三維激光掃描技術在地鐵隧道形變檢測中的應用

李丞鵬 張蘊明

(北京中天路通工程勘測有限公司, 北京 100124)

1 引言

地鐵建設或運營過程中,地面、周邊建筑物負載及土體擾動、隧道周邊工程施工等因素會對隧道產生綜合影響從而造成隧道結構變形[1]。

華東某條地鐵區間工程建設過程中,該區間地面上堆放了大量渣土,在荷載壓力持續作用下,致使該區域隧道頂部管片出現了裂縫,嚴重的地方有滲漏水現象。

災害出現后,有兩個急需解決的問題：一是準確檢測出隧道形變量大小;二是在形變量大的地方加支護,防止其進一步形變。

項目組應用傳統全站儀測量方式[2]進行隧道形變檢測時遇到了以下問題：

(1)測量斷面密度問題：整個檢測區域約300 m,設計方要求2 m采集一個斷面,全站儀測量工作量大。

(2)數據全面性、準確性問題：全站儀是以離散點的形式進行斷面采集,用這些離散點擬合的斷面形態相比真實形態有較大誤差。

2 三維激光掃描技術及隧道應用難點

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術[3]。它突破了傳統的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據,它通過高速激光掃描測量的方法,大面積、高分辨率的快速獲取被測對象表面的三維坐標數據[4-7]?？梢钥焖?、大量的采集空間點位信息,為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。

應用三維激光掃描技術進行隧道工程掃描和處理工作,面臨著以下三方面難點：

(1)隧道內整體特征點不明顯,不利于多測站拼接工作;

(2)隧道為狹長形結構,受掃描入射角的限制,為了得到高精度點云數據,每個測站掃描范圍不宜過大;

(3)市場上隧道點云專用處理軟件很少,價格昂貴。

以下為針對引言中具體項目,實際工作中克服了以上難點,最終完成隧道形變檢測工作。

3 作業流程及項目實踐

3.1 儀器設備

本項目投入的設備有FARO FOCUS 3D掃描儀、徠卡TM30全站儀等。

3.2 項目實施技術流程

整個項目分為外業數據采集、點云數據處理、成果提交3個部分,技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程圖

為了驗證掃描成果的精度與準確性,對該段隧道區域掃描的同時,進行了傳統的全站儀免棱鏡斷面測量,每個斷面測量8個特征點,斷面間隔6 m。

3.3 外業數據采集

掃描儀獲取的原始點云數據坐標系是以儀器中心為坐標原點的相對坐標系統,在工程應用中需要將點云坐標轉換為與隧道施工坐標系一致的坐標系統。

本項目點云數據采集引進了國外較為領先的“快速絕對(APM)定位法”。這種方式的原理是在掃描儀的底座上安裝了兩個棱鏡(圖2),另外還有一個球形棱鏡作為定向標靶(圖3)。掃描的過程中,由全站儀測量獲取三個棱鏡的絕對坐標,三個棱鏡的相對坐標由掃描儀與底座的幾何關系推算，在點云中識別獲取(掃描儀底座上的兩個棱鏡由儀器幾何中心直接算出,定向標靶坐標在點云中識別獲取),這樣就得到了空間三個點在兩套坐標系中的坐標,從而進行點云的坐標轉換。

圖2 FARO掃描儀+底座棱鏡

圖3 定向標靶

采用APM定位法,項目組投入3人,耗時2 h,共采集了300 m的隧道點云數據。采集現場如圖4所示。

圖4 現場掃描情景

3.4 點云數據的處理

點云數據處理工作包括數據預處理、隧道斷面提取與分析及隧道模型建立等。點云數據預處理主要包括點云去噪、抽稀等,該項工作相對簡單,可以利用常見的點云數據處理軟件進行處理。項目團隊自行研發了隧道點云數據軟件,重點解決了以下問題。

3.4.1點云數據坐標統一

因為點云數據采集過程中采用了“APM定位法”,每個測站均得到了3個點在相對坐標和絕對坐標兩套坐標系下的三維坐標,所以可以求取兩套坐標系的轉換參數。通過將每個測站的原始點云坐標分別旋轉和平移,最終得到整個區域一致的施工坐標系下的點云數據。

3.4.2設計數據導入與里程標定

點云數據統一轉換為施工坐標系后,能夠與設計數據進行套合。軟件支持設計數據(平曲線、縱曲線和斷面圖)的導入功能,如圖5所示。

圖5 點云數據中導入設計數據后的效果

設計數據導入后,經過軟件的標定,點云數據具有了里程信息,以便進行點云截取與任意里程斷面切割。

3.4.3點云截取

受制于掃描入射角和距離的限制,離掃描儀越遠,點云精度越差。利用軟件點云截取功能,通過相鄰測站精確的里程標定,去除里程范圍外多余的點云數據,并做到相鄰測站點云數據不重疊。圖6為多個測站拼接后的點云視圖。

圖6 多個測站拼接后的點云視圖

3.4.4斷面切割

通過輸入起始里程范圍和斷面間隔,程序可自動生成沿設計曲線法線方向切割的點云斷面。

3.4.5形變分析

將每個斷面的離散點進行樣條曲線擬合[8-10]并與設計斷面套合比對分析,形成1 m間隔的隧道斷面形變分析圖和表格成果(受軌面、疏散平臺、線纜等影響,圖7中不規則線為點云擬合的樣條曲線,規則圓為設計斷面)。圖7為隧道部分斷面形變分析圖,可以看到,隧道頂部出現了一定程度的下沉,斷面呈現出細微的扁平化特征。

圖7 隧道斷面形變分析圖(單位：m)

4 精度驗證

為了驗證三維激光掃描法測量斷面的精度[8],采用全站儀免棱鏡測量法對一定范圍內相同斷面進行了測量,每個斷面均勻設置8個測量點。表1是部分斷面的圓心擬合坐標比對,其中X,Y,Z為圓心在施工坐標系下的三維坐標,單位為m;水平差、高程差單位為mm。

表1 掃描儀測量與全站儀測量相同斷面圓心擬合坐標對比

由于全站儀免棱鏡測量本身精度不高,經計算水平差標準差18.891 mm,高程差標準差12.343 mm。

5 結束語

本項目采用三維激光掃描法進行隧道形變檢測，與傳統全站儀法相比,呈現出以下幾個特點：

(1)點云法相對于全站儀法,能獲取到更加密集的斷面數據。

(2)通過比對兩種方法在同一里程處獲取的斷面圓心坐標可以看出,由于儀器及人員操作不同,兩種方法呈現出一定誤差,處于合理范圍。由于掃描法獲取的每個斷面是由上百個點擬合而成,故認為點云擬合的斷面相對于全站儀法應該更加準確。

(3)點云數據與傳統的測量數據不同,一次采集后可以有多種不同的應用：可以通過對點云數據斷面切割,進行隧道的形變檢測;利用其灰度信息得到隧道的影像,進行隧道裂縫的提取與檢測;根據點云數據建立隧道的真實三維模型,可作為地鐵應急搶險管理系統的基礎數據。

本項目采用三維激光掃描技術對該段隧道區域進行了數據采集及處理,對隧道的形變情況進行了分析,通過提供真實的隧道斷面圖,為隧道結構支護提供了參考。實踐證明,三維激光掃描技術在地鐵隧道工程中具有良好的適用性。