三維激光掃描技術在隧道收斂監測中的應用

陶鈞，劉勝男

（1.常州市武進規劃勘測設計院，江蘇 常州 213159；2.江蘇城鄉建設職業學院，江蘇 常州 213147）

1 引言

隨著國民經濟飛速發展以及城市化腳步的加快，我國城市軌道交通也在迅猛發展。城市軌道交通具有運輸能力強、速度快、環保等優點，能極大地滿足人們日益增長的出行需求[1]。但是城市軌道交通絕大部分修建在地面以下（人們俗稱“地鐵”），軌道交通事故也頻繁發生，其安全性和穩定性成為了社會普遍關注的新問題。城市軌道變形監測作為保證其安全、穩定運營的一項工作顯得十分重要[2]。

目前傳統的變形監測方法主要運用GNSS、全站儀、水準儀等設備來監測一些關鍵點位的變化，不僅需要多名專業人員的配合，而且變形分析均有“以點代面”的局限性，不能全面細致地反映變形的過程與趨勢。三維激光掃描技術能夠克服傳統監測方法的弊端，節省大量人工和時間成本，利用激光及時、準確和清晰地展現在軌道交通的變形情況，提高軌道交通變形監測的數據管理能力及數據處理效率，為監測單位、咨詢單位、業主單位等軌道交通建設者服務，加快城市軌道交通的數字化、智慧化建設的進程。

2 項目情況

2.1 測區情況

某軌道交通35km至36km的區間，已經進入軌道安裝和設備調試階段，預計在2019年底進行試運行。地下軌道交通全部采用盾構方法進行施工，隧道內徑設計值為7.700m，兩端為兩個地鐵站，便于測量。同時軌道交通施工方仍然用常規方法進行整體收斂監測，其成果可用來與三維激光掃描的成果來進行比較。

2.2 監測周期與方法

從2019年5月10日至2019年8月30日，每隔十天測量一次，共測12期數據。

2.3 監測內容

對全線軌道線路進行整體收斂監測，測定隧道結構的各個方向的位置距離以及變化速度，進而分析主體結構的變形情況。

2.4 監測預警值

隧道結構沉降預警值

3 數據采集

3.1 控制網的建立

35km至36km的區間在施工建設階段已經布設了10對（20個）CPⅢ控制點，并且保存完好，經事前復測，精度滿足控制網的要求。為了保證獲取高質量點云數據，在復測時又用靶標加密了11個控制點A0～A10，共同組成控制網。

圖1 測區控制網示意圖

3.2 數據采集參數設置

為了保證數據質量，整個掃描過程采用天寶TX8的二檔掃描，30m處點間隔1mm。控制點到掃描目標距離控制在60m以內使用。

3.3 采集數據

架站靜態掃描時采用的方法是把靶標架設在控制點上，掃描儀任意架站，每相鄰的兩站有相同的3個靶球作為同名點，掃描結束后，利用RealWorks數據處理軟件，將控制點坐標加入到靶標中心上，采用空間坐標七參數轉換關系，將測站點坐標地理化。

架站式掃描外業觀測需用時2.5h，內業數據處理約8h。

4 數據處理

根據不同測量方式得到的測段點云數據中包括路過的行人、“飛點”噪聲以及其他不可預知的事物出現，為了避免影響后期數據處理效率和成果精度，對數據進行預處理。

①點云拼接與抽稀：靜態掃描時單一測站掃描無法獲得完整的形態，因此需要多個測站來對其進行掃描，并將多測站的數據進行拼接。由于掃描的點云數據量巨大，為減輕后期數據處理，按3mm的間隔進行抽稀。

②點云地理化：利用CPⅢ控制點將整體點云進行坐標地理化，統一坐標系后可以與以往的監測資料做比較。

③點云分割：由于只需對隧道本身進行分析，而無需周圍的多余點云，因此先刪除周圍多余數據，以減少數據量，加快數據處理速度。

④點云去噪：對分割后剩下的監測對象去除“飛點”等噪聲，以提高成果精度。

圖2 實驗測段整體點云圖

5 提取與分析

該測段中原有7個收斂監測環（見圖3），建設方委托有資質的測繪中介服務機構運用測量機器人，自隧道貫通后就開始進行收斂監測，運用激光掃描技術，仍然對這7個監測環進行收斂監測分析，方便后續對比。

圖3 七個監測環示意圖

利用隧道內表面的點云數據，在每個環片的相同位置切斷面，通過最小二乘法擬合橢圓，獲取逐環管片水平收斂數據，計算通過圓心的長短半軸，利用公式計算得到每個環的橢圓度，將12期的水平直徑和橢圓度的變化，逐期做差計算后統計成圖4和圖5。測量結果顯示水平收斂值單次不超過5mm，累計也未達到70mm；橢圓度單次不超過0.002°，累計也未達到0.025°。同時段建設方委托有資質的測繪中介服務機構，運用測量機器人進行觀測的結果（水平收斂值單次最大3.8mm，橢圓度單次最大0.0018°）與激光監測結果基本一致。

圖4 七個監測環12期水平直徑監測成果圖

圖5 七個監測環12期橢圓度監測成果圖

6 結語

針對基于三維激光掃描的軌道交通整體收斂監測技術，以某地鐵隧道項目為例，取得了預想的效果。

①基于三維激光掃描的變形監測技術，可以用于隧道整體收斂監測，還可以在限界監測、錯臺監測和病害識別等方面有良好的應用。

②通過數據證明三維激光掃描技術能夠實現毫米級的變形監測，在效率、完整度、可復制性等方面具有優越性。