光電測(cè)量方法在盾構(gòu)隧道收斂監(jiān)測(cè)中的可行性研究

趙寧寧,王嘉偉,蘆 斌,尤相駿,賀子瑜,姜雷雷

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,寧波 315101； 2.浙江華展工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,寧波 315012)

引言

城市軌道交通在人們的日常生活中占據(jù)著極其重要的地位，保障軌道交通安全平穩(wěn)運(yùn)營關(guān)系到國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，在地鐵隧道運(yùn)營過程中，需要定期對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全質(zhì)量評(píng)估，以確保地鐵的安全運(yùn)行[1-2]。由于外界因素干擾以及自然地層變形，地鐵隧道結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生縱向及橫向變形，超過變形限差，會(huì)引發(fā)一定的災(zāi)害，需要定期對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3-5]。

近年來，隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，地面三維激光掃描技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到快速應(yīng)用，可以獲取大面積、高精度的建構(gòu)筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并為后續(xù)的建筑物建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6-8]。三維激光掃描技術(shù)可以獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠全面反映隧道內(nèi)建筑的細(xì)節(jié)信息，在一定程度上可以避免傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)中的人為因素以及其他環(huán)境因素[9-11]。

基于三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道內(nèi)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者已有一定研究。文獻(xiàn)[12]提出基于空間圓柱迭代擬合的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取中軸線的算法，該算法的中軸線定位點(diǎn)提取誤差為±3 mm；文獻(xiàn)[13]提出一種基于點(diǎn)云的隧道三維建模算法，并應(yīng)用到單空間隧道中，獲得隧道的相對(duì)變形；文獻(xiàn)[14]從地鐵隧道數(shù)據(jù)采集、三維模型建立、數(shù)據(jù)處理、成果輸出等方面加以分析，闡述快速獲得隧道管片變形量的一種方法；文獻(xiàn)[15]利用GRP 5000隧道動(dòng)態(tài)掃描系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)隧道的變形監(jiān)測(cè)，并利用全站儀檢驗(yàn)其監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，相較于傳統(tǒng)隧道變形監(jiān)測(cè)方法，移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集效率高、測(cè)量精度不受外界影響，隧道變形分析全面等優(yōu)勢(shì)，更適用于監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣，天窗時(shí)間短的運(yùn)營地鐵隧道；文獻(xiàn)[16]采用德國Z+F 9012相位式三維激光掃描系統(tǒng)，提出一種全新的軌道交通運(yùn)營期隧道監(jiān)測(cè)方案，通過與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)成果的對(duì)比分析表明，移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)在滿足監(jiān)測(cè)精度要求情況下，能夠提高監(jiān)測(cè)效率、增強(qiáng)安全保障，符合我國日益增長的地鐵隧道監(jiān)測(cè)需求。為確保地鐵的安全運(yùn)營，利用瑞士Amberg Profiler5033(德國Z+F 5010的OEM產(chǎn)品)相位式三維激光掃描系統(tǒng)、徠卡TS60全站儀以及徠卡D2手持測(cè)距儀等儀器獲取圓形盾構(gòu)隧道橫徑數(shù)據(jù)，并對(duì)比分析3種方法隧道橫徑測(cè)量值的差異。

1 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取

1.1 使用設(shè)備與技術(shù)參數(shù)

三維激光掃描技術(shù)通過激光掃描測(cè)量方法，快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)信息及其他細(xì)節(jié)信息[17-18]。本文采用Amberg Profiler 5033三維激光掃描儀，具體參數(shù)見表1，激光雷達(dá)隧道測(cè)量檢測(cè)軟件(LTIS，Lidar Tunnel Inspection System)采用絕對(duì)定位法(APM，Absolute Positioning Method)靜態(tài)設(shè)站方式獲取與隧道設(shè)計(jì)施工坐標(biāo)系一致的隧道三維掃描激光灰度點(diǎn)云。

表1 掃描儀參數(shù)指標(biāo)

1.2 絕對(duì)定位法靜態(tài)設(shè)站三維掃描

基于地鐵隧道CPⅢ控制點(diǎn)，利用徠卡TS60全站儀自由設(shè)站法設(shè)站定向后，測(cè)得掃描儀兩個(gè)棱鏡，以及靶球中心的CPⅢ坐標(biāo)系坐標(biāo)。在掃描儀工作前，由司鏡人員安置全站儀棱鏡、掃描儀棱鏡及靶球，安置位置如圖1所示。作業(yè)時(shí)，掃描儀司儀人員架設(shè)整平好掃描儀，將掃描儀基座上的2個(gè)棱鏡對(duì)準(zhǔn)全站儀方向，然后將半球棱鏡的半球一面朝向掃描儀，棱鏡的一面朝向全站儀，即可開始掃描。此時(shí)面朝隧道大里程方向，位于掃描儀基座左手的棱鏡稱為1號(hào)棱鏡，右手棱鏡為2號(hào)棱鏡，半球棱鏡為3號(hào)棱鏡(此測(cè)量點(diǎn)號(hào)命名規(guī)則為便于內(nèi)業(yè)使用軟件中的點(diǎn)云APM定位功能，對(duì)測(cè)站點(diǎn)云批量自動(dòng)傳遞CPⅢ坐標(biāo)系坐標(biāo)而無需點(diǎn)云拼接)[19]。

圖1 絕對(duì)定位法靜態(tài)掃描現(xiàn)場(chǎng)布置(單位：m)

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

2.1 技術(shù)流程

外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，點(diǎn)云和全站儀測(cè)得的每個(gè)掃描測(cè)站兩個(gè)棱鏡和靶球中心的坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光雷達(dá)隧道測(cè)量檢測(cè)軟件(LTIS)，先完成點(diǎn)云絕對(duì)定位，再進(jìn)行隧道軸線輸入、點(diǎn)云線路里程投影、根據(jù)線路里程提取斷面、斷面橢圓擬合與雜點(diǎn)過濾，然后導(dǎo)出斷面點(diǎn)數(shù)據(jù)。最后使用斷面變形分析軟件對(duì)上一步處理導(dǎo)出斷面實(shí)測(cè)點(diǎn)云進(jìn)行橢圓擬合，提取實(shí)測(cè)斷面0°、45°、135°方向軸徑特征點(diǎn)并計(jì)算這些軸徑數(shù)值[20]，操作流程如圖2所示。

2.2 斷面提取

本文采用LTIS軟件按照線路設(shè)計(jì)軸線截取管環(huán)環(huán)中+0.1 m位置點(diǎn)云正交斷面切片(切片里程方向厚度為2 cm)投影到切片中心里程處形成點(diǎn)云“壓薄”后的二維斷面圖，并用軟件過濾非環(huán)片結(jié)構(gòu)雜點(diǎn)，輸出雜點(diǎn)過濾后的實(shí)測(cè)vs設(shè)計(jì)點(diǎn)云斷面效果如圖3所示。

使用斷面變形分析軟件，斷面測(cè)點(diǎn)圖(包含0°、45°、135°內(nèi)徑及隧道拱頂最高點(diǎn)與橫徑左右端點(diǎn)連線距離)、自動(dòng)擬合橢圓生成橢圓擬合斷面圖和斷面點(diǎn)位變形曲線圖，如圖4所示。

圖2 點(diǎn)云處理流程

圖3 點(diǎn)云斷面過濾后效果

圖4 自動(dòng)擬合橢圓點(diǎn)云成果

通過圖4可以判斷軟件擬合橢圓的質(zhì)量，以及輸出隧道斷面圖和橫徑值等相關(guān)幾何特征點(diǎn)提取、特征值計(jì)算與橢圓擬合成果。

3 三種方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比與分析

3.1 全站儀與測(cè)距儀獲取橫徑值

使用徠卡TS60全站儀免棱鏡測(cè)量模式和徠卡D2激光測(cè)距儀測(cè)量隧道橫徑值與三維激光掃描獲得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其中全站儀免棱鏡測(cè)距精度為：±(2 mm+2 ppm)，測(cè)距儀標(biāo)稱精度為±1 mm。

利用全站儀和測(cè)距儀測(cè)量橫徑值應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。將全站儀架設(shè)于某一環(huán)片正中間位置，基于全站儀自帶的點(diǎn)到點(diǎn)免棱鏡測(cè)距功能，獲取隧道橫徑(一般選取兩側(cè)環(huán)片注漿孔的位置)，并標(biāo)記該測(cè)點(diǎn)位置；將測(cè)距儀緊貼于環(huán)片中間管壁上(全站儀測(cè)量標(biāo)記的位置)，每次測(cè)量應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)精度符合性檢查，并應(yīng)進(jìn)行3次獨(dú)立測(cè)量，且3次獨(dú)立測(cè)量較差小于測(cè)距標(biāo)稱精度的2倍(即±2.0 mm)，記錄3次獨(dú)立測(cè)量的結(jié)果。

3.2 三種方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

本次選取某城市圓形盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除粗差。

表2 激光掃描儀與全站儀收斂變形差異值分析

表3 激光掃描儀與測(cè)距儀收斂變形差異值分析

表4 全站儀與測(cè)距儀收斂變形差異值分析

圖5 三者收斂差異值點(diǎn)位

圖7為三者之間差異值的正態(tài)分布，由圖7可知，針對(duì)三者差異值均在±3 mm進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，掃描儀與測(cè)距儀差異值均值為-0.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.26，掃描儀與全站儀差異值均值為-1.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.37，全站儀與測(cè)距儀差異值均值為0.9 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.74。由此可知：三維激光掃描儀和測(cè)距儀直接測(cè)量的橫徑值差異最小，且分布區(qū)間較為集中；三維激光掃描儀與全站儀免棱鏡測(cè)量的橫徑值差異較為分散；全站儀免棱鏡測(cè)量與測(cè)距儀測(cè)量的橫徑值差異較小，分布區(qū)間較為集中。經(jīng)過對(duì)比分析隧道橫徑值，可知三維激光掃描儀和測(cè)距儀測(cè)量效果優(yōu)于全站儀免棱鏡測(cè)量。

圖6 三者收斂差異值區(qū)間分布餅狀圖(單位：mm)

圖7 三者之間差異值的正態(tài)分布

通過對(duì)比3種隧道橫徑測(cè)量值的差異，分析得出各測(cè)量方法均可用于地鐵隧道收斂變形監(jiān)測(cè)。經(jīng)過分析3種差異值可知，另外兩種方法與全站儀免棱鏡測(cè)量方法產(chǎn)生的差異值較大。這是由于TS60全站儀的亞毫米級(jí)精度是基于棱鏡測(cè)量模式，而不是免棱鏡測(cè)量模式。TS60全站儀免棱鏡模式測(cè)距精度為2 mm+2 ppm，低于三維激光掃描儀與手持測(cè)距儀的1 mm測(cè)距精度。

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)以某城市地鐵圓形盾構(gòu)區(qū)間隧道為試驗(yàn)對(duì)象，采用三維激光掃描儀、徠卡TS60全站儀和徠卡D2手持測(cè)距儀等3種儀器獲取地鐵隧道橫徑值，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：3種測(cè)量方法均可以滿足地鐵隧道收斂變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求；針對(duì)測(cè)量誤差在±3 mm內(nèi)，三維激光掃描儀和測(cè)距儀直接測(cè)量的橫徑值差異最小，且分布區(qū)間較為集中；三維激光掃描儀與全站儀免棱鏡測(cè)量的橫徑值差異較為分散；全站儀免棱鏡測(cè)量與測(cè)距儀測(cè)量的橫徑值差異較小，分布區(qū)間較為集中。綜合可知：三維激光掃描和測(cè)距儀測(cè)量效果優(yōu)于全站儀免棱鏡測(cè)量；三維激光掃描和手持測(cè)距儀兩種隧道橫徑測(cè)量方法在技術(shù)與精度上是完全可行并且可靠的。