地面激光雷達在電力管廊形變監(jiān)測中的應(yīng)用

王偉 生西奎 孟祥雨 胡騰 谷孝春

摘要：本文介紹和探討了引進國際最先進的地面激光雷達檢測系統(tǒng)Amberg Tunnelscan隧道測量檢測系統(tǒng)在延西變電力管廊形變監(jiān)測項目中技術(shù)實現(xiàn)路線、成果和精度分析并給出了在后續(xù)電力管廊形變監(jiān)測中需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：地面激光雷達；三維激光掃描；電力管廊；形變監(jiān)測

1、技術(shù)背景

地面激光雷達，英文學(xué)術(shù)簡稱Ground-based LIDAR（Light Detecting and Ranging），又被稱作地面三維激光掃描測量技術(shù)，是近幾年來才被工程界逐步采用的一種新型高精度三維測量檢測手段。該技術(shù)通過激光雷達的掃描鏡頭高速旋轉(zhuǎn)，將紅外波段激光束高速發(fā)射到被測物體表面，并快速接收其反射光束從而實現(xiàn)對被測量物體與激光雷達測站之間相對角度、距離、以及激光反射率的快速精確測量。通過對這些三維空間坐標點進行測站拼接后，可以真實再現(xiàn)物體的幾何形狀以及表面紋理特征。

文獻[1]應(yīng)用該技術(shù)檢測圓形地鐵隧道竣工時實測與設(shè)計斷面對比的變形，文獻[2]～ [5]應(yīng)用該技術(shù)檢測圓形地鐵隧道運營階段斷面變形和橫向位移變形，文獻[6]和[7]則應(yīng)用該技術(shù)檢測公路隧道運營階段的斷面變形。上述工程應(yīng)用實踐表明，地面激光雷達在檢測隧道的三維變形方面具有速度快、精度高、檢測全面等優(yōu)勢。

本文結(jié)合地面激光雷達檢測延西變220kV輸電線路改造工程隧道變形的實際案例對這一技術(shù)的特點和實際使用效果進行探討。

2、項目簡介

延西變220kV輸電線路改造工程隧道段距離A檢修口（JX-1）135～220米（A檢修口向B檢修口隧道設(shè)計里程為125～210米）處于易發(fā)生沉降變形的高速鐵路跨越段。為科學(xué)評估該電力隧道在運營使用過程中受高鐵跨越運營對電力隧道沉降、變形等綜合影響，我單位分別于2016年9月21日和2017年12月1日先后兩次使用瑞士知名隧道測量監(jiān)測產(chǎn)品供應(yīng)商Amberg Technology公司的Amberg Tunnelscan隧道掃描測量系統(tǒng)對隧道從A檢修口到B、C檢修口的電力隧道段實施了三維激光隧道掃描測量監(jiān)測。本次監(jiān)測的主要目的是發(fā)現(xiàn)隧道差異沉降、位移、裂縫、滲水等隧道結(jié)構(gòu)變形和病害，同時檢驗激光雷達技術(shù)在電力管廊隧道變形檢測中的適用性和有效性。

3、技術(shù)方案

1）外業(yè)第一步：布設(shè)隧道監(jiān)測控制網(wǎng)

本次監(jiān)測隧道兩個控制點之間最大距離沒有超過100米，使用短距離高精度三角高程傳遞可以達到二等水準測量的精度要求[4，5]。本項目使用高精度全站儀徠卡TS50在隧道內(nèi)地面上中心線位置采用“三聯(lián)腳架法”布設(shè)高精度平面和高程一體化控制點K1～K5，使用固定高度的進口棱鏡對中桿和“三角高程傳遞法”將控制點高程引測至各控制點標志上。

2）外業(yè)第二步：在布設(shè)好的控制網(wǎng)上設(shè)站定向

控制網(wǎng)布設(shè)完畢后，所有控制點都具有準確的平面和高程坐標。后續(xù)設(shè)站時使用固定高度的棱鏡對中桿設(shè)置在已知控制點上，全站儀通過后方交會方式對兩個后視點進行設(shè)站即可獲得測站的準確平面和高程位置。

3）外業(yè)第三步：掃描儀數(shù)據(jù)采集并用全站儀測量掃描儀每站3個定位棱鏡

隧道平面和高程控制點布設(shè)完成后，使用FARO Focus 3D X130三維激光掃描儀掃描隧道三維點云，并采用瑞士安伯格公司技術(shù)專利的“絕對定位法”使用TS50全站儀將隧道控制測量坐標系下的每個掃描測站的3個棱鏡的三維坐標測量出來。其中掃描儀基座左右兩側(cè)各一個棱鏡，距離掃描儀5米處靶球棱鏡為第3個定位點。為了保證掃描隧道點云的點位精度，一般靜態(tài)地面隧道掃描的站間距不超過隧道直徑的兩倍。本項目中我們采用6米站間距進行激光雷達數(shù)據(jù)采集。

最后，為了便于后續(xù)輸入隧道數(shù)據(jù)處理的參考軸線，使用對中桿將地面中線點三維坐標也逐一測量出來。

4）內(nèi)業(yè)第一步：輸入隧道設(shè)計數(shù)據(jù)

將外業(yè)中測量的隧道地面中線點三維坐標，按照平曲線和豎曲線數(shù)據(jù)類型輸入到Amberg Tunnel隧道掃描測量軟件監(jiān)測包中，作為數(shù)據(jù)處理的隧道參考設(shè)計軸線。軟件根據(jù)輸入的隧道平曲線（中線）、豎曲線（縱坡）、理論斷面和理論斷面區(qū)間定義，可以自動生成隧道的3D參考設(shè)計模型。

5）內(nèi)業(yè)第二步：點云絕對定位（坐標傳遞）

將外業(yè)采集好的每站掃描點云數(shù)據(jù)和全站儀給每個掃描儀測站定位的三個坐標點數(shù)據(jù)導(dǎo)入Amberg Tunnel隧道掃描測量軟件監(jiān)測包中，對所有測站點云進行“絕對定位”。

6）內(nèi)業(yè)第三步：兩次掃描實測斷面套合對比

經(jīng)過絕對定位后的每站掃描三維點云數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的隧道控制測量坐標系下，可以通過輸入該坐標系下的隧道軸線和設(shè)計斷面定義，使用軟件提取相同里程處兩次掃描“實測vs實測”斷面對比圖，分析隧道的沉降和變形數(shù)值。

7）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理第四步：兩次掃描實測斷面對比斷面差3D投影處理

此外，通過將3D點云按照設(shè)計斷面輪廓線展開方式進行3D投影處理，可以獲得隧道正射影像2D展開圖。圖上每個像素點都對應(yīng)3D點云中的一個三維空間點。將該點處“實測vs實測”斷面差，即兩次掃描間隔期間斷面發(fā)生的變形量，按照不同數(shù)值區(qū)間對應(yīng)不同顏色的方式，用彩色對隧道正射影像2D展開圖進行染色，即可以在這幅圖中獲得整條隧道每個部位變形量的分布情況。

下圖左邊是隧道正射影像彩色2D展開圖，右邊是與左邊亮顯斷面里程對應(yīng)的2D斷面圖。從該圖中可看出，A隧道的變形量主要在（-20mm，20mm）范圍內(nèi)。隧道頂部的紅色和底部的綠色都代表變形量是沉降，而且沉降量在10～20mm。該圖中斷面差的正負值定義如下：負數(shù)代表實測點在參考斷面的內(nèi)側(cè)，正數(shù)代表實測點在參考斷面外側(cè)）

2D彩色正射影像和2D對應(yīng)斷面視圖（左）與彩色3D點云視圖（右）

上述3D投影還可以輸出一個與2D彩色正射影像圖相對應(yīng)的3D彩色點云視圖，如右圖，左側(cè)是彩色點云3D視圖，右側(cè)是被選中的亮顯斷面里程的2D斷面圖。

4、變形數(shù)據(jù)分析

從兩次掃描實測斷面對比圖中整理出每隔5米隧道內(nèi)頂部、地板以及二者差異沉降量對比統(tǒng)計可查。其中0～80米為A隧道段，135～200米為B隧道過鐵路段。從結(jié)論數(shù)據(jù)可以看出整條被檢測隧道頂部和地板的沉降量都在5～20mm范圍內(nèi)，頂部和地板的差異沉降量在10mm以內(nèi)。

此外還需要補充說明，2017年6月左右，該隧道內(nèi)壁重新進行過一次內(nèi)壁粉刷和裂縫修補，所以涂層厚度也被包含在了這次掃描檢測出的變形量之中。

5、測量精度分析

本項目監(jiān)測控制網(wǎng)各點位精度按照控制網(wǎng)平差后殘差統(tǒng)計平面精度可達3mm，高程精度1mm。按照文獻[6]中精度評估方法計算出的每個掃描測站所選取的最弱精度點云點（距離掃描測站3米處）的平面精度：

最弱精度點云點的高程精度：

6、探討和建議

鑒于兩次掃描對比獲得的隧道變形情況，建議繼續(xù)對該段隧道進行每年一次的變形檢測并與上一年掃描檢測數(shù)據(jù)進行比對以確定隧道變形是否有增大或者穩(wěn)定趨勢，尤其是重點關(guān)注差異沉降較大部分是否會導(dǎo)致隧道繼續(xù)出現(xiàn)開裂或坍塌趨勢。

如要了解隧道控制點的沉降量，須從隧道沉降區(qū)域以外地表穩(wěn)定點引測高精度水準測量到隧道內(nèi)的高程控制點上，以檢查隧道內(nèi)控制點的沉降量，將這部分沉降量加到本次檢測出的各里程隧道沉降量中即可獲得隧道真實的整體沉降量。

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