三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂監測中的應用

張蘊明，馬全明，李丞鵬，耿長良，李 響

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

一、引 言

地鐵隧道收斂監測，即地鐵運營過程中，由于受到地面、周邊建筑物負載及土體擾動、隧道周邊工程施工及隧道工程結構施工、地鐵列車運行振動等原因，會對隧道產生綜合影響而造成隧道變形。通過儀器設備對這種變形量進行監測，分析數據，以判斷變形是否在允許的范圍內，是地鐵隧道安全監測工作中非常重要的環節。

傳統的隧道收斂監測，一般采用兩種方法：鋼尺收斂計接觸法測量和全站儀非接觸法測量。鋼尺收斂計法就是直接用鋼尺量取隧道直徑，這種方法雖然操作簡單，但是具有明顯的局限性和不利之處：首先是作業效率低;其次是量測結果容易受到人為誤差的影響。全站儀非接觸測量即采用全站儀進行坐標傳遞，每個測站都需要對中和量取儀器高，并瞄準斷面上的不同方向點進行觀測。由于地鐵在運營時間內不能進行觀測，而只能在晚上3～4 h停運時間內進行工作，受到本身的作業復雜性和晚上光線環境因素的影響，這種監測方式同樣也不是最好的工作方法。

二、三維激光掃描技術在隧道收斂監測中的工作流程

整個工作流程分為外業數據采集、數據預處理、三角網模型建立、隧道斷面截取、成果輸出、對比分析等。

(1)外業數據采集

根據現場環境復雜度以及不同儀器本身有效工作范圍的不同，合理的設置測站和標靶球的位置。標靶球注意不要擺放在一個面內，以免影響拼站精度。如果需要將斷面坐標統一到絕對坐標系中，需要用全站儀測出一些標靶球的絕對坐標，作為坐標轉換的控制點。

(2)數據預處理

在點云后處理軟件中，根據測站間共有的標靶球拼接各個測站的點云數據。原始的點云數據中存在噪聲點及其他無用數據，比如工作人員、各類障礙物等，這些都需要在后處理軟件中剔除。

(3)三角網模型建立

點云數據經過預處理后，在專業的建模軟件中建立三角網模型，建模過程中要注意以真實情況為主，避免大量漏洞的修補。

(4)隧道斷面截取

建立好三角網模型后，在專業軟件中，確定出隧道的中心線，并沿其法線方向按一定間隔截取隧道的斷面圖。

(5)成果輸出

將截取的斷面圖輸出成 DWG格式文件，在CAD軟件中量取隧道不同方向上的半徑值。

(6)對比分析

將不同間隔的斷面收斂成果數據制作成表格和直方圖，進行分析統計。

三、實測案例

由我院負責的北京地鐵某號線全線隧道收斂監測工作中，先前一直采用收斂計配合全站儀的工作模式，為了進行新技術的推廣，選取了某區段中一個長約100m的區域進行了正右線的三維激光掃描方式的隧道收斂監測試驗。

1．儀器的選用

儀器選用我院擁有的美國FARO Focus3D掃描儀，如圖1所示。

這款掃描儀每秒最大掃描976 000點，25 m內的系統距離誤差不大于±2mm。

2．數據采集

(1)掃描參數設定

根據以往的工作經驗，整個數據采集工作選用中等速度和質量進行，分辨率設為1/5，質量設為4X，一個測站的掃描時間大約為6min 30 s。

圖1 FARO Focus3D掃描儀

(2)儀器設站及標靶球的擺放

考慮到數據采集精度及儀器的有效距離，每個測站間隔大約30m，試驗段區域左右線一共擺放了6站。在試驗段的兩端分別擺放不同數量的標靶球，用以辨認測量區域范圍。在每兩個測站之間，擺放3個以上的標靶球，注意標靶球應避免在一個平面內，以免影響拼站精度。圖2為掃描工作中標靶球的擺放。

圖2 標靶球的擺放

3．數據處理

(1)點云拼接和噪點處理

利用儀器配套的Faro Sense點云后處理軟件進行測站拼接。并在Cyclone軟件中刪除噪點。

(2)三角網模型的建立

在Geomagic軟件選定合適的參數對處理好的點云數據建立三角網模型。隧道的點云視圖和三角網模型視圖分別如圖3、圖4。

圖3 隧道點云視圖

圖4 隧道三角網視圖

(3)中心線提取及斷面輸出

利用RealWorks Survey軟件對隧道模型進行中心線的提取并按每隔2個環片輸出中心線法線方向的斷面圖，成果為DWG格式，如圖5、圖6所示。

圖5 截取的一組斷面圖

圖6 截取的一個斷面圖

(4)半徑的量取

在CAD軟件中，由斷面圖中心點分別沿正左、左45°、正上、右45°、正右5個方向量取半徑值。如圖7所示。

圖7 斷面半徑值量取

四、成果分析

(1)掃描儀獲取數據分析

將不同斷面各個方向的半徑值統計成表格，并生成折線圖。可以看出正上方的半徑值明顯小于其他方向上的半徑值，遵循上下縮小，兩側擴大的隧道收斂一般規律。圖8為生成的半徑直線圖。

圖8 左線不同方向上的半徑值折線圖

通過統計圖可以看出，隧道斷面各方向上的平均半徑在2．72m左右，其中頂部方向的半徑值基本上在2．70～2．71 m之間，其他方向上的半徑值在2．72～2．74m之間，結果滿足隧道收斂測量要求如圖9所示。

圖9 右線不同方向上的半徑值折線圖

(2)掃描儀模式同全站儀模式數據比較

選用本次掃描儀測量獲取的數據同前期用全站儀測量獲取的數據進行比較，由于全站儀獲取的數據是按等距離米數進行隧道斷面切割的，而不是按環片數截取的，所以這里只是選取位置接近的地方進行比較。比較成果如下圖所示。

圖10 掃描儀成果同全站儀成果的比較

從比較結果來看，掃描儀獲取的數據和全站儀獲取的數據雖然在數值上會有一些差別，但變化趨勢基本上一致。

五、結束語

采用三維激光掃描技術進行隧道的收斂變形監測，能夠一次快速、完整、全方位地采集隧道內部的表面數據，并且從數據處理結果上看，符合隧道收斂變形一般規律，能夠滿足地鐵隧道收斂變形的測量要求。實踐證明，采用本方法，與傳統的測量方法比較，極大地提高了作業效率，降低了作業強度，縮短了變形監測周期，對于地鐵隧道等運營間斷時間短的隧道安全檢測是有效的方法。

[1]徐源強，高井祥，王堅．三維激光掃描技術[J]．測繪信息與工程，2010，35(4)：5-6．

[2]畢俊，馮琰，顧星曄，等．三維激光掃描技術在地鐵隧道收斂變形監測中的應用研究[C]∥地理信息與物聯網論壇暨江蘇省測繪學會2010年學術年會論文集．南京：江蘇省測繪學會，2010．

[3]羅德安，朱光，陸立，等．基于三維激光影像掃描技術的整體變形監測[J]，測繪通報，2005(7)：40-42．

[4]鄭小寧，劉軍平．三維激光掃描的應用與精度分析[J]．地理空間信息，2008，6(1)：132-134．