三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中的應用

文/黃偉 浙江華東工程安全技術有限公司 浙江杭州 310000

傳統地鐵隧道斷面測量以吊鉛錘法、斷面儀法以及全站儀極坐標法、攝影測量法等方法為主，但是，由于這些測量方法在實際測量應用中不僅數據采樣的效率較低，并且能夠測量的斷面數量十分有限，導致其測量結果只能對隧道斷面的局部特征進行呈現，在實現大范圍、高效測量分析應用中局限性十分突出。此外，上述傳統測量方法在實際測量應用中容易受人為因素影響，出現測量誤差，對測量的準確性造成影響。針對這種情況，下文通過三維激光掃描技術的測量應用優勢分析基礎上，結合工程實例，對其在地鐵隧道斷面測量中的具體應用進行研究。

1、三維激光掃描技術及其作用優勢分析

三維激光掃描技術作為一種新型立體掃描技術，具有高精度、高密度以及全自動等特征，在實際掃描測量應用中能夠通過百萬點/秒的掃描速度對測量目標進行全覆蓋、高分辨率的三維激光點云數據掃描獲取，以滿足其掃描測量的需求，并能夠根據掃描獲取數據實現三維實景影像模型構建，具有較為顯著的掃描測量應用優勢。

三維激光掃描技術在進行地鐵隧道斷面測量應用中，其掃描測量的誤差來源主要包括系統誤差與偶然誤差兩種情況。其中，系統誤差是由三維激光掃描系統及儀器本身設計、制造、老化等引起的，主要表現為進行測距的精度誤差與角度測量誤差等；偶然誤差則是一種隨機誤差情況，是由標靶獲取以及隧道壁反射面、測量環境等因素導致。為避免三維激光掃描技術進行地鐵隧道斷面測量中誤差及影響，結合其掃描測量的實際情況，可以通過在測量前對三維激光掃描儀器進行檢定與調校，確保測量應用儀器設備的系統誤差在合理范圍內，以減少對隧道斷面測量的誤差影響；同時，在掃描測量中也可以通過分站式掃描設站點的增加，并確保單站的掃描測量距離不超過30m，來避免因測距常數導致的誤差及影響；此外，還可以通過掃描測量中將測站與標靶架設在基樁控制點上，并按照15至20m的密度進行測站以及標靶布置，在強制對中以及通過掃描前進行標靶點坐標輸入等方式進行檢查，以避免其誤差及影響發生。三維激光掃描技術進行地鐵隧道斷面測量工作實踐中，還可以通過對點云數據一定重疊度的控制，確保每一個測站掃描點云數據存在20%至30%的重疊度，以在對每一測站公共部分的點云拼接下，確保其測量區段的點云數據掃描測量精確度。

2、三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中的應用

2.1 工程實例分析

以某城市交通軌道1號線的斷面測量為例，該地鐵隧道全線長為34.24km，共設置有29個停靠站點，每個站點之間的平均間距約為1.2km。當前，該隧道工程的多數隧道盾構區間已經順利貫通，即將進行全線鋪軌工程。但是，由于施工誤差以及地鐵隧道沉降變形等因素作用，導致該隧道主體結構的空間位置與設計值發生一定的偏移，需要針對地鐵隧道的設計路線結合實際情況對其平、縱斷面進行適當的調整，以滿足地鐵隧道的建設及車輛運行、設備安裝等限界要求。也就是說需要針對該地鐵隧道的現狀，通過對隧道斷面的精確測量以進行調線、調坡實施，進而滿足其軌道交通線路的施工建設要求，確保其順利建成并投入運行。下文將以該城市軌道交通線路的某站點區間右線隧道斷面測量工作的開展為例，對三維激光掃描技術在該地鐵隧道斷面測量中的具體應用進行分析論述。

2.2 三維激光掃描技術進行地鐵隧道斷面測量的實踐

三維激光掃描技術進行地鐵隧道斷面測量應用，其作業過程主要包含掃描測量前的準備工作以及進行點云數據采集、數據處理、測量結果評價等。

2.2.1 準備工作

首先，在掃描測量前的準備工作中，以掃描測量使用設備的選擇和進行控制網測量設定為主。上述地鐵隧道斷面測量中，為確保斷面測量的精確度選用的是Leica P40型三維激光掃描儀，該掃描儀的標稱掃描距離為270m，且其50m范圍內的單點掃描測量精確度為3mm，同時100m范圍內的單點掃描測量精確度為6mm。此外，其掃描測量中使用的標靶為儀器配套徠卡黑白標靶，它也是該隧道斷面測量中多測站公共點觀測的目標。

其次，進行點云數據采集前需要對其平面及高程控制網進行測量設置，具體方法為：以兩個站點之間的區間作為一個測量單元，對其地下平面與高程控制網進行測量設置，在隧道區間的兩端車站底板上分別進行兩個平面控制點和一個高程控制點布設，并通過聯系測量對其平面坐標和高程值進行獲取，以作為其控制網兩端的起始計算坐標點；然后在隧道斷面測量區域內每間隔100m進行一個控制點布設，同時作為平面與高程控制網的控制點進行使用，其中，對其平面控制網以導線測量方式進行，使用Leica TS50測量機器人進行測量實現，而高程控制網使用Trimble DiNi03電子水準儀以二等水準進行測量，對測量數據統一使用COSA平差軟件進行平差處理，以對隧道內的各個控制點平差后的三維坐標值進行獲取并確定。

2.2.2 數據采集與處理

采用三維掃描技術進行隧道斷面測量的數據采集階段，主要是進行點云數據的采集與獲取，包含掃描參數設定與測站、標靶布設等。其中，掃描參數設定中，為了實現完整的隧道掃描點云數據獲取，對其掃描測量的視場角不進行限定，以全景掃描模式進行，將其掃描分辨率設置為3.1mm@10m，并且對其正常掃描靈敏度下的單站掃描時間設定為3.5min，掃描測量過程中需要兼顧測量精度與掃描測量的效率。其次，進行測量站點與標靶布設中，對其測站布設應以不受遮擋且較為空曠的隧道中心位置為準，確保布設測站的單站能夠實現較大范圍掃描，同時掃描點云數據分布相對均勻。對標靶布設對直線段需要將標靶與測站之間距離控制為40至50m，而曲線段則需要控制在30至40m之間，并結合現場實際情況進行合理調整。上述隧道斷面測量工程中，其測量區間長度約為1.2km，共布設有17個測量站點，并且對每個控制點均設置有徠卡黑白標靶，同時確保兩測站均能夠實現對控制點上的徠卡標靶的觀測。

針對上述三維掃描測量結果，為對其測量精度進行評價，采用常規斷面測量的全站儀放樣線路中心點測量結果為標準值進行校驗后顯示，兩種檢測方式對隧道中心左右橫距差值的平均值為4mm，底高差值平均值為2mm，符合其測量精度要求，測量結果較為可靠。

結語：

總之，對三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中應用研究，有利于其在實際中推廣應用，進而促進隧道斷面測量的工作效率以及測量精度提升，具有十分積極的作用和意義。