高精度掃描儀在地鐵隧道施工中的應(yīng)用

徐衛(wèi)東，王 磊，蘆榮海，朱水鵬

(1. 北京九碧木測(cè)信科技有限公司, 北京100085； 2. 拓佳豐圣(上海)科貿(mào)有限公司, 北京 100124； 3. 北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100055)

隨著城市軌道交通要求的不斷增多，對(duì)城市區(qū)域的隧道開挖要求需求越來(lái)越多,無(wú)疑對(duì)隧道開挖監(jiān)測(cè)和檢查的速度和質(zhì)量提出了更高的要求[1]。如何精確、高效地采集隧道斷面數(shù)據(jù),根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)化地獲取相關(guān)參數(shù),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)分析與應(yīng)用是國(guó)內(nèi)隧道(地下空間)目前亟需的解決方案[2]。解決方案對(duì)數(shù)據(jù)采集要求效率高,能夠提取更為準(zhǔn)確的斷面數(shù)據(jù)成果,并一鍵智能地輸出符合工程標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)告[3]。而地面激光掃描技術(shù),也稱“實(shí)景復(fù)制”技術(shù),是一種新型的空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)。與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比,該技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快,實(shí)時(shí)性強(qiáng),數(shù)據(jù)量大,主動(dòng)性強(qiáng),能全天候工作,全數(shù)字特征,信息傳輸、加工、表達(dá)容易,操作方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。

本文參考B樣條曲線擬合的主點(diǎn)選取方法及非斷面信息的剔除等方法[5-7]，以地鐵7號(hào)線東延01標(biāo)段隧道斷面掃描數(shù)據(jù)為例。三維激光掃描儀的測(cè)量精度能夠滿足隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的要求，可以準(zhǔn)確、快速獲取隧道空間數(shù)據(jù)，提高了作業(yè)效率[8]，并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(gè)層面反映隧道結(jié)構(gòu)的變形情況[9-10]，利用自主研發(fā)的TMS隧道三維激光掃描監(jiān)控平臺(tái)軟件為地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)提供一種科學(xué)可行的解決方案。

1 項(xiàng)目背景

北京地鐵7號(hào)線東延01標(biāo)段全長(zhǎng)3.25 km，包含2站2區(qū)間，采用明挖車站、盾構(gòu)區(qū)間的結(jié)構(gòu)形式，整個(gè)標(biāo)段有下穿燃?xì)庹{(diào)壓站和東五環(huán)路、上跨南水北調(diào)東干渠等施工難點(diǎn)。其中，焦黃區(qū)間盾構(gòu)段長(zhǎng)981 m，隧道斷面直徑6 m；黃豆區(qū)間盾構(gòu)段長(zhǎng)1541 m，隧道斷面直徑6 m。該標(biāo)段如圖1所示。

隧道開挖過(guò)程中，需要及時(shí)對(duì)隧道開挖的現(xiàn)狀進(jìn)行測(cè)量，確定隧道的超欠挖情況，并監(jiān)控隧道的風(fēng)險(xiǎn)，以防發(fā)生隧道塌方事故。如圖2、圖3所示。

因此，本文項(xiàng)目采用拓普康GLS-2000三維激光掃描儀對(duì)開挖的隧道進(jìn)行掃描，獲得高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用針對(duì)本文項(xiàng)目部自主研發(fā)的TMS隧道三維激光掃描監(jiān)控平臺(tái)軟件，進(jìn)行隧道超欠挖分析、監(jiān)控量測(cè)及分析預(yù)警，滿足標(biāo)段項(xiàng)目部的生產(chǎn)需要。具體功能如圖4所示。

2 項(xiàng)目實(shí)施方案

在隧道現(xiàn)場(chǎng)，本文項(xiàng)目采用拓普康GLS-2000三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，獲取高精度的點(diǎn)云，儀器如圖5所示；儀器的每一站都安置在隧道的已知點(diǎn)上，并掃描后視點(diǎn)的棱鏡進(jìn)行定向，如圖6所示。

由于拓普康GLS-2000三維激光掃描儀具有“測(cè)站后視法”掃描功能，每一站掃描的點(diǎn)云均具有全局的坐標(biāo)，因此只需直接將每一站掃描的點(diǎn)云合并到一起即可，無(wú)需拼接，方便了點(diǎn)云的后處理。GLS-2000三維激光掃描儀可以直接掃描后視棱鏡，提高了后視定向的精度。GLS-2000的3.5 mm@150 m測(cè)距精度，也確保了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度，能夠滿足隧道工程對(duì)測(cè)量精度的要求。隧道掃描點(diǎn)云如圖7所示。

自主研發(fā)的TMS隧道三維激光掃描監(jiān)控平臺(tái)軟件，可以滿足本標(biāo)段項(xiàng)目部的生產(chǎn)需要，如圖8—圖10所示。

此外，該軟件還可以針對(duì)項(xiàng)目部的特殊需求，定制開發(fā)所需的功能。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用三維激光掃描儀進(jìn)行隧道測(cè)量，是目前先進(jìn)的技術(shù)手段之一。三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云不但精度高，而且點(diǎn)密度高，又可以全自動(dòng)地進(jìn)行掃描觀測(cè)，具有全站儀方式不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，必將會(huì)在隧道測(cè)量的工程項(xiàng)目中得到越來(lái)越廣的應(yīng)用。