基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測技術(shù)

楊永波

(重慶市勘測院，重慶 400020)

基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測技術(shù)

楊永波

(重慶市勘測院，重慶 400020)

研究了將地面激光技術(shù)應用于地鐵隧道變形監(jiān)測，運用精簡后點云數(shù)據(jù)構(gòu)建地鐵隧道模型，對隧道進行整體變形分析，構(gòu)建地鐵隧道三維模型不僅提高了變形監(jiān)測精度，而且能夠反映隧道整體變形趨勢。

地面激光技術(shù);隧道變性;監(jiān)測技術(shù)

前言

隨著新世紀科學技術(shù)的高速發(fā)展，激光技術(shù)也不斷的取得新的進步，其精度不斷得到提高，在比較高的精度變形監(jiān)測領域的研究內(nèi)，使用高精度的激光掃描儀已經(jīng)成為現(xiàn)在的研究趨勢。在本文中，探討了地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用，通過相關(guān)的實驗來構(gòu)建了地鐵隧道的模型，從而從整體的變形角度對隧道進行研究。

一、地面激光技術(shù)的應用現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的變形監(jiān)測中，所運用的控制點坐標是按照單點三角測量的時間序列排序的，所需要的檢測時間比較長，勞動強度比較大，而且監(jiān)測的結(jié)果受到多個方面的因素的影響。地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中可以通過短時間就可以全面獲取變形監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信息，并且對這些數(shù)據(jù)進行處理，從而進行變形分析，正因為如此地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用成為該領域的研究熱點。

目前，在地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用存在著多個方面的問題需要解決:隧道掃描多個站臺數(shù)據(jù)的過程中缺乏相應的控制，因此道之所掃描出來的數(shù)據(jù)拼接精度不高;其次，地面激光儀器可以在短時間內(nèi)經(jīng)過掃描得到云數(shù)據(jù)，然而所獲得的這些數(shù)據(jù)是處于不同時間段的數(shù)據(jù)，很難在其中找到同名點。為了解決這個問題，可以通過將地面激光數(shù)據(jù)和其他的數(shù)據(jù)進行結(jié)合，實現(xiàn)多站數(shù)據(jù)的拼接，從而提高數(shù)據(jù)拼接的精度。

二、實驗與研究

1、實驗具體流程。選擇某地區(qū)的地鐵交叉部分作為研究對象，長度為100米，對其進行變形監(jiān)測。因為受到建設施工的影響，導致該段地鐵隧道發(fā)生變形，其變形的程度與地鐵的安全運行存在這直接的聯(lián)系，所以必須重視對該地鐵進行監(jiān)測。在監(jiān)測的過程中，一共使用了三種監(jiān)測方法，包括了:地面激光技術(shù)、全站儀監(jiān)測技術(shù)以及光線位移計，具體的流程如下所示:

首先，所設置的控制點與站點分為三個組成部分，包括了對不同時間序點的云數(shù)據(jù)進行采集，在不同時許點的坐標全站儀多次進行數(shù)據(jù)采集，以及在不同時需控制點水準儀高程數(shù)據(jù)進行多次采集。其次，對所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，在不同時序點所采集到的云數(shù)據(jù)進行高精度的拼接與濾波，通過點云法向量進行精簡，采用點云構(gòu)建網(wǎng)進行變形分析。另一方面，對在全站儀和水準儀所采集到的數(shù)據(jù)進行多次的數(shù)據(jù)平方差計算，并對其進行單點的變形監(jiān)測分析以及采用光線位移計進行變形分析獲得數(shù)據(jù)，最后把該數(shù)據(jù)與點云構(gòu)建網(wǎng)的變形分析數(shù)據(jù)進行對比分析。

2、隧道的變形監(jiān)測分析。對所采集到的云數(shù)據(jù)進行拼接以及預處理，精簡預處理的云數(shù)據(jù)，所得的數(shù)據(jù)量得到大量的減少，變?yōu)樵瓉淼奈宸种唬@些點是在原始云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進行處理的，依然保留著原來數(shù)據(jù)的特點，同時由于經(jīng)過精簡預處理數(shù)據(jù)，其所得到的數(shù)據(jù)點用以進行構(gòu)網(wǎng)的速度得到大幅度加快。在構(gòu)建三角網(wǎng)的時候，由于可以保留大量的原始信息，因此所得到的變形分析結(jié)果具有極高的準確性。其次，通過掃描儀進行多次的掃描，采用建模對多次掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行處理，進行變形分析。隧道變形的趨勢體現(xiàn)在2次掃描數(shù)據(jù)的疊加情況，為了提高其度量標準的精準度，可以對2個建模進行高程相減來表達隧道的變形趨勢，如此一來，可以提高變形趨勢的準確性，提高決策依據(jù)的可靠性。

對第1次掃描處理所得到的數(shù)據(jù)進行建模處理之后的圖像顯示:

對2次不同時間段掃描處理所得到的數(shù)據(jù)進行建模處理之后的圖像顯示:

從疊加的圖像中可以明顯的觀察到第1次掃描的結(jié)果和第2次掃描的結(jié)果在隧道建模的高程上存在著差異，第2次的隧道模型與第1次的隧道模型相比，其高程更為高一些，由此可見，隧道出現(xiàn)了變形。

3、對通過地面激光技術(shù)所監(jiān)測的結(jié)果、全站儀監(jiān)測的結(jié)果以及光纖位移計所監(jiān)測的結(jié)果進行對比:

(1)在J20的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3910，地面激光技術(shù)觀測值是-9.3912，其與光纖位移計的差值是0.0023，與全站儀的差值是-0.0002;(2)在J21的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3918，地面激光技術(shù)觀測值是-9.3920，其與光纖位移計的差值是0.0015，與全站儀的差值是-0.0002;(3)在J22的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3923，地面激光技術(shù)觀測值是-9.3925，其與光纖位移計的差值是0.0010，與全站儀的差值是-0.0002;(4)在J23的站點，光纖位移計觀測值是-9.3936，全站儀觀測值是-9.3918，地面激光技術(shù)觀測值是-9.3920，其與光纖位移計的差值是0.0016，與全站儀的差值是-0.0002;(5)在J24的站點，光纖位移計觀測值是-9.3935，全站儀觀測值是-9.3913，地面激光技術(shù)觀測值是-9.3916，其與光纖位移計的差值是0.0020，與全站儀的差值是-0.0003。

從以上數(shù)據(jù)中的比較，可知地面激光技術(shù)檢測值與全站儀檢測值最為接近，二者的誤差比較小，這是由于地面激光技術(shù)對點云數(shù)據(jù)進行全站儀修正與處理;其次，地面激光技術(shù)檢測值與光纖位移計檢測值的誤差比較大，雖然這個誤差仍然處于5mm的范圍之內(nèi)，但是與全站儀檢測結(jié)果的誤差值相比而言，是比較大的。由此可見，光纖位移計雖然具有精度高的檢測功能，但是該儀器需要提前放入隧道體里面，如此一來，便會對隧道造成破壞，也會大幅度的提高了成本，并不理想。因此，地面激光技術(shù)是監(jiān)測隧道變形的最適宜的選擇。

結(jié)語

綜上所述，基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測技術(shù)具有著理想的監(jiān)測效果，值得廣泛推廣以及應用。

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