三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道中的應(yīng)用

江濟(jì)強(qiáng)，張慧娟，曹千紅

(1. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500； 2. 武漢天寶耐特科技有限公司，湖北 武漢 430000； 3. 湖北省國土資源研究院，湖北 武漢 430000)

近年來，施工單位加強(qiáng)了在隧道施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量管理，高效獲取現(xiàn)場海量真實(shí)數(shù)據(jù)是擺在施工單位面前的一道難題。傳統(tǒng)作業(yè)方式使用斷面儀或全站儀進(jìn)行隧道初支、二襯前后的隧道測量，但外業(yè)作業(yè)效率低，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理煩瑣，而且全站儀或斷面儀點(diǎn)位間隔與斷面間隔都較大。這種以點(diǎn)概面的作業(yè)模式，很容易使數(shù)據(jù)成果出現(xiàn)誤差，極有可能超欠挖部分在設(shè)站間隔內(nèi)，測量數(shù)據(jù)無法及時體現(xiàn)，而單憑測量人員肉眼查看現(xiàn)場，既沒有直觀有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，也容易受現(xiàn)場人員的經(jīng)驗(yàn)程度、主觀意愿所限制，最終導(dǎo)致檢查結(jié)果的不準(zhǔn)確性，出現(xiàn)較大的施工隱患。

海量的隧道現(xiàn)場點(diǎn)云數(shù)據(jù)可完美解決上述問題。如何高效、高質(zhì)量地獲取不同施工階段現(xiàn)場點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是目前隧道施工單位需要解決的主要問題。

本項(xiàng)目采用Trimble SX10進(jìn)行作業(yè)，能夠快速高效地獲取高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，配合后續(xù)TBC內(nèi)業(yè)處理軟件，能夠快速生成成果報(bào)告。

1 項(xiàng)目及設(shè)備介紹

本次項(xiàng)目位于廣州市某地鐵隧道，成果主要有縱斷面信息、超欠挖分析和隧道竣工報(bào)告。隧道總長1.5 km，由于SX10本身具備1″級機(jī)器人全站儀所有功能，其作業(yè)模式為全站儀作業(yè)模式，現(xiàn)場測量人員可直接上手操作，共設(shè)站5站，架設(shè)完成后即可自動開始掃描。SX10影像掃描儀隧道掃描方案主要由兩部分組成：硬件SX10、軟件TBC，如圖1所示。

Trimble SX10影像掃描儀集成了天寶全新掃描技術(shù)——“閃電”掃描技術(shù)，能同時實(shí)現(xiàn)掃描速度與掃描精度的完全匹配。

2 項(xiàng)目實(shí)施

2.1 現(xiàn)場作業(yè)

本項(xiàng)目為正在施工的設(shè)計(jì)時速為320 km/h的鐵路客運(yùn)專線，項(xiàng)目標(biāo)段主要位于廣東省。其中該標(biāo)段有長短隧道十余座，最長隧道接近10 km，穿越的地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及隧道的圍巖等級為2～5級，而且大部分為5級圍巖，施工難度大，技術(shù)指標(biāo)要求高，工期短。

隧道現(xiàn)場已進(jìn)行了初支處理，約有80 m的隧道初支面需要進(jìn)行超欠挖斷面測量。

現(xiàn)場將SX10架設(shè)在距離掌子面100 m處的已知點(diǎn)上，采用全站儀已知點(diǎn)架站模式進(jìn)行儀器設(shè)站。設(shè)站完成后，在控制器手簿視窗內(nèi)用多邊形掃描法對掘進(jìn)方向進(jìn)行掃描，同時設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

外業(yè)文件直接拖到TBC中即可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，無需進(jìn)行點(diǎn)云拼接。在TBC軟件中將現(xiàn)場人員、通風(fēng)管、臺車等噪點(diǎn)進(jìn)行半自動化剔除，如圖3所示。

在TBC中設(shè)置超欠挖限差、起止里程，軟件自動生成相關(guān)報(bào)告，簡單高效，如圖4所示。

3 成果展示

3.1 隧道超欠挖報(bào)告

將現(xiàn)場掃描點(diǎn)云與設(shè)計(jì)隧道模型進(jìn)行對比，軟件自動生成超欠挖報(bào)告；基于現(xiàn)場海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以在后期生成任意間隔斷面竣工報(bào)告。針對確實(shí)存在問題的里程區(qū)間，可以生成間隔10 cm的斷面報(bào)告。斷面上用不同顏色與數(shù)值顯示超欠挖點(diǎn)位分布，如圖5、圖6所示。

3.2 超欠挖面積、體積報(bào)告

根據(jù)設(shè)計(jì)模板與點(diǎn)云，TBC軟件可根據(jù)項(xiàng)目需要一鍵式生成每個斷面的超欠挖面積報(bào)告和里程區(qū)間內(nèi)的超欠挖體積報(bào)告。這樣可以在項(xiàng)目初支完成后，計(jì)算二襯完成預(yù)期使用的混凝土方量，方便施工單位進(jìn)行項(xiàng)目精細(xì)化管理與質(zhì)量管理，如圖7所示。

3.3 模型制作成果

將隧道噪點(diǎn)去除后，使用TBC軟件對掃描的隧道點(diǎn)云進(jìn)行一鍵式模型重構(gòu)，如圖8所示。

3.4 初支與二襯設(shè)計(jì)模型對比

使用TBC軟件將隧道定線與隧道模板進(jìn)行定義后，一鍵生成二襯設(shè)計(jì)模型，之后將其與隧道掃描初支點(diǎn)云進(jìn)行對比，如圖9所示。

3.5 現(xiàn)場全景照片

SX10高清影像功能可將現(xiàn)場進(jìn)行360°實(shí)景還原，不在現(xiàn)場也能看到現(xiàn)場真實(shí)環(huán)境，同時疊加點(diǎn)云數(shù)據(jù)，完美呈現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境與測量數(shù)據(jù)結(jié)合，如圖10所示。

4 結(jié) 語

針對本文項(xiàng)目隧道情況，Trimble SX10具有以下優(yōu)勢：

(1) 掃描距離長：經(jīng)過實(shí)際數(shù)據(jù)測試，Trimble SX10單站有效掃描范圍高達(dá)200 m。

(2) 單站效率高：Trimble SX10掃描作業(yè)時間為10 min，即可獲取200 m數(shù)據(jù)。

(3) 獨(dú)有的選區(qū)掃描模式：在現(xiàn)場可以任意選擇掃描區(qū)域，大大增加了作業(yè)靈活度，同時減少了內(nèi)業(yè)冗余數(shù)據(jù)。

(4) 高清影像：Trimble SX10擁有4款500萬像素相機(jī)，能夠獲取現(xiàn)場細(xì)節(jié)。

(5) 作業(yè)簡單：全站儀式操作流程，現(xiàn)場測量人員無額外學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

(6) 內(nèi)業(yè)自動化：全部數(shù)據(jù)處理、竣工報(bào)告生成均為軟件自動化進(jìn)行。

(7) 報(bào)告符合規(guī)范：軟件自動導(dǎo)出的報(bào)告格式，完全符合竣工驗(yàn)收要求。

(8) 應(yīng)用場景多：Trimble SX10不僅能用于隧道作業(yè)，還可利用于其他傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域，如導(dǎo)線測量、精確土方計(jì)算、高速路路面沉降觀測、地形測量、高精度邊坡監(jiān)測、建筑結(jié)構(gòu)檢測等。