基于三維激光的隧道變形監測方法探究

施濤，高飛，葉周潤 （合肥工業大學，安徽 合肥 230000）

1 研究背景

地鐵隧道常常采用全站儀或測量機器人進行變形監測，這種監測方法只能在地鐵隧道斷面上選擇有限點位進行測量，隧道變形監測的結果受到點位選取位置的影響很大。因此，需要選擇更有效的監測方法代替傳統方法。

采用三維激光掃描技術對地鐵隧道進行監測，可以得到整個隧道的坐標信息，采集數據的過程更加快捷，節省人力，數據處理過程對點云數據的利用更加充分與合理，利用CloudCompare（下文簡稱CC）、PCL點云庫的功能，可以快速提取隧道點云并計算其變形。

本文采用CC與PCL軟件結合進行點云處理，利用MATLAB進行隧道斷面的擬合并計算各點到圓心的距離與隧道設計半徑進行比較，得出隧道的變形量。

2 項目施測方案

2.1 項目介紹

合肥地鐵四號線工程潛口路站位于徽州大道與高鐵路交叉口西側，高鐵路與規劃中的凌大塘路交口。該車站作為潛口路站—高鐵站區間盾構始發站，盾構施工過程中要穿越多個風險源。該區間隧道斷面直徑5.4m，項目位置如圖1所示。

圖1 項目區域

2.2 數據采集與處理

2.2.1 掃描數據

本次掃描采用的是Trimble SX10三維激光掃描儀。SX10用于測量密集的3D掃描數據，每秒可測高達26，600個點的高精度數據，測程可達600m。用Trimble SX10能夠捕獲點云數據，然后自動配準，每站的掃描時間僅需3～5min。

實驗選取潛口路至高鐵站方向右幅的一段隧道（約120m）分三個測站進行掃描。掃描所得數據如下圖2所示。

圖2 掃描數據

圖3 點云壓縮

2.2.2 點云降噪與壓縮

選取掃描所得的第一測站數據進行數據處理。由于現場數據采集過程中，隧道底部一定角度范圍內存在未清理的散落混凝土和一些小型施工器械，這些不利因素利用CC軟件剔除。與此同時，也使用CC對個別的孤點進行剔除，完成了初步的處理。然后進行點云重采樣對點云數量壓縮。結果如圖3所示。

2.2.3 精度分析

為了驗證三維激光掃描儀的測量精度，本實驗選取隧道內某一斷面布設5處標靶紙，用激光掃描儀與徠卡TS300全站儀同時測量坐標。結果如表1、表2和表3所示。

三維激光掃描儀與全站儀在三個方向的差值最大為3.7mm，其中誤差滿足《城市軌道交通工程測量規范》的要求。因此，采用三維激光的方法是可行的。

標靶的X坐標 表1

標靶的Y坐標 表2

標靶的Z坐標 表3

2.2.4 斷面圓心擬合

采用Realworks軟件對隧道點云等間距斷面采集，間距為2.5m，斷面采集的厚度設為4cm。采集結果如圖4。

圖4 斷面采集

利用PCL點云庫將所得到的斷面投影到XOZ平面。對隧道斷面運用MATLAB軟件進行擬合得到斷面的圓心坐標。如圖5所示。

2.2.5 變形分析

圖5 斷面擬合

擬合得到的圓心坐標 表4

隧道監測利用PCL點云庫編程，可選取同一隧道斷面內的任意N處位置（本實驗選取 0°、45°、90°、135°、180°五處）鄰域內的點進行擬合并計算至圓心的距離。表5為1號斷面不同方向的半徑情況（單位：m）。

1號斷面不同方向的半徑 表5

將擬合半徑與設計半徑(2.7m)對比分析可以得到隧道的變形量，如表6所示（單位：mm）。

隧道不同位置變形量 表6

選取部分斷面的數據與全站儀測得變形數據進行對比得到表7（單位:mm）。

兩種方式測得隧道變形的差值 表7

兩種方法得到的變形量的最大差值為3.93mm，因此，采用三維激光掃描的方法進行變形監測是可靠的。

分析表6的數據可知，隧道的變形整體上表現為頂部沉降，兩側擴張，其中頂部沉降最大值為11.92mm，兩側擴張最大為23.88mm。

3 結語

本文通過三維激光掃描的手段采集地鐵隧道的海量點云數據處理分析得到隧道的變形值，解決了傳統監測方法的數據采集效率低下的問題，采集得到的隧道信息更加全面，數據處理手段更加多樣。采用PCL點云庫結合MATLAB處理隧道變形問題驗證可行，為隧道變形分析提供了一套科學可行的解決方法。