地鐵隧道斷面收斂測量中3D激光掃描技術的應用

高宇

摘 要 3D激光掃描技術的數據收集采樣率較高，其在地鐵隧道的斷面收斂測量過程當中能夠提供更加全面、可靠的精確數據，從而為地鐵工程的施工方與運營方提供更加詳細的判斷數據，其所具備的數據測量優勢是傳統方法所難以企及的。本文將主要就3D激光掃描同傳統方法的對比，分析其所具備的優勢特性，而后就3D激光掃描的具體應用并結合相關的工程案例，來展開具體的分析與探討，并測試其內、外兩方面的符合性。

關鍵詞 地鐵隧道；斷面收斂測量；3D 激光掃描技術

中圖分類號 U23

文獻標識碼 A

文章編號 1674-6708（2016） 154-0052-03

在地鐵工程項目的施工作業與日常運營維護工作當中，主要的內容之一便是斷面收斂測量，它將直接影響到地鐵隧道的整體穩定與安全。傳統所采用的全站儀法當中，僅能夠選擇性的測量一部分隧道斷面數據信息，無法完整性的反映出地鐵隧道的實際問題狀況。而采用3D激光掃描技術則能夠通過借助于采樣率高的特性，為地鐵隧道斷面的收斂測量提供更加全面、精確的數據信息，從而使地鐵隧道工程項目的施工與日常運營，能夠具備有更加準確、直觀的數據判斷。

1 地鐵隧道斷面收斂測量

在地鐵隧道的施工及日常運營當中，往往會受到周邊的地面及建筑物的擾動影響，以及在地鐵隧道周邊所開展的建筑工程施工與地鐵隧道的內部施工、地鐵列車在運行過程當中所產生的振動等各方面的綜合作用，并最終致使地鐵隧道產生收斂變形。

1.1 傳統方法的缺陷

在地鐵隧道斷面收斂測量中，傳統的測量方法主要是通過布設導線進行坐標的傳遞在一個隧道管片之中分布安置數個觀測站點，采用全站儀對各個觀測站點的數據采取形變分析，其中也包括了收斂測量系統、傳感器監測等多種方法。但是此種方法卻也存在一些缺陷漏洞以及不足之處，具體表現為：

第一，在觀測點的布設、測量當中，不能夠精確的確保上下行測量站點與檢核點處于同一水平線上，并且也不能夠保障兩者位于同一個平面當中，因而也就無法確保在地鐵隧道斷面收斂測量當中，上下行的測量站點處于同一個橫斷面當中。

第二，全站儀法的隧道斷面收斂測量速度較慢，且成本支出較高，同時也無法將所有的管片進行有效的測量。

第三，在測量的實際效果與分析當中也具有一定的局限性，傳統地鐵隧道的斷面收斂測量，其數據內容往往以獨立的單個站點進行數據統計，而在雙測量站點的數據統計當中，及加設有隔離墻的地鐵隧道斷面測量當中，其不可控制的因素較多，導致了實際測量結果的精確性與可靠性大打折扣。

1.2 3D激光掃描技術的優勢

3D激光掃描技術亦可稱之為“實景復制技術”，其能夠對于較為復雜的環境與其所在空間進行三維立體信息數據的采集，并且能夠將所采集到的數據信息快速的掃描，構建出立體空間模型，并最終實現對于客觀事物的真實再現。

第一，在當今的建筑工程領域當中，采用3D激光掃描技術能夠快速的采集到建筑的立體數據內容，其不僅能夠在很大程度上提升建筑立體模型的展示效果，同時在立體圖形當中的任意一個位置上均具備3D坐標，能夠為建筑的設計施工提供真實、詳細的模擬圖形，也給建筑工程的檢測與分析創造了新的方式。

第二，3D掃描技術對于掃描目標的數據收集手段，并非直接性的接觸因此其能夠顯著的降低在傳統以往的數據測量當中對于數據采集目標的損傷與破壞，并最終加強對于數據采集目標的保護，以及為其具體的施工提供更加精確、詳細的數據資料，使技術手段能夠發揮出其應有的實際效用。

2 3D 激光掃描的具體應用

在地鐵隧道的斷面收斂測量當中3D掃描儀的實例應用相對較少，因此要確保其測量結果的精確性，并使其能夠發揮出立體掃描的技術優勢，無論是在業外數據的收集獲取中，還是在內業數據信息內容的處理過程當中，均應當制定出詳細、完備的測量實施方案，將在測量過程以及數據信息內容的實際處理誤差值，控制在合理的范圍之內。據此本文將主要依據3D激光掃描技術的優勢特征，以及地鐵隧道當中斷面收斂測量的實際需求，對整個測量過程現作出如下規劃。

2.1 測站點的布設與標志球控制

為了確保更加有效的將地鐵隧道斷面收斂測量的誤差值控制在合理范圍之內，在具體的測量工作實施過程當中應當將3D掃描儀的布設與標志球的位置進行固定，引進在高鐵測量項目當中的CPIII布設法進行標志球的布設，所布設的所有測量點均應當為強制歸心，并且所采用的標志球型號、大小等應當完全一致，在正常狀況下標志球的中心點大致也是相對穩固的；此外還要考慮到3D掃描儀的實際測量視角，確保其對于每一個標志球的檢測準確性誤差要低于Imm，并且還應當考慮到其分辨率同標志球的識別率之間所存在的重疊性問題，因此通常將3D掃描儀在每一個測量站點之中其距離確定為40m左右，前后兩側各大致約為20m左右，以保障其相鄰的標志球之間掃描儀的間距在20左右。

2.2 外業數據采集

采用3D掃描技術在進行外業數據的采集過程當中，應當嚴格依據所布設完成的測量站點，以及各標志球之間的實際位置狀況來安放掃描儀器與標志球，在布設完成后第一時間檢查其位置是否準確、合理，將進行3D掃描作業的所有技術設備進行統一的調試，使其分辨率能夠達到完全一致，在取得地鐵隧道管壁之上的三維點云數據時，也能夠取得標志球位置的點云數據內容。

2.3 數據拼接處理

在地鐵隧道斷面收斂外業數據的收集工作結束后，同時將所測量的數據內容傳輸到scen之中實行拼接處理，在此過程當中要依據布設完成后的標志球采取拼接作業，同時還要確保不同的標志球只取準確性低于1mm，在每一個測量站點當中安放的標志球數量應當不低于6個，通過計算機工程軟件的自動拼接，同時進行人工檢查，對于識取準確性不足的標志球應當重新布設。

2.4 軸線生成與擬合半徑

在標志球布設安放完成后需要將已完成拼接的測量數據內容，傳輸入XOR工程系統軟件當中，進而實現對于軸線生成與半徑擬合，而后依據所形成的地鐵隧道斷面軸線及其所制定的公式數據，通過工程系統軟件將擬合半徑轉化為圓柱體。

2.5 斷面數據生成

最后將所形成的圓柱體以及地鐵隧道管壁當中的三維點云數據，傳輸到XOR工程系統軟件當中生成相應的地鐵隧道斷面與圖表，能夠實現等間距離的斷面生成，亦或是任何距離的斷面生成，再或是只對于超出限定數值標準的環片位置生成相應的隧道斷面，而后對于所有生成的斷面內容實行總結與歸納，并形成相應的數據報告。

3 工程案例

在天津地鐵軌道交通當中的某號線路當中，同傳統以往所常采用的上下并行模式所不同的是，此條線路采用了上下合用的大直徑隧道，中間用隔離墻分割，管片的寬度約為1.5m，且由數個管片所組裝而成。

在本項工程項目當中運用3D激光掃描技術對于內、外的符合性進行了測試。

3.1 內符合性測試

在內符合性測試當中選取了350m的盾構隧道段進行了測試，并且進行了二次掃描。內符合性的測試內容主要包括了對于相同環片下，各測量站點的隧道斷面趨勢、極值、擬合半徑，及其二次掃描接合后相同環片當中的趨勢、極值以及擬合半徑進行了掃描。為了去除掉由于接合所課程產生的誤差，在本次研究中對于同一環片當中的兩個測量點數據內容，在進行對比分析之時選用了在入口處沒有隔離的部分進行了對比分析。在對其中一環進行二次掃描后，共得到了4組數據，其擬合半徑依次為：5.2125m、5.2122m、5.2108m、5.2111m，其實際的軸線移動數值位于Imm～2mm之內，為了確保所測量的數據內容具有一定的可比性，因而在趨勢圖形制定的過程中采用了5.2145m的半徑值。

3.2 外符合性測試

在外符合性的測試當中通常所采用的隧道斷面收斂測量方法為全站儀法，將其所測得的隧道斷面數據信息同3D掃描儀所測得的數據信息進行對比分析，通常對比斷面的趨勢以及所產生的扇形面積。以隧道斷面收斂測量當中的第258環及364環為例，采用3D掃描其擬合半徑值均為5.2145m，全站儀方法的擬合半徑值為5.2245m。3D掃描技術在水平方向上逆時針轉動進行測量，全站儀方法在天頂方面上同樣也是逆時針轉動，因此兩類隧道斷面的收斂測量在進行變化趨勢的對比當中，應當借助于鏡像對比。

在趨勢變化數據圖像的對比當中，此兩種方法的變化趨勢大致相當，全站儀法的半徑值較之3D掃描而言略微有所增大，特別是在對于地鐵隧道當中的轉彎及一些有坡度的斷面在進行測量時，其所表現出的差異性會更加明顯。而所發生誤差性的關鍵因素即為傳統隧道斷面收斂測量的全站儀法在水平狀況下，其在每一個測量點所測得的半徑數值同隧道的橫截面數值，不能夠保持為90?。的夾角；而采用3D掃描技術其所測得的半徑數值則相對較為固定，實際的測量差異也會被控制在5mm以下。在全站儀法當中也會表現出結合不完整的誤差，其擬合半徑的準確性相對較低，其中第258環當中沒有隔離，364環有隔離，其半徑間的差值大約為2cm～3cm。在地鐵隧道當中的拐彎處或有坡度的位置，其誤差值則會更大。

采用扇形度數的面積將兩種隧道斷面收斂測量法進行對比分析，并且將兩項測量數據內容拓展延伸到CAD當中，能夠促使所取得的結果數值具有更高的可對比性，將數值依據扇形面積的大小進行統計分析。

采用傳統的全站儀法所測得的數據內容，所生成的扇形面積不同的測量環之間其數值差異較大，而采用3D掃描儀技術所測得的數據內容，所生成的測量環之間數值差異較小。258環當中未設置隔離，兩種隧道斷面收斂測量方法所生成的面積較為相近，在364環當中設置有隔離，兩種隧道斷面收斂測量方法所生成的面積則差距甚遠。此結論同上文當中關于擬合半徑以及趨勢演化對比所產生出的結論大致相同。

總而言之，在地鐵隧道斷面收斂測量當中，運用3D掃描儀技術在內、外符合的準確性上均能夠較為良好的滿足其實際測量的需求，并且在內符合的隧道斷面收斂測量當中其準確性要顯著由于傳統的全站儀方法。

4 工程展望

在地鐵隧道斷面當中應用3D激光掃描技術，還能夠在3D建模與軸線的變化及趨勢預測方面取得更加優秀的應用效果。

4.1 3D建模

依據在數據預先處理之后所產生的云端數據內容，能夠通過計算機工程軟件的計算處理得到相應的地鐵隧道內壁三維模型，即使是對于已投入實際運營的地鐵項目工程，亦可將其當前所有的相關設施內容均納入到三維立體模型當中，從而為今后的地鐵隧道施工與維護提供更加詳實的數據資料。

4.2 軸線變化及趨勢預測

如若將標志球的實際位置通過三維坐標系表示出來，那么所模擬出來的隧道軸線即為實際的隧道，將軸線的三維立體模型同初始設計圖紙的數據參數進行對比，能夠判斷出其地鐵隧道軸線的整體位置改變狀況，及對其所可能會發生的移動趨勢作出相應的預測，從而將其應用于緊急狀況下的地鐵調度與實際運行管理當中。

5 結論

在地鐵隧道斷面收斂測量中應用3D激光掃描技術，其所測量的數值精度要顯著優于一般的常規性測量方式，其具備有快捷、高效、成本低等顯著優勢，能夠保障在地鐵隧道斷面收斂測量當中檢測保護及施工維護，所需要的各項數據信息更加準確、可靠。3D激光掃描技術在實際的應用過程當中，主要包括了測站點的布設與標志球控制、外業數據采集、數據拼接處理、軸線生成與擬合半徑、斷面數據生成等五個方面的內容。最終希望通過本文的研究內容能夠為相關的地鐵隧道斷面收斂測量，提供一些可供參考的內容與方法。