基于移動三維激光掃描的隧道結構監測方案研究與應用

張 琰，孔祥思，徐西桂

(建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007)

隨著我國城鎮化高速發展，城市規模不斷擴大。地鐵作為現代化的大型公共基礎交通工具,展現了其安全、高效、綠色節能的巨大優勢,成為解決城市交通擁堵的重要途徑[1-2]。地鐵長期運營過程中受各種因素的影響，導致結構性能發生退化。多種結構病害如隧道環片變形、裂縫、滲水等，這些病害如果不予以控制將嚴重危害列車的行車安全。為保證運營隧道的安全，需要對隧道結構的健康狀況進行定期檢測，為隧道結構狀態評價及養護維修提供依據。

目前隧道結構檢測主要困難有：地鐵作業天窗點短；分類監測效率低、操作復雜、監測點不足；隧道空間狹小存在一定的安全隱患[3-4]。針對傳統隧道結構監測的不足，本文提出了一種基于移動激光掃描的隧道結構監測解決方案。首先，利用2D斷面掃描儀與軌道小車相結合，通過多傳感器控制系統實現隧道三維點云數據獲取；其次，通過自動分析軟件對隧道結構進行各類病害提取與輸出；最后，利用綜合數據管理平臺對隧道健康監測的成果進行管理與分析。該方案打破了傳統監測手段諸多不足，不僅實現一次采集，多類型監測，提高了監測作業效率；而且利用數據管理平臺對監測成果進行綜合管理分析，為地鐵運營的科學管理提供強大的數據支持和科學依據，是未來地鐵運營監測與管理的新方向。

1 移動三維激光掃描系統

移動三維掃描技術發展迅速，測量效率、測量精度都有了大幅的提高，而該技術恰巧能解決目前隧道監測中測量作業時間短以及測量范圍不足等問題[5-6]。本文采用武漢大學毛慶洲教授研發的移動測量系統，該系統以軌道小車為載體集成2D斷面激光掃描儀、GNSS/IUM定位定姿系統和DMI(里程計)等多種傳感器，通過計算機同步控制單元實現隧道三維信息的快速獲取[7-8]。

1.1 系統硬件組成

本文采用的移動測量系統硬件構成主要有：2D斷面掃描儀、GNSS接收器、慣性導航單元(IMU)、里程計(DMI)、微電腦控制單元、電源管理系統、鋁合金軌道推車等，如圖1所示。

圖1 移動測量系統組成

2D斷面掃描儀：該系統采用德國Z+F9012斷面掃描儀，可實現在垂直于運動方向進行360°斷面掃描采集。該掃描儀轉速高達200轉/s，可輕松實現每秒采集100萬個點，每個掃描點包含該點相對掃描中心的距離值和角值信息。

GNSS接收機：軌道車推行過程中實時獲取掃描儀的定位信息，對掃描儀進行精確定位，為獲取的點云數據建立高精度的空間基準。

慣性測量單元(IMU):主要用于移動測量系統推行過程中實時測量掃描儀XYZ三個方向的瞬時加速度、瞬時角速度、調節和溫度補償,實現掃描儀姿態的實時獲取，為后續數據計算提供依據。

里程計(DMI):通過測定計軸器旋轉軸的角位移或角速度，可準確獲取載體的里程、速度等信息，為隧道點云處理時里程修正提供參考依據。

微電腦控制單元:主要用于測量系統的各種傳感器集成和同步控制，保證數據采集的時間和空間基準的統一性。

電源管理系統：為各種精密傳感器、內置計算機、2D斷面掃描儀提供電力供應和管理。

鋁合金軌道推車：鋁合金車架結合絕緣輪轂，通過定位孔將多種設備精密集成，既保證設備推行過程中精度需要，又避免了對鐵軌的傷害。

1.2 同步控制系統

同步控制系統是該移動測量系統的指揮系統，推行過程中各種傳感器某一時刻測量出來的數據需要統一的時間坐標關聯起來，保證測量結果的可靠性[9]。為了減輕計算機的工作任務并提高系統的同步精度，移動測量系統通過一個時間同步控制器實現各傳感器數據的同步記錄。為了提高時間同步控制器的時間精度，將GNSS系統輸出的時間信號和PPS信號引入至時間同步控制器，對時間同步控制器進行對時處理，如圖2所示。

圖2 同步控制系統

2 移動三維激光隧道結構監測方法

2.1 數據采集方式

移動式三維激光掃描儀與傳統三維激光掃描儀不同，傳統三維激光掃描儀通過激光發射器和機身同時旋轉實現三維數據采集，移動式三維激光掃描儀采用2D斷面掃描儀在垂直于小車前進方向做二維斷面掃描，在推行空間上螺旋采集的方式進行空間三維數據獲取[10-11]。采集的點云數據以激光發射中心為原點，以前進的方向為Y軸構成空間坐標系，獲取隧道中海量線性點云數據。該掃描方式克服了站式掃描儀作業效率低、點云拼接繁瑣的缺點，大大提高了隧道數據獲取的效率，更加符合地鐵隧道結構特點。移動三維激光掃描采集方式及獲取的三維點云數據如圖3所示。

圖3 移動三維激光掃描采集方式和獲取的點云數據

隨著推行時間和里程的不斷增加，可獲取隧道結構大量點云數據。高密度點云可對隧道結構整體形態進行恢復，為隧道結構形變分析提供基礎數據服務。

2.2 數據處理分析與成果輸出

移動三維激光掃描獲取的三維點云數據真實還原了隧道結構形態，如何通過海量的點云數據精確地提取隧道各項參數指標，是隧道結構監測核心。本文利用自動化三維點云處理軟件，如圖4所示，實現三維點云數據自動去燥配準、正射影像制作、工程切分、點云收斂分析、錯臺分析、滲漏水檢測、裂縫檢測等一系列內業數據處理與分析。

圖4 三維點云處理軟件界面

自動化三維點云處理軟件將不同的監測成果分別按照不同類型和格式進行輸出。下面針對不同成果的處理分析方法進行簡要介紹：

數據配準：針對多種傳感器測量數據的融合，將各傳感器數據與三維點云進行配準，配準點云與軌道面的空間位置,為精確提取隧道斷面提供保障。

正射影像制作：以特定步長的柵格對點云劃分，將該柵格內點云的強度平均值作為該柵格的灰度值，實現點云柵格化,沿軌道中心線將灰度影像進行展開，獲得隧道高清正射影像。

工程切分：為了減輕計算機壓力，提高軟件運行效率，針對隧道結構的特點對掃描數據以單個區間為節點進行切分，同時方便后期數據管理。

水平收斂分析：首先，自動識別技術識別環片拼接縫，進而確定環片的位置和寬度；其次，根據環片信息對所有環片進行逐環斷面提取；最后，利用提取的斷面點云對環片的橢圓度及水平直徑進行測量。

錯臺分析：分別在距離環片接縫5 cm左右處相鄰的兩個環片上，各取一定寬度的點云數據，從而分別獲取相鄰環片的兩個斷面點云，將代表相鄰環片形狀的兩個斷面進行疊加分析，獲取相鄰環片的錯臺變化信息。

滲漏水及裂縫檢測：通過圖像自動識別方法，利用隧道高清正射影像圖自動識別隧道內部的滲水、洇濕、裂縫等病害信息。并自動計算病害的位置及大小，以報表形式對病害信息進行統計。

自動化點云處理軟件集成不同數據分析模塊，輕松實現一次掃描數據多種監測需求。通過成果導出模塊對各種監測成果自動批量導出，大大提高內業作業效率，部分成果類型如圖5所示。

圖5 移動三維激光掃描監測成果類型

3 監測數據綜合管理平臺

移動三維激光掃描監測系統，其成果豐富、效率高、數據量大。為了充分發揮監測成果的作用，更加全面地分析地鐵隧道的結構健康狀況。我院針對地鐵監測業務需求研發一套強大的運營監測數據管理平臺。該平臺采用B/S架構設計，用戶直接通過瀏覽器網頁輸入授權賬號訪問即可對監測數據進行管理，不僅實現了移動三維激光監測數據的管理分析，而且還集成了傳統運營監測數據管理模塊、地鐵保護區監測模塊及視頻實時監控模塊等。該平臺在武漢、鄭州、南京、蘇州等多個城市得到應用，深受地鐵運營管理單位的青睞。平臺界面如圖6所示。

圖6 運營監測數據管理平臺

數據管理平臺對成果數據集中管理與分析，將多源監測成果進行綜合對比，在空間和時間多個維度上分析隧道結構的變化狀態，為管理者準確掌握隧道變化情況、科學做出預判，提供強大的支持。

4 工程項目應用與分析

本文以武漢工程項目為例，通過某區間數據成果分析說明方案在未來地鐵運營監測中的巨大優勢。

4.1 項目概況

武漢軌道交通2號線一期和4號線單線全長共計100 km，共有5萬個環片。武漢2號線和4號線均為過江線路，承擔了武漢絕大多數公交過江的客運量，對解決武漢市跨江交通難題，緩解武漢長江大橋、武漢長江二橋的交通壓力有著重要意義。

本項目在不影響列車正常運營的情況下，采用文中解決方案50天內順利完成所有外業采集和內業數據處理工作，且采集成果為逐環采集,比傳統監測范圍更加全面。在新的作業模式下，車載移動測量技術節省了4/5的人力資源，相同時間內可完成工作量至少為原來作業模式的10倍，實現隧道水平收斂、斷面分析、錯臺分析、限界分析、病害調查等需多次上線才能完成的作業內容，上線一次即可全部解決。

4.2 成果分析

由于項目數據量較大，本文通過對隨機選取的某一區間數據進行分析。該區間共計693環，為了驗證設備穩定性，對該區間在同一時間內進行兩次掃描，兩次監測結果如圖7所示。

圖7 某區間監測結果

同時為了驗證監測結果的可靠性，對該區間采用全站儀隨機選取一定環片進行驗證，三維激光掃描方法監測結果和全站儀監測結果對比情況如表1所示，將兩種方法的水平收斂監測結果進行對比，其中均值為-2 mm。

表1 精度對比分析

通過實驗結果可知項目兩次監測結果吻合，全站儀驗證精度可靠，隨著項目不斷開展，兩條運營地鐵線路采用本文方案僅兩個月即實現全線的結構監測，大大提高了數據采集與處理的速度，而且監測成果精度完全滿足地鐵隧道監測業務需求，多期數據存檔分析，為未來構建智慧地鐵大數據管理提供良好數據積累。

5 結 論

本文基于移動三維激光掃描的隧道結構監測方案，積極采用新技術、新方法、創新思維。通過新興移動三維激光掃描監測系統對隧道結構進行全面監測，結合數據管理平臺對數據進行綜合分析，構成一套科學全面的地鐵運行監測方案，并通過項目驗證方案的可行性及可靠性，為未來智慧地鐵運行管理開拓了新方法、新思路。