新型移動三維激光掃描技術在盾構管片橢圓度檢測中的應用

李 軍，高 濤

(1. 南寧市軌道交通集團有限責任公司運營分公司，廣西 南寧 530000；2. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

隨著我國城市不斷發展，城市人口不斷增加，地面交通影響因素復雜，城市規模不斷擴大，交通問題逐漸成為限制城市發展的重要因素。建設城市軌道交通網對于解決越來越嚴重的交通阻塞問題具有重大意義[1-3]。盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，其具有掘進速度快，自動化程度高，不影響地面交通與設施等優點，因此在地鐵隧道結構建設中得到廣泛應用。盾構管片通常采用高強抗滲混凝土，以確保可靠的承載性和防水性能，利用成品管片模具在密封澆灌混凝土后即可成型。在地鐵運營以后，由于地質條件差或者周邊臨近基坑施工等原因，隧道會出現漏水、裂縫、下沉等病害。根據《城市地下空間檢測監測技術標準》關于盾構法隧道健康檢測的規定，需要對隧道襯砌環直徑橢圓度進行檢測。傳統的橢圓度檢測主要有吊鉛錘法、全站儀斷面法、激光斷面儀法等。傳統作業方式存在效率低、操作復雜、自動化程度低等缺點，因此無法進行大范圍的檢測[4-6]。本文創新引入移動三維激光掃描技術，分析移動式三維激光掃描系統的橢圓度檢測的基本原理及作業流程，通過工程實例驗證該方法在實際應用中的優越性。

1 橢圓度檢測常用方法

盾構隧道管片的理論設計為圓形，由于盾構管片在生產、安裝、使用過程中均會出現偏差，特別是地鐵線路不斷運營，管片周圍荷載隨著環境變化發生改變，導致盾構環片發生變形，為了保障地鐵運營的安全，必須對隧道管片的形狀的穩定性進行定期的檢測[7-9]。橢圓度(也叫不圓度)是定量分析盾構管片整體形變的重要參數，地鐵隧道盾構法施工設計、驗收和保護相關規范都對盾構管片的橢圓度檢測進行了規定和要求，隧道管片橢圓度的關鍵在于計算隧道管片的橢圓長短半軸。目前現有的檢測手段主要有3種，分別為吊鉛錘法、全站儀斷面法、激光斷面儀法。地鐵隧道管片橢圓度計算方法為

(1)

式中，T為管片橢圓度；a為橢圓長半軸；b為橢圓短半軸；D為標稱直徑。

1.1 吊鉛錘法

吊鉛錘法是通過直接測量盾構管片的橢圓長軸和短軸，從而計算管片的橢圓度[10]。該方法又被稱為直接法，采用皮尺與吊鉛錘相結合，在隧道管片邊緣吊多條鉛錘，兩側通過拉皮尺方法找到垂直于各鉛錘的測線，通過多次量測找到測線最長位置，找出長半軸a和短半軸b，根據式(1)計算橢圓度。該方法由于通過鉛錘定線確定長短軸，前提假定短半軸與鉛錘方向平行，但實際情況隧道的長軸并不在水平方向，該方法存在一定狹隘性。

1.2 全站儀斷面法

免棱鏡全站儀具有精度高、測程遠、設備穩定等優勢，因此利用免棱鏡全站儀對隧道管片進行一定數量測量采集，通過這些測點對隧道環片的整體形狀進行擬合處理，獲取隧道管片的長短半軸，進而求出管片的橢圓度。但全站儀為單點測量模式，該方式精度高，但采集速度慢，采集的測點密度較小，一般盾構管片的斷面測量僅獲取15～20點測點，不能完全反映隧道整體形態。

1.3 激光斷面儀法

激光斷面測量測點密度高、測量速度快，是一種較為先進的隧道形態獲取方法[11]。該方法利用高精度快速測距、測角技術，利用極坐標測量與計算機結合，通過單站測量方式快速獲取大量隧道結構點云數據，結合專業點云圖像處理軟件獲得環片內壁輪廓，確定管環長短軸的位置并計算其長度，進而得到環片的橢圓度。但該方法只能單站測量，對于隧道長條形特殊結構，其作業效率不能很好地滿足業務需求。

2 基于新型移動三維激光掃描系統的隧道管片橢圓度檢測

移動激光測量技術是一項迅速發展的高新技術，初期汽車為載體對道路及周邊建筑的整體數據采集。隨著技術的不斷發展，考慮地鐵盾構隧道的帶狀構造、地下作業空間封閉、作業天窗點寶貴的特點[12-13]，本文創新引入移動激光掃描技術，以解決傳統隧道管片檢測中的諸多不足。本文以RMMS-01移動測量系統為例介紹移動測量系統組成，分析橢圓度檢測的數據處理方法。

2.1 系統介紹

RMMS-01移動測量系統集成德國Z+F9012激光掃描儀、GNSS/IUM定位定姿系統和DMI(里程計)等多種傳感器。通過多種傳感器的集成，利用定制的軌道小車和電源為掃描平臺，為各傳感器統一進行供電。通過置入的微電腦同步控制系統，對各傳感器同步控制建立統一系統，實現快速獲取連續隧道管片的點云信息。集成后的移動測量系統如圖1所示，系統性能參數見表1。

項目參數激光測程/m0.5～119激光發射頻率100萬點/秒掃描速度200轉/秒掃描角度/(°)360掃描角分辨率/(°)0.0088角速度測量范圍/(°/s)±400陀螺儀零偏/(°/h)≤0.5環境適應溫度:-45～65℃,濕度:0～95%檢測速度/(km/h)3—5

2.2 橢圓度檢測處理方法

該系統每秒鐘可獲取幾百萬個點云數據信息，采集到的點云數據不僅包含隧道內壁的形態信息，由于隧道管片表面安裝了諸多配套設備如電燈、電線、螺栓等，因此點云成果中存在大量的噪點[14-16]。為了保證環片橢圓度檢測的真實性，必須對噪點進行剔除。橢圓度檢測的數據處理過程主要有3個部分：噪點剔除、橢圓擬合、橢圓度計算。

2.2.1 噪點剔除

噪點剔除的方法有很多種，如高斯濾波、半徑濾波、雙邊濾波等。通過一定的點云濾波方法，剔除明顯不屬于環片壁的點云數據，設定不同的閾值通過不斷迭代提高點云的可靠性。然后利用得到的點云數據進行橢圓擬合。

2.2.2 橢圓擬合

本文橢圓擬合基本方法是利用最小二乘法，把去噪后的點云坐標代入橢圓方程(式(2))，由于點云不是嚴格橢圓會存在偏差，偏差公式為式(3)。

Ax2+B2+Cxy+Dx+Ey+1=0

(2)

(3)

根據式(3)采用最小二乘原理代入斷面點云坐標，即可求得橢圓的一般參數(A、B、C、D、E),將橢圓的一般參數代入式(2)得到與斷面點云最佳擬合的橢圓。

2.2.3 橢圓度計算

根據橢圓擬合獲取橢圓方程，進一步求出橢圓的長短半軸a和b，再利用式(1)即可求出管片橢圓度。

該系統不僅可以快速連續獲取大量的隧道點云數據，而且利用本文的橢圓擬合方法進行大量點云迭代計算，可輕松實現隧道橢圓度的逐環快速檢測，大大提高了橢圓度的檢測速度和準確度。

3 項目案例與分析

3.1 項目概況

我國中部某城市地鐵公司要求在該市某條地鐵線路兩個區間從2018年6月至2019年4月配合運營監測進行為期兩次的橢圓度監測。區間1(右線)里程從K20+727.095至K21+504.579，共517個環片；區間2(右線)里程從K14+409.545至K15+169.473，共504個環片。

3.2 成果分析

采用自主研發的自動化點云處理方法將外業獲取的數據，利用本文橢圓度監測方法對隧道盾構環片進行逐環檢測，并將該環片的擬合橢圓，長短半軸，水平直徑，偏轉角(長軸與水平方向夾角)、橢圓度等信息進行輸出。以區間1里程K20+889.816處109環進行示意說明。圖2為環片斷面示意圖及檢測成果表。

將兩次采集的數據進行逐環檢測，并將兩次檢測的橢圓度進行疊加分析，對比兩次檢測橢圓度變化情況，對比分析結果如圖3所示,通過對比可知區間1和區間2在兩次掃描檢測期內環片橢圓度變化不大，該時間段內隧道結構較為穩定，同一區間內橢圓度值較大位置多為隧道的洞口，由此可知隧道洞口結構穩定性不如隧道內部。

4 結 語

本文引入新型移動三維激光掃描技術，分析了該技術在隧道橢圓度檢測中的原理與方法，介紹了橢圓度檢測的基本流程，通過工程案例進行實際應用。結果表明，該方法檢測信息全面，作業效率快，提高了橢圓度檢測的可靠性，更加符合未來隧道管片檢測的需求。