm.此精度符合國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范要求.

該系統(tǒng)在待測區(qū)域內(nèi)布設(shè)控制網(wǎng),于各斷面布設(shè)小棱鏡,基于全站儀免棱鏡測距及ATR技術(shù)實現(xiàn)自動化空間信息獲取,其位移精度可達±0.3mm[3].在實際工程應(yīng)用中,以高精度電子水準(zhǔn)儀觀測沉降數(shù)據(jù)為準(zhǔn),對比該系統(tǒng)在沉降監(jiān)測中的實際成果(如圖2所示).紅色點為隧道監(jiān)測點實際沉降情況,藍色點擬合曲線為自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映沉降情況.由此可見,自動化監(jiān)測曲線在人工監(jiān)測值上線波動,與人工監(jiān)測值上下偏差最大為+0.22mm至-0.18mm,整體趨勢吻合情況良好[4].

結(jié)合精度評定及工程實踐可見全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對地鐵隧道高精度、全天時全天候、自動高效的變形監(jiān)測.

圖1 全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Total station automatic monitoring system

圖2 自動化監(jiān)測值與人工監(jiān)測值對比曲線圖Fig.2 Comparison curve between the automatic monitoring data with manual monitoring data

2 三維激光掃描技術(shù)

圖3 技術(shù)流程圖Fig.3 Flowchart

相比傳統(tǒng)監(jiān)測方式和自動化監(jiān)測技術(shù)而言,三維激光掃描技術(shù)作為變形監(jiān)測領(lǐng)域的前沿技術(shù),利用高速激光測距技術(shù)配合精密時鐘編碼器量測隧道實體空間離散矢量距離點即點云.在掃描儀獨立坐標(biāo)系下的斜距、水平方向及距離、天頂距、反射強度等信息,配合CCD傳感器解算空間實體拓撲信息，經(jīng)過對點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、抽稀、去噪及濾波等過程,最終實現(xiàn)對空間實體線、面、體等空間信息數(shù)字化高還原度重構(gòu).三維激光掃描技術(shù)以其觀測快速、主動式非接觸測量、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)精度高、成果直觀等特點,適用于現(xiàn)代地鐵高效施工及高頻率運營維護中隧道變形監(jiān)測工作.

在利用三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)隧道變形監(jiān)測的研究中,通過隨機采樣一致性(RANSAC)[6]及最小二乘算法來實現(xiàn)對隧道中軸線的提取,利用不變矩實現(xiàn)隧道連續(xù)斷面的提取,最終利用局部曲面擬合及最小二乘曲線擬合完成變形曲線擬合分析,得到變形信息技術(shù)流程如圖3所示.實際工程案例中,使用Z+F三維激光掃描儀及瑞士Amberg公司開發(fā)的基于隧道中軸線及連續(xù)斷面提取的變形監(jiān)測系統(tǒng)TMS TunnelScan，來實現(xiàn)三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測中的應(yīng)用研究.

圖4 測站隧道點云示意圖Fig.4 Point cloud of tunnel scan data

在TMS TunnelScan監(jiān)測系統(tǒng)中,程序通過鍵入的監(jiān)測隧道的設(shè)計軸線及設(shè)計半徑信息解算并擬合出理論中線以及里程對應(yīng)的設(shè)計斷面[7].三維激光掃面儀所采集的點云數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后轉(zhuǎn)碼并加載到程序如圖4所示.

經(jīng)中軸線、連續(xù)斷面提取并截取到對應(yīng)里程點斷面與設(shè)計斷面進行疊加對比,從直觀模擬影響及量化隧道斷面空間數(shù)據(jù)指標(biāo)對隧道進行超欠挖斷面分析和方量報告、斷面收斂和錯臺分析、侵界檢測、砌襯厚度、方量、滲水影像、裂縫影像、地質(zhì)素描、平整度分析等多元監(jiān)測評價.斷面理論半徑與實際半徑對比分析及多期斷面實際半徑疊加分析可直觀反應(yīng)隧道結(jié)構(gòu)變形情況,并對該系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)精度評定,如圖5所示.

圖5 隧道斷面變形監(jiān)測成果示意圖Fig.5 Deformation monitoring results of tunnel section

圖6 實測半徑與設(shè)計半徑差值柱狀圖Fig.6 Histogram of difference between measured radius and design radius

3 傳統(tǒng)監(jiān)測手段與現(xiàn)代監(jiān)測方法的對比分析

相比之下,地鐵保護監(jiān)測工程中傳統(tǒng)監(jiān)測手段較比現(xiàn)代化監(jiān)測方式存在如下不足:

(1) 針對不同監(jiān)測單項任務(wù)的傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段,因不同儀器的精度和功能所限具有局限性，如普通全站儀三角高程測量精度所限，僅應(yīng)用于位移監(jiān)測，而不能用于沉降監(jiān)測,而沉降監(jiān)測中則需使用高精度水準(zhǔn)儀再次觀測,影響監(jiān)測效率.

(2) 因人工監(jiān)測與地鐵運營的空間沖突具有觀測周期的不連續(xù)性(在地鐵運營期間),人員和儀器不能進入隧道施測,需等晚間地鐵停運維護期間進行觀測，從而造成大于12h的觀測空白期,影響監(jiān)測質(zhì)量.

(3) 因傳統(tǒng)測量儀器作業(yè)方式和觀測效率所限，具有觀測數(shù)據(jù)離散性，如全站儀隧道位移監(jiān)測及水準(zhǔn)儀隧道沉降監(jiān)測中，僅能對少量固定變形特征點做到坐標(biāo)采集,無法在觀測周期內(nèi)采集更多隧道點空間信息,無法對被測隧道做到空間位置的完整還原和整體監(jiān)測.

由此可見,傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)今高效率地鐵施工進度和高密度地鐵運維工作.全站儀自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)以及三維激光掃描變形監(jiān)測系統(tǒng)，以其獨特的數(shù)據(jù)采集方式和先進的信息化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以做到全天時全天候、高效率高精度、多維度自動化的監(jiān)測.傳統(tǒng)變形監(jiān)測手段與現(xiàn)代化變形監(jiān)測方式綜合對比見表1.

表1 傳統(tǒng)與現(xiàn)代監(jiān)測方式綜合對比Table 1 Comprehensive comparison of traditional and modern monitoring methods

續(xù)表1

4 結(jié)論與展望

應(yīng)用實踐的數(shù)據(jù)成果質(zhì)量分析證明,以全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)和三維激光掃描技術(shù)為代表的現(xiàn)代化地鐵隧道監(jiān)測方式，在作業(yè)效率、數(shù)據(jù)精度、自動化及功能多元化方面，比傳統(tǒng)的監(jiān)測手段有了顯著的提高,其精度評定結(jié)果和工作穩(wěn)定性實踐證明，現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)是可靠的.以GeoMos為代表的全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)以其全天時全天候、自動化的特點，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)監(jiān)測方式并廣泛應(yīng)用于地鐵保護監(jiān)測工程之中.目前三維激光掃描技術(shù)正成為高校、科研院所及企業(yè)在地鐵隧道監(jiān)測應(yīng)用中關(guān)注的重點.在點云數(shù)據(jù)拼接和處理、隧道中軸線及連續(xù)斷面提取的過程中,精度的提高、效率的改善仍是當(dāng)下應(yīng)用研究的重點方向.利用更加優(yōu)化的算法對隧道監(jiān)測工程中諸多子項開發(fā)更加成熟、更有針對性的應(yīng)用程序,并進行理論論證和工程檢驗，尚有廣闊的研究開發(fā)前景.

參 考 文 獻

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