三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張?zhí)N明，馬全明，李丞鵬，耿長(zhǎng)良，李 響

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

一、引 言

地鐵隧道收斂監(jiān)測(cè)，即地鐵運(yùn)營(yíng)過程中，由于受到地面、周邊建筑物負(fù)載及土體擾動(dòng)、隧道周邊工程施工及隧道工程結(jié)構(gòu)施工、地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)等原因，會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生綜合影響而造成隧道變形。通過儀器設(shè)備對(duì)這種變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析數(shù)據(jù)，以判斷變形是否在允許的范圍內(nèi)，是地鐵隧道安全監(jiān)測(cè)工作中非常重要的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的隧道收斂監(jiān)測(cè)，一般采用兩種方法：鋼尺收斂計(jì)接觸法測(cè)量和全站儀非接觸法測(cè)量。鋼尺收斂計(jì)法就是直接用鋼尺量取隧道直徑，這種方法雖然操作簡(jiǎn)單，但是具有明顯的局限性和不利之處：首先是作業(yè)效率低;其次是量測(cè)結(jié)果容易受到人為誤差的影響。全站儀非接觸測(cè)量即采用全站儀進(jìn)行坐標(biāo)傳遞，每個(gè)測(cè)站都需要對(duì)中和量取儀器高，并瞄準(zhǔn)斷面上的不同方向點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。由于地鐵在運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)不能進(jìn)行觀測(cè)，而只能在晚上3～4 h停運(yùn)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行工作，受到本身的作業(yè)復(fù)雜性和晚上光線環(huán)境因素的影響，這種監(jiān)測(cè)方式同樣也不是最好的工作方法。

二、三維激光掃描技術(shù)在隧道收斂監(jiān)測(cè)中的工作流程

整個(gè)工作流程分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三角網(wǎng)模型建立、隧道斷面截取、成果輸出、對(duì)比分析等。

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜度以及不同儀器本身有效工作范圍的不同，合理的設(shè)置測(cè)站和標(biāo)靶球的位置。標(biāo)靶球注意不要擺放在一個(gè)面內(nèi)，以免影響拼站精度。如果需要將斷面坐標(biāo)統(tǒng)一到絕對(duì)坐標(biāo)系中，需要用全站儀測(cè)出一些標(biāo)靶球的絕對(duì)坐標(biāo)，作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的控制點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在點(diǎn)云后處理軟件中，根據(jù)測(cè)站間共有的標(biāo)靶球拼接各個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在噪聲點(diǎn)及其他無用數(shù)據(jù)，比如工作人員、各類障礙物等，這些都需要在后處理軟件中剔除。

(3)三角網(wǎng)模型建立

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，在專業(yè)的建模軟件中建立三角網(wǎng)模型，建模過程中要注意以真實(shí)情況為主，避免大量漏洞的修補(bǔ)。

(4)隧道斷面截取

建立好三角網(wǎng)模型后，在專業(yè)軟件中，確定出隧道的中心線，并沿其法線方向按一定間隔截取隧道的斷面圖。

(5)成果輸出

將截取的斷面圖輸出成 DWG格式文件，在CAD軟件中量取隧道不同方向上的半徑值。

(6)對(duì)比分析

將不同間隔的斷面收斂成果數(shù)據(jù)制作成表格和直方圖，進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。

三、實(shí)測(cè)案例

由我院負(fù)責(zé)的北京地鐵某號(hào)線全線隧道收斂監(jiān)測(cè)工作中，先前一直采用收斂計(jì)配合全站儀的工作模式，為了進(jìn)行新技術(shù)的推廣，選取了某區(qū)段中一個(gè)長(zhǎng)約100m的區(qū)域進(jìn)行了正右線的三維激光掃描方式的隧道收斂監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

1．儀器的選用

儀器選用我院擁有的美國FARO Focus3D掃描儀，如圖1所示。

這款掃描儀每秒最大掃描976 000點(diǎn)，25 m內(nèi)的系統(tǒng)距離誤差不大于±2mm。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集

(1)掃描參數(shù)設(shè)定

根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集工作選用中等速度和質(zhì)量進(jìn)行，分辨率設(shè)為1/5，質(zhì)量設(shè)為4X，一個(gè)測(cè)站的掃描時(shí)間大約為6min 30 s。

圖1 FARO Focus3D掃描儀

(2)儀器設(shè)站及標(biāo)靶球的擺放

考慮到數(shù)據(jù)采集精度及儀器的有效距離，每個(gè)測(cè)站間隔大約30m，試驗(yàn)段區(qū)域左右線一共擺放了6站。在試驗(yàn)段的兩端分別擺放不同數(shù)量的標(biāo)靶球，用以辨認(rèn)測(cè)量區(qū)域范圍。在每?jī)蓚€(gè)測(cè)站之間，擺放3個(gè)以上的標(biāo)靶球，注意標(biāo)靶球應(yīng)避免在一個(gè)平面內(nèi)，以免影響拼站精度。圖2為掃描工作中標(biāo)靶球的擺放。

圖2 標(biāo)靶球的擺放

3．?dāng)?shù)據(jù)處理

(1)點(diǎn)云拼接和噪點(diǎn)處理

利用儀器配套的Faro Sense點(diǎn)云后處理軟件進(jìn)行測(cè)站拼接。并在Cyclone軟件中刪除噪點(diǎn)。

(2)三角網(wǎng)模型的建立

在Geomagic軟件選定合適的參數(shù)對(duì)處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)模型。隧道的點(diǎn)云視圖和三角網(wǎng)模型視圖分別如圖3、圖4。

圖3 隧道點(diǎn)云視圖

圖4 隧道三角網(wǎng)視圖

(3)中心線提取及斷面輸出

利用RealWorks Survey軟件對(duì)隧道模型進(jìn)行中心線的提取并按每隔2個(gè)環(huán)片輸出中心線法線方向的斷面圖，成果為DWG格式，如圖5、圖6所示。

圖5 截取的一組斷面圖

圖6 截取的一個(gè)斷面圖

(4)半徑的量取

在CAD軟件中，由斷面圖中心點(diǎn)分別沿正左、左45°、正上、右45°、正右5個(gè)方向量取半徑值。如圖7所示。

圖7 斷面半徑值量取

四、成果分析

(1)掃描儀獲取數(shù)據(jù)分析

將不同斷面各個(gè)方向的半徑值統(tǒng)計(jì)成表格，并生成折線圖。可以看出正上方的半徑值明顯小于其他方向上的半徑值，遵循上下縮小，兩側(cè)擴(kuò)大的隧道收斂一般規(guī)律。圖8為生成的半徑直線圖。

圖8 左線不同方向上的半徑值折線圖

通過統(tǒng)計(jì)圖可以看出，隧道斷面各方向上的平均半徑在2．72m左右，其中頂部方向的半徑值基本上在2．70～2．71 m之間，其他方向上的半徑值在2．72～2．74m之間，結(jié)果滿足隧道收斂測(cè)量要求如圖9所示。

圖9 右線不同方向上的半徑值折線圖

(2)掃描儀模式同全站儀模式數(shù)據(jù)比較

選用本次掃描儀測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)同前期用全站儀測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由于全站儀獲取的數(shù)據(jù)是按等距離米數(shù)進(jìn)行隧道斷面切割的，而不是按環(huán)片數(shù)截取的，所以這里只是選取位置接近的地方進(jìn)行比較。比較成果如下圖所示。

圖10 掃描儀成果同全站儀成果的比較

從比較結(jié)果來看，掃描儀獲取的數(shù)據(jù)和全站儀獲取的數(shù)據(jù)雖然在數(shù)值上會(huì)有一些差別，但變化趨勢(shì)基本上一致。

五、結(jié)束語

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道的收斂變形監(jiān)測(cè)，能夠一次快速、完整、全方位地采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，并且從數(shù)據(jù)處理結(jié)果上看，符合隧道收斂變形一般規(guī)律，能夠滿足地鐵隧道收斂變形的測(cè)量要求。實(shí)踐證明，采用本方法，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法比較，極大地提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)強(qiáng)度，縮短了變形監(jiān)測(cè)周期，對(duì)于地鐵隧道等運(yùn)營(yíng)間斷時(shí)間短的隧道安全檢測(cè)是有效的方法。

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