三維激光掃描技術在地鐵隧道變形監測中的應用

袁長征，滕德貴，胡 波，劉秀涵

(1. 重慶市勘測院，重慶 400020; 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

天寶測繪解決方案專欄

三維激光掃描技術在地鐵隧道變形監測中的應用

袁長征1，滕德貴1，胡 波1，劉秀涵2

(1. 重慶市勘測院，重慶 400020; 2. 北京麥格天渱科技發展有限公司，北京 100043)

針對傳統隧道監測手段工作效率低、數據不全面、自動化程度低等缺陷，將三維激光掃描技術引入地鐵隧道變形監測中，詳細介紹其作業流程，并以實際工程為例進行數據采集和處理分析。試驗結果表明了該方法在隧道變形監測中的可行性和優越性。

三維激光掃描；隧道；變形監測；點云；斷面

地鐵隧道在建設及運營過程中由于土體擾動、周邊工程施工及建構筑物負載等原因，其結構可能產生縱向及橫向變形，超過一定程度的變形會危害隧道安全，影響地鐵的正常運營，因此隧道結構變形監測是地鐵隧道安全監測工作中非常重要的環節。

三維激光掃描技術能提供視場內有效測程的一定采樣密度的高精度點云數據，并構建三維模型數據場，能夠全面準確地反映監測對象的細節信息，有效避免了傳統變形監測手段的局部性和片面性。此外，三維激光掃描技術對作業環境的光照條件沒有要求，在黑暗的隧道照樣能正常工作，且數據采集效率高，5 min左右即能完成一個測站的數據采集，能很好地滿足運營地鐵隧道一般只能在夜間較短時間內進行作業的要求。

1 工程實例

本次選取重慶軌道交通六號線一段長約200 m的輕軌隧道進行試驗，采用的儀器為Trimble TX8激光掃描儀，數據處理軟件為Trimble Realworks軟件。現場控制點分布及第一期掃描的測站和標靶布設方式如圖1所示。

圖1 測站及標靶布設圖

2016年6月30日及2016年11月14日分別對該區間隧道進行了兩次掃描。

1.1 數據預處理

數據采集完成后，將各站的掃描數據導入RealWorks軟件，提取標靶的中心點坐標并進行配準，然后基于控制點的已知坐標將數據轉換到重慶獨立坐標系中。第一期掃描數據經過配準及坐標轉換后形成的點云數據如圖2所示。

圖2 隧道點云數據

截取其中一段點云數據進行分析，首先進行點云去噪，剔除側壁支架、管線、道床及作業人員等噪聲數據，去噪前后的點云分別如圖 3(a)、(b)所示。

圖3 隧道試驗區間點云數據

1.2 精度分析

為了分析三維激光掃描儀的測量精度，在隧道內選取兩個斷面布設平面反射標靶，用三維激光掃描儀對各標靶進行掃描并提取中心點坐標，同時采用測角精度為0.5″、測距精度為0.6 mm+1×10-6D的高精度全站儀測量各標靶的中心點坐標，兩者的測量結果見表1。

從表1可以看出，三維激光掃描儀獲取的坐標與全站儀測量坐標的差值最大不超過4 mm，經計算得到水平點位中誤差σ0=±0.56 mm、高程中誤差σz=2.45 mm，滿足《城市軌道交通工程測量規范》中變形監測Ⅱ級所要求的±3 mm及±5 mm[13]，表明此款三維激光掃描儀的測量精度能夠滿足隧道結構變形監測的要求。

表1 標靶坐標對比

注：X、Y坐標均省略前3位數字。

1.3 斷面提取及變形分析

三維激光掃描的點云包含了隧道結構表面的坐標信息，從多期掃描數據中提取相同位置的斷面曲線進行對比，可分析隧道的變形情況。首先在RealWorks處理軟件中基于點云數據生成隧道結構的三角網模型，如圖 4所示。

圖4 隧道試驗區段三角網

提取斷面時，設置起止位置及斷面間距，軟件即可自動生成相應的斷面曲線及斷面中心點坐標、法線等屬性信息。在試驗區段以1 m為間距提取32個斷面，如圖 5所示。

圖5 試驗區段斷面曲線

斷面曲線提取完成后，通過斷面分析器可對同一位置的兩期斷面數據進行對比，其中一個斷面的分析結果如圖 6所示。從圖中可以看出，兩期斷面數據的差值大多在2 mm以內，最大不超過4 mm且斷面各位置的差值呈正態分布，表明該斷面沒有發生明顯變形。為了對隧道的整體變形趨勢進行分析，提取各個斷面的中心點坐標并連接形成隧道結構的中軸線，通過兩期中軸線數據的對比分析隧道的整體變形情況。各個斷面中心點坐標在X、Y、Z3個方向上的差值如圖 7所示。

圖6 斷面對比分析

圖7 隧道中軸線坐標偏差

從圖7可以看出，基于兩期掃描數據提取的隧道中軸線坐標在3個維度上的差值均在6 mm以內，并且在不同斷面位置無趨勢性差異，表明該隧道區間結構在整體上無明顯變形，結構穩定。

2 結 語

本文在分析傳統隧道結構變形監測手段缺陷及三維激光掃描技術優勢的基礎上，提出了三維激光掃描技術在地鐵隧道安全監測中的作業流程并進行了工程實踐。分析結果表明，三維激光掃描儀的測量精度能夠滿足隧道結構變形監測的要求，可以準確、快速獲取隧道空間數據，提高了作業效率，基于斷面曲線及隧道中軸線的變形分析方法能夠從局部和整體兩個層面反映隧道結構的變形情況，為地鐵隧道結構變形監測提供了一種科學可行的解決方案。