三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測中的應(yīng)用

李善馳

(中國有色金屬長沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

隧道變形監(jiān)測是保證地鐵安全、穩(wěn)定運(yùn)營的一項(xiàng)重要工作，傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法需要多名監(jiān)測人員配合，同時(shí)由于測點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大，工作十分繁瑣且耗時(shí)長，因此必須進(jìn)行技術(shù)革新，全面提高地鐵監(jiān)測精度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理一體化。三維激光掃描技術(shù)具有較高的測量精度和數(shù)據(jù)采集效率，可以滿足地鐵線路要長期進(jìn)行地鐵變形監(jiān)測的要求。

1 三維激光掃描技術(shù)原理與應(yīng)用優(yōu)越性

1.1 三維激光掃描技術(shù)原理概述

三維激光掃描技術(shù)是繼全球定位技術(shù)、攝影技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命，其可快速獲取目標(biāo)物表面所有三維坐標(biāo)，重建三維模型，并據(jù)此開展各種計(jì)量、運(yùn)算、分析工作。三維激光掃描儀構(gòu)造如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀工作原理圖

1.2 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用優(yōu)越性

激光掃描技術(shù)作為目前測繪領(lǐng)域一門前沿性技術(shù)，集合了測繪儀器的許多高新技術(shù)手段，在變形監(jiān)測領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，與其他測量儀器相比，三維激光掃描技術(shù)有以下優(yōu)勢：(1)每站測量速度快：0.5 m/s；(2)每個(gè)斷面點(diǎn)密度大：>500個(gè)點(diǎn)；(3)斷面測量間隔可任意設(shè)置；(4)每站成果多：可得到任意間隔的多斷面圖，隧道表面可量測激光影像；(5)成果用途廣：可用于全斷面管環(huán)收斂、管片錯(cuò)臺(tái)、線路侵界、隧道滲水、裂縫等多種分析。

2 三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測中的工作流程

2.1 儀器選用

目前，我國市場上三維激光掃描儀種類眾多，根據(jù)掃描平臺(tái)的不同可分為機(jī)載、地面型、便攜式三種；根據(jù)有效掃描距離可分為短距離、中距離、長距離和航空激光掃描儀；從品牌來看，常見的有Leica、RIGEL、Optech、FARO等品牌，其中Leica主流產(chǎn)品HDSC10、Faro的Focus120參數(shù)較適用于地鐵隧道變形監(jiān)測，具體可參考項(xiàng)目實(shí)際情況選用。

2.2 工作流程

三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測中的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描技術(shù)在地鐵變形監(jiān)測中的工作流程

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)地鐵隧道環(huán)境、三維激光掃描儀器工作參數(shù)，合理設(shè)置測站、標(biāo)靶球，標(biāo)靶球切忌放置于一個(gè)面內(nèi)。若需將斷面坐標(biāo)統(tǒng)一到絕對(duì)坐標(biāo)系中，可采用全站儀對(duì)部分標(biāo)靶球絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行測量，以此作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。在點(diǎn)云后處理軟件中，根據(jù)測站共有標(biāo)靶球拼接測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，剔除干凈原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的噪聲點(diǎn)、無用數(shù)據(jù)。

(3)構(gòu)建三角網(wǎng)模型。采用專業(yè)建模軟件構(gòu)建三角網(wǎng)模型，以真實(shí)情況為準(zhǔn)，以免大量修補(bǔ)漏洞。

(4)截取隧道斷面。根據(jù)已設(shè)定的間隔提取斷面點(diǎn)云，對(duì)隧道中心軸線進(jìn)行最小二乘擬合。

(5)隧道變形分析。根據(jù)各斷面測量點(diǎn)數(shù)據(jù)開展斷面圓環(huán)擬合，與設(shè)計(jì)半徑對(duì)比、多期相同位置斷面對(duì)比分析收斂變形。

(6)數(shù)據(jù)輸出。以文本和圖形的方式輸出斷面處理結(jié)果。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

本文以某地鐵隧道區(qū)間的變形監(jiān)測為例展開分析，此為單圓隧道，設(shè)計(jì)半徑2.75 m，目前尚未鋪軌，南側(cè)為在建廠房，正處于基坑施工階段，基坑開挖9.85 m，而隧道頂部埋深11.9 m，與地下室外墻的最小距離為37.0 m。本區(qū)間采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以第一次采集數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，經(jīng)處理分析后為地鐵隧道軸線檢查、限界測量的重要依據(jù)。

3.2 測量設(shè)備

本次測量工程選用了AROFocus3D三維激光掃描儀、索佳SET250RX全站儀、球形標(biāo)靶等，配備的軟件有AUTOCAD2010、MATLAB等。利用全站儀測量掃描儀中心位置坐標(biāo)，將掃描儀納入固定坐標(biāo)系，切實(shí)提高配準(zhǔn)精度。

3.3 點(diǎn)云切片、中軸線提取

經(jīng)外業(yè)掃描、數(shù)據(jù)預(yù)處理后，以隧道軸線方向?yàn)閄軸建立坐標(biāo)系，在軸線正交方向按每1 m間隔截取點(diǎn)云切片，切片擬合后提取圓心坐標(biāo)、半徑。

3.4 數(shù)據(jù)處理分析

(1)縱向變形分析。通過提取的隧道圓心坐標(biāo)、半徑信息，可明確隧道提取的中軸線、半徑與設(shè)計(jì)軸線、半徑的差值：①提取的中軸線與設(shè)計(jì)軸線相比，1#、16#環(huán)沉降值最小，為2 mm；8#環(huán)沉降值最大，為23 mm，滿足規(guī)范

要求；②不同環(huán)的半徑與設(shè)計(jì)半徑相比，8#環(huán)差值最小，為0.3 mm；2#環(huán)差值最大，為4 mm。

(2)環(huán)向變形分析。根據(jù)隧道收斂測量要求，對(duì)圓曲線擬合半徑變化較大的2#、3#、7#、9#、12#、16#環(huán)分別在0°、90°、180°、270°方向上進(jìn)行樣條曲線擬合分析，得到樣條曲線擬合數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 樣條曲線擬合數(shù)據(jù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析可知，經(jīng)擬合后0°、90°、180°、270°方向上收斂半徑不同，縱向平均半徑小于橫向平均半徑，且與圓曲線擬合半徑偏差方向一致，呈“扁鴨蛋”狀；2#環(huán)橫縱向平均差值最大，為12 mm，根據(jù)管片拼裝規(guī)范要求直徑允許偏差≤±5‰D，本隧道允許值為27.5 mm，由此可知該環(huán)片豎向變形較為嚴(yán)重，但尚屬規(guī)范要求內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，隧道結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定可靠直接關(guān)系到地鐵運(yùn)營安全，對(duì)此必須定期進(jìn)行變形監(jiān)測。三維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)部表面數(shù)據(jù)的快速、全面采集，實(shí)踐中需合理設(shè)置掃描參數(shù)、標(biāo)靶，構(gòu)建隧道三維模型，全面分析隧道變形信息，科學(xué)預(yù)測隧道變形趨勢。