三維激光掃描技術在地鐵隧道施工質量檢測中的應用研究

王智，李勇，張洪德，曹慶磊，門茂林

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島　266032)

1　引　言

地鐵隧道開挖是隧道施工的重要工序，超挖過多，不僅因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價，而且由于局部超挖會產生應力集中問題，影響圍巖穩定性；而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對隧道質量及后期運營產生安全隱患[1]。因此超欠挖控制是地鐵隧道施工質量評定的重要內容之一，進行超欠挖控制的方法是使用測量儀器觀測隧道斷面若干個點，形成實際的開挖輪廓線，并在同一坐標系中與設計輪廓線進行比較，從而獲取斷面的超欠挖量和部位，供有關部門進行綜合分析利用，及時指導下一步施工[2]。目前對地鐵隧道進行斷面測量主要有兩種方法，一種是斷面儀法[3]，這種方法需要先放樣出隧道中心線，然后在指定里程的隧道中心線處架設儀器，按照設定的測量參數對當前里程斷面進行空間數據采集，作業效率較低，且斷面儀用途單一。另外一種常用的方法是采用全自動測量全站儀，并搭載有斷面測量機載程序，這種方法不需要放樣出隧道中心線，架站方式靈活，自動化程度相對較高，但是結果仍然是以逐個獨立的點位表現，局限于平面展現，無法全面反映隧道開挖超欠挖情況。

三維激光掃描儀測量是近幾年應用于地鐵隧道工程測量的新型測量技術，它是一種通過發射激光來掃描獲取被測物體表面三維坐標和反射光強度的儀器，是一種非接觸式主動測量系統[4]。它突破傳統的單點測量技術，使得外業測量更加高效便捷，為空間三維數據的獲取提供了有效的測量手段，它采用非接觸式激光測量技術，以點云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數據[5]。儀器主要包括測距系統以及掃描系統，同時也集成CCD數字攝影和儀器內部校正等系統。三維激光掃描儀工作原理是：儀器對待測物體發射激光，根據激光發射和返回的時間差，得出掃描儀與物體的幾何距離，根據水平方向和垂直方向步進角距值，計算出點位的三維坐標，并由儀器存儲設備予以記錄儲存，再經過后處理軟件的建模，便可得到被測物體的空間三維模型[6]。本文介紹了將三維激光掃描技術應用于地鐵施工質量檢測中，并在青島地鐵工程得到了成功的應用。

2　數據采集

2.1　控制點布設

為了使三維激光掃描儀的成果與地鐵建設坐標基準一致，需要在隧道內布設足夠密度和精度的控制點，為三維激光掃描提供空間基準，也便于后續和設計進行對比從而分析隧道開挖質量，若隧道未貫通，應采用經聯系測量傳遞到隧道內的控制點，若隧道已貫通，應采用兩井定向或兩站一區間地下控制點聯測后的成果。

考慮到隧道內控制點間距一般在 100 m～150 m左右，不滿足掃描儀數據采集起算基準要求，需要對隧道內控制點進行加密，根據掃描儀性能及隧道內現場實際情況，加密點宜 30 m～50 m布設一個，可采用1″或0.5″級全站儀采用極坐標法測量。點位布設要求便于架設對中桿，同時便于保護以便重復使用。

2.2　架站方案設計

外業測量時，在車站和區間內控制點上架設標靶，儀器根據現場通視情況任意架站，但需和兩個標靶通視，儀器整平后根據掃描儀性能參數及現場環境設定掃描站間距、掃描點密度，保證各測站之間具有一定的掃描重疊度。同步進行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點云數據，同時也獲取標靶點云數據。

圖1　隧道內控制點布設及架站方案示意圖

如圖1所示，隧道內控制點一般間距比較長，經全站儀加密后的點位宜在30至50米左右，每次測量過程中，應在頭尾處測量至少兩個控制點，以保證多余觀測從而進行檢核，如圖中左側和右側架站點所示，在中間的架站點，通過聯測相鄰測站的靶球從而達到相鄰測站拼接的目的。從圖中可以看出，中間架站數越多，即需要靶球傳遞的測站越多，整個拼接的點云的絕對精度越低，因此，為保證精度，宜在中間架站點聯測隧道內控制點，以保證點云拼接的絕對精度。

2.3　掃描儀數據采集

在獲取掃描點云的同時利用掃描儀內置或外置相機拍取照片，用于對點云的紋理題圖，同時為了滿足更多工程的需求，通過專業的后處理軟件進行快速貼圖，呈現更加逼真的真彩色點云數據，豐富了掃描成果。

三維激光掃描儀得到的原始觀測數據主要包括：①根據2個連續轉動用來反射脈沖激光鏡的角度值得到激光束水平方向值和豎直方向值；②根據脈沖激光傳播時間而計算得到的儀器到掃描點的距離值；③掃描點的反射強度；④通過數碼相機獲取的場景影像數據等。前2種數據用來計算掃描點的三維坐標值，掃描點的反射強度和場景影像數據則用來給反射點匹配顏色或給模型映射紋理。

3　數據處理

3.1　點云配準拼接

(1)計算標靶三維坐標計算：利用導線和水準測量的成果，進行標靶三維坐標的計算。

(2)點云拼接：根據標靶三維坐標將每個測站的點云數據歸算到隧道施工使用的三維坐標系統中。青島地鐵隧道某區間采用三維激光掃描儀后拼接的三維點云如圖2所示：

圖2　青島地鐵隧道某區間三維點云模型

(3)剔除噪音數據：根據隧道設計數據，剔除隧道壁外的噪音數據。噪音數據主要是盾構管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設備和其他附著在管壁上的設施。

如圖3所示，將隧道通風管道剔除后得到的點云模型。

圖3　剔除噪音數據后點云模型

3.2　設計數據錄入

設計數據錄入包括三個部分：平曲線、豎曲線以及設計斷面。

圖4　地鐵設計平曲線要素點

設計平曲線要素錄入主要包括各個要素點的里程，如直緩點、緩圓點、圓緩點、緩直點等以及相應曲線要素的長度、直線的方位角、圓曲線的半徑等信息，如圖4所示。設計豎曲線要素包括里程、長度、豎曲線半徑，轉角前后的坡度等信息。設計斷面包括每個斷面類型的設計、里程范圍等信息。

3.3　斷面超欠挖分析

在內業拼接好的具有地鐵隧道統一控制坐標系下三維坐標的三維空間點云數據中，在后處理軟件中提取一定厚度的指定里程斷面的點云數據，與事先輸入好的隧道設計模型數據規定的里程處進行相應斷面比較，即可得到斷面的超欠挖情況，如圖5所示。

圖5　地鐵區間超欠挖分析圖

4　總　結

要保證三維激光掃描儀成果的精度，需在外業掃描作業時為點云數據的高精度拼接創造條件，使用后方交會設站時，每站至少前后各一個控制點，并測設一定數量的檢核點，相鄰的掃描測站間最好存在兩個以上的公共連接點，有公共面時應使用公共面拼接，沒有公共面時使用公共點拼接，并對連接區域或點位進行精細掃描。

目前地鐵隧道斷面測量使用的方法主要是斷面儀法和全站儀機載程序法，三維激光掃描儀方法并沒有得到廣泛應用，究其原因，一方面是設備昂貴，另一方面是該方法后處理過程煩瑣，對作業人員技術要求較高，另外針對地鐵測量的分析軟件不成熟。但是在外業高密度采集大量斷面時，三維激光掃描儀的速度明顯高于斷面儀法和全站儀機載程序法，且生成的點云數據可以構建三維模型，可以更好地服務于隧道的健康監測，是未來隧道斷面測量的趨勢。