三維激光掃描技術在隧道收斂檢測中的應用研究★

沈 國 根

(揚州市市政建設處，江蘇 揚州 225002)

0 引言

因其對周邊環境影響小，隧道結構是城市快速公路、地鐵等重要交通設施的重要結構形式。但是由于地質條件的影響，如長江中下游地區的典型軟弱地基，容易造成隧道收斂變形，尤其是盾構隧道，從而威脅隧道設施的運營安全[1]。針對收斂變形，學者提出了各種檢測和監測技術，如自動化近景攝影技術[2]、傾角儀[3]、智能收斂儀[4]、三維激光掃描[5]和光纖傳感技術[6]等，在技術特征、成本等方面各項技術都有各自的優點和不足。

三維激光掃描技術具有掃描面積大、速度快、可與快速檢測車結合使用等優點，在隧道收斂變形快速檢測中得到了相對廣泛的研究和應用。本文在某地鐵隧道收斂變形檢測中，采用了三維激光掃描技術，現場檢驗了該技術的應用效果。

1 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀系統一般包括激光掃描和測距系統，在測量時將激光脈沖依次掃過待測區域，每個脈沖經待測結構表面反射并被相機捕獲，測量系統可以測量光路程大小以及反射角度，進一步解析可獲得測點的空間坐標(也稱為點云)，如圖1所示，計算公式如式(1)所示。

x=rcosαcosθy=rcosαsinθz=rsinα

(1)

2 基于三維激光掃描的隧道收斂變形分析方法

2.1 橢圓擬合

根據理論計算和實際檢測發現，盾構隧道發生收斂變形后隧道截面有從圓形變化到橢圓形的趨勢，因此，對測量數據進行橢圓形擬合是切合實際的。橢圓擬合是根據提取環片中間位置的點云進行橢圓擬合，擬合模型采用二次曲線方程式(如式(2))進行擬合。其中，A～F均為擬合系數；x和y分別為坐標軸的橫、縱坐標。

Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0

(2)

擬合時引入抗差、平差估計方法，在粗差不可避免的情況下，使用選權迭代法，使參數的估值盡可能避免粗差的影響，得到正常模式下的最佳估值，如圖2所示。

2.2 收斂計算

根據點云擬合橢圓的長軸、短軸分別與設計值直徑的差值為收斂初始值，其中長軸一般代表水平向，短軸代表豎直向。

3 某地鐵隧道工程應用研究

3.1 試驗工程概況

試驗工程為某地鐵線路的典型區間，在前期的人工巡檢過程中，發現了滲水、掉塊破損、裂縫道床分離病害等典型病害，同時考慮地質情況，選取了左、右線里程分別為K39+650～K40+012和K39+600～K40+108的區間，左線所包含對應的管片環號是L696～L1037環，右線所包含對應的管片環號是R720～R1099環。

在試驗中，為了比較檢測精度，還采用了高精度激光測距儀對隧道測點距離進行了測量。考慮到豎向直徑測量一般需要搭設腳手架或采用升降機，本次試驗中僅對若干點的水平直徑進行了測量，并與三維掃描結果進行了比對。同時，文章中也僅包含了水平向的收斂檢測結果。

3.2 試驗結果

3.2.1收斂變形檢測結果

系統在三維激光掃描后直接進行橢圓擬合并識別長、短軸的半徑長度，典型結果如圖3所示。

此試驗段標準圓設計內直徑是5.5 m，利用識別的長軸直徑計算水平收斂變形，左、右線的結果分別如圖4和圖5所示。從結果中可以發現，收斂變形最大的位置比較集中，如左線收斂超過60 mm的管片均位于環號L951～L955，右線收斂超過40 mm的管片均位于環號R1021～R1085之間；左線的收斂變形顯著要比右線的大，具體原因有待進一步調查、分析。

3.2.2收斂變形檢測誤差比較

本次對比驗證，左線選擇L740,L820,L980和L1028共四環，右線選擇R720,R820和R1010共三環。對比測量采用高精度激光測距儀，其精度可達到0.1 mm。測量對比結果如表1所示，兩種方法在左線的測量差值為1 mm，右線的測量差值達到3 mm，造成左右測量誤差差異的原因不明，需進一步考察。綜合考慮，目前所采用的三維激光掃描系統的收斂測量精度可達到5 mm。

表1 水平收斂測量誤差對比表

4 結語

收斂變形是表征隧道結構健康、安全的重要指標，本文采用三維激光掃描技術，對某地鐵隧道試驗區段開展了收斂變形快速檢測的應用研究，研究結果表明：

1)三維激光掃描技術可以快速準確地識別隧道結構，并自動識別隧道的內部尺寸，通過橢圓擬合獲得水平和豎向直徑；

2)隧道水平收斂的檢測誤差在5 mm以內，若考慮更高精度的測量，需采取措施提高測量精度，如在關鍵區域采用多次測量降低誤差。

考慮三維激光掃描系統在隧道內快速檢測的特點，可大幅降低檢測時間和人力成本，因此，本方法具有廣闊的應用前景。