基于地面激光技術的隧道變形監測技術

楊永波

(重慶市勘測院，重慶 400020)

基于地面激光技術的隧道變形監測技術

楊永波

(重慶市勘測院，重慶 400020)

研究了將地面激光技術應用于地鐵隧道變形監測，運用精簡后點云數據構建地鐵隧道模型，對隧道進行整體變形分析，構建地鐵隧道三維模型不僅提高了變形監測精度，而且能夠反映隧道整體變形趨勢。

地面激光技術;隧道變性;監測技術

前言

隨著新世紀科學技術的高速發展，激光技術也不斷的取得新的進步，其精度不斷得到提高，在比較高的精度變形監測領域的研究內，使用高精度的激光掃描儀已經成為現在的研究趨勢。在本文中，探討了地面激光技術在地鐵隧道變形監測中的應用，通過相關的實驗來構建了地鐵隧道的模型，從而從整體的變形角度對隧道進行研究。

一、地面激光技術的應用現狀

在傳統的變形監測中，所運用的控制點坐標是按照單點三角測量的時間序列排序的，所需要的檢測時間比較長，勞動強度比較大，而且監測的結果受到多個方面的因素的影響。地面激光技術在地鐵隧道變形監測中可以通過短時間就可以全面獲取變形監測對象的數據信息，并且對這些數據進行處理，從而進行變形分析，正因為如此地面激光技術在地鐵隧道變形監測中的應用成為該領域的研究熱點。

目前，在地面激光技術在地鐵隧道變形監測中的應用存在著多個方面的問題需要解決:隧道掃描多個站臺數據的過程中缺乏相應的控制，因此道之所掃描出來的數據拼接精度不高;其次，地面激光儀器可以在短時間內經過掃描得到云數據，然而所獲得的這些數據是處于不同時間段的數據，很難在其中找到同名點。為了解決這個問題，可以通過將地面激光數據和其他的數據進行結合，實現多站數據的拼接，從而提高數據拼接的精度。

二、實驗與研究

1、實驗具體流程。選擇某地區的地鐵交叉部分作為研究對象，長度為100米，對其進行變形監測。因為受到建設施工的影響，導致該段地鐵隧道發生變形，其變形的程度與地鐵的安全運行存在這直接的聯系，所以必須重視對該地鐵進行監測。在監測的過程中，一共使用了三種監測方法，包括了:地面激光技術、全站儀監測技術以及光線位移計，具體的流程如下所示:

首先，所設置的控制點與站點分為三個組成部分，包括了對不同時間序點的云數據進行采集，在不同時許點的坐標全站儀多次進行數據采集，以及在不同時需控制點水準儀高程數據進行多次采集。其次，對所采集到的數據進行處理，在不同時序點所采集到的云數據進行高精度的拼接與濾波，通過點云法向量進行精簡，采用點云構建網進行變形分析。另一方面，對在全站儀和水準儀所采集到的數據進行多次的數據平方差計算，并對其進行單點的變形監測分析以及采用光線位移計進行變形分析獲得數據，最后把該數據與點云構建網的變形分析數據進行對比分析。

2、隧道的變形監測分析。對所采集到的云數據進行拼接以及預處理，精簡預處理的云數據，所得的數據量得到大量的減少，變為原來的五分之一，這些點是在原始云數據的數據進行處理的，依然保留著原來數據的特點，同時由于經過精簡預處理數據，其所得到的數據點用以進行構網的速度得到大幅度加快。在構建三角網的時候，由于可以保留大量的原始信息，因此所得到的變形分析結果具有極高的準確性。其次，通過掃描儀進行多次的掃描，采用建模對多次掃描得到的點云數據進行處理，進行變形分析。隧道變形的趨勢體現在2次掃描數據的疊加情況，為了提高其度量標準的精準度，可以對2個建模進行高程相減來表達隧道的變形趨勢，如此一來，可以提高變形趨勢的準確性，提高決策依據的可靠性。

對第1次掃描處理所得到的數據進行建模處理之后的圖像顯示:

對2次不同時間段掃描處理所得到的數據進行建模處理之后的圖像顯示:

從疊加的圖像中可以明顯的觀察到第1次掃描的結果和第2次掃描的結果在隧道建模的高程上存在著差異，第2次的隧道模型與第1次的隧道模型相比，其高程更為高一些，由此可見，隧道出現了變形。

3、對通過地面激光技術所監測的結果、全站儀監測的結果以及光纖位移計所監測的結果進行對比:

(1)在J20的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3910，地面激光技術觀測值是-9.3912，其與光纖位移計的差值是0.0023，與全站儀的差值是-0.0002;(2)在J21的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3918，地面激光技術觀測值是-9.3920，其與光纖位移計的差值是0.0015，與全站儀的差值是-0.0002;(3)在J22的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3923，地面激光技術觀測值是-9.3925，其與光纖位移計的差值是0.0010，與全站儀的差值是-0.0002;(4)在J23的站點，光纖位移計觀測值是-9.3936，全站儀觀測值是-9.3918，地面激光技術觀測值是-9.3920，其與光纖位移計的差值是0.0016，與全站儀的差值是-0.0002;(5)在J24的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3913，地面激光技術觀測值是-9.3916，其與光纖位移計的差值是0.0020，與全站儀的差值是-0.0003。

從以上數據中的比較，可知地面激光技術檢測值與全站儀檢測值最為接近，二者的誤差比較小，這是由于地面激光技術對點云數據進行全站儀修正與處理;其次，地面激光技術檢測值與光纖位移計檢測值的誤差比較大，雖然這個誤差仍然處于5mm的范圍之內，但是與全站儀檢測結果的誤差值相比而言，是比較大的。由此可見，光纖位移計雖然具有精度高的檢測功能，但是該儀器需要提前放入隧道體里面，如此一來，便會對隧道造成破壞，也會大幅度的提高了成本，并不理想。因此，地面激光技術是監測隧道變形的最適宜的選擇。

結語

綜上所述，基于地面激光技術的隧道變形監測技術具有著理想的監測效果，值得廣泛推廣以及應用。

［1］蔡來良，吳侃，張舒.點云平面擬合在三維激光掃描儀變形監測中的應用［J］.測繪科學.2010(05)

［2］徐進軍，王海城，羅喻真，王尚慶，嚴學清.基于三維激光掃描的滑坡變形監測與數據處理［J］.巖土力學.2010(07)

［3］孫孝成.GPS技術在大跨度橋梁變形監測中的應用［J］.科技創新與應用.2012(04)

［4］王騰軍，楊海彥，楊志強.基于云模型的大壩變形監測數據分析研究［J］.測繪通報.2012(02)

［5］王婷婷，靳奉祥，單瑞.基于三維激光掃描技術的曲面變形監測 ［J］.測繪通報.2011(05)