三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用

蔡志杰

摘 要：現(xiàn)階段，地鐵隧道的安全問題是人們關注的重點問題之一。本文分析了傳統(tǒng)地鐵隧道變形監(jiān)測方法的不足與三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中應用的優(yōu)勢，提出了利用三維激光掃描點云截取隧道橫斷面，并對截取的斷面擬合橢圓的變形監(jiān)測方法，實現(xiàn)了三維激光掃描技術在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用。

關鍵詞：三維激光掃描；地鐵隧道；變形監(jiān)測；方法

對于地鐵隧道來說，隧道變形監(jiān)測對隧道施工及運營中的安全具有十分重要的意義。目前，現(xiàn)有的監(jiān)測方法主要是在隧道壁上埋點，利用全站儀、斷面儀、收斂儀等進行監(jiān)測。但是這些方法既費時、費力，還無法實現(xiàn)對隧道的整體、實時以及自動監(jiān)測。隨著三維激光掃描儀測量精度的不斷提高，其應用范圍逐漸擴展到形變監(jiān)測領域。在地鐵隧道的形變監(jiān)測中，三維激光掃描獲得的點云數(shù)據(jù)可以將目前基于點的形變監(jiān)測發(fā)展為基于面的形變監(jiān)測，與現(xiàn)有監(jiān)測方法相比具有巨大的優(yōu)勢。

1傳統(tǒng)地鐵隧道變形監(jiān)測方法的不足

隨著城市的不斷發(fā)展，地鐵建設的規(guī)模逐漸擴大，受多種因素的影響，地鐵隧道變形的問題愈加嚴重，所以對其進行監(jiān)測十分必要。在傳統(tǒng)的地鐵隧道監(jiān)測中，通常需要大量的監(jiān)測人員，而地鐵隧道的線路較長，其監(jiān)測項目多且數(shù)據(jù)量大，這就給監(jiān)測工作帶來了極大的困難，具體表現(xiàn)為：第一，監(jiān)測點的數(shù)量被限制。由于地鐵隧道變形的監(jiān)測點數(shù)量比較多，就使得工作量增大，監(jiān)測周期加長，進而無法很好的反映地鐵的變形情況。如果減少監(jiān)測點的話，就不能正確反映出地鐵的變形趨勢，從而使地鐵隧道結構的變形荷載分析受到限制，很難進行相應的測量工作；第二，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法無法使用高效和機動的測量手段，這會導致某些范圍內交通運輸?shù)闹袛?；第三，地鐵隧道設施復雜的環(huán)境易對安全監(jiān)測產(chǎn)生干擾。因此需要研究一種高效、經(jīng)濟實用的新型監(jiān)測技術。

2.三維激光掃描在地鐵變形監(jiān)測中應用的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，利用三維激光技術對地鐵變形情況進行監(jiān)測具有諸多的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：第一，三維激光掃描在地鐵變形監(jiān)測中的應用不僅可以提高監(jiān)測精度，還能夠快速完成地鐵隧道結構變形的監(jiān)測，縮短監(jiān)測周期；第二，所使用的傳感器經(jīng)濟且耐用；第三，數(shù)據(jù)采集和處理一體化，具有人工智能和實時處理的功能，最大限度減少人工參與。

3.如何進行地鐵隧道變形的檢測

在隧道點的云中提取出中軸線，再沿著隧道的中軸線之間的間隔，對隧道的斷面進行連續(xù)的截取，同時將截取的斷面擬合成橢圓，對擬合形成的短半軸、長，和設計半徑之間的差異進行詳細的分析研究，最終根據(jù)具有加大差異的斷面，找出一個形變量相對較大的點位。

3.1中軸線的提取

隧道點的特征是云帶狀分布，所以我們可以根據(jù)方位角最值搜索算法提取邊緣點，以此來進行隧道中軸線的擬合。隨后，可以把原始點云投影到水平面上，同時將其進行旋轉，使隧道同X軸呈相同的走向。隧道的中軸線可以通過上、下兩條邊緣線得到，在對上邊緣點搜索的時候，Y軸可以定為方位角的起始方向，在對下邊緣進行搜索的時候，Y軸相反的方向可以定為方位角的起始方向。在隧道點中可以選出任意一個種子點，并且設定搜索半徑為r，通過公式將半徑內的各點與種子點的方位角計算出來，提取出最大和最小的兩個搜索點，當做下一次搜索的種子點，如果把最小方位角設定為搜索條件，則可以視為向右側進行搜索，如果把最大方位角設定為搜索條件，則視為向左側搜索，兩個方向共同搜索的點集，就形成了一條十分完美的邊緣線。

3.2斷面的連續(xù)截取

正如圖1所示，順著擬合的隧道中軸線，以同等間隔設立分割點，并且將分割點之間的間距定為d，通過公式（1）計算出各分割點處的法平面，隨后對距離各法平面小于d0的掃描點進行搜索，最終實現(xiàn)各分割點處對于段面的連續(xù)截取。

， （1）

3.3關于斷面的擬合以及形變的分析

通過隧道盾構環(huán)片的作用，隧道的兩側將會漸漸擴張、頂部出現(xiàn)沉隆，而隧道的盾構環(huán)片形狀也會由圓形變?yōu)闄E圓。這時候就要我們隊截取出來的斷面進行分別的擬合，把擬合出來的長半軸和短半軸與設計的圓形半徑進行詳細的比較分析，最終能夠知道隧道平面在水平和垂直方向上的形變量，并在形變量最大的斷面中，找到形變量最大的點位。

經(jīng)過轉換后的隧道平面會與YOZ平面保持平行，所以隨意橢圓的擬合方程便為：

（2）

4地鐵隧道變形監(jiān)測發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，隨著隧道及地下工程修建技術水平的不斷提高，信息化施工已經(jīng)逐漸成為地下工程發(fā)展的必然趨勢，此時工程的實時監(jiān)測也將發(fā)揮更大的作用。這種情況下，人們對監(jiān)控量測提出了更高的要求，實時監(jiān)測技術必將會得到很大的發(fā)展，其發(fā)展趨勢如下：

4.1遙控化的監(jiān)控量測

由于計算機技術及通信技術的不斷發(fā)展，遠程監(jiān)控已經(jīng)變成了現(xiàn)實，遙控化的監(jiān)控測量不但節(jié)省了大量的人力和物力，還可以對多項的內容同時進行監(jiān)測，這便在很大程度上避免了同施工之間發(fā)生的各種沖突，加快了信息采集與反饋效率的提升效率。

4.2實時化的監(jiān)控測量

對于一些例如隧道這樣的地下工程來講，對施工環(huán)節(jié)的要求很高，這需要必須及時反饋監(jiān)測信息，并且可以對施工現(xiàn)場的信息進行實時的掌握控制，最終可以對施工的方法進行及時優(yōu)化和完善。

4.3加強采集的精確度

在進行城市地下工程的監(jiān)測中，特別是對已經(jīng)竣工的結構運營階段進行的監(jiān)測過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化并不是很明顯，這就要求監(jiān)測的精度必須非常高。自動化的監(jiān)測不僅能夠確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性和及時性，而且當監(jiān)測數(shù)據(jù)超出了預警范圍值，系統(tǒng)還可以報警提示。

4.4自動化的后處理

后處理也屬于監(jiān)測內容的一部分，我國目前應用較多的還是人工后處理的方法，面對復雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這種方法的效率明顯較低，這便會直接對檢測的實時性產(chǎn)生影響。所以，我們必須通過計算機軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)實行自動化的處理和分析，并對最終結果進行反饋。

在電子科技不斷發(fā)展的帶動下，要求隧道的發(fā)展必須實現(xiàn)自動化和系統(tǒng)化。面對著隧道以及地下工程的需要，以及我國目前自動化監(jiān)測的現(xiàn)狀，國家高技術研究發(fā)展計劃“863”計劃及交通部已經(jīng)立項，并且已經(jīng)把對于這方面的研究工作列入了重點的工作范圍。

5.結 語

針對地鐵隧道的形狀特征，本文提出了利用中軸線截取斷面進行形變分析的方法，包括提取中軸線、連續(xù)截取斷面以及斷面擬合，實現(xiàn)了三維激光掃描技術在地鐵變形監(jiān)測中的應用，希望對日后的地鐵隧道變形監(jiān)測工作有所裨益。

參考文獻：

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