三維激光掃描技術在地鐵隧道變形監測中的應用

張明智，張明棟

(深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳　518000)

1　引　言

隨著經濟的發展，城市化步伐的加快，為滿足日益增長的市民出行需要，城市軌道交通成為人們出行的重要交通工具。在地鐵帶動區域人口和經濟發展的同時，地鐵隧道保護區內報建的各種深基坑工程也越來越多，而且隨著城市用地的愈發緊張，基坑的深度也越來越深，在周邊建筑物和各種地下管線的多重影響下，基坑工程的設計和施工的難度越來越大。

為了保障地鐵的安全運營，在基坑施工過程中及時掌握地鐵隧道的變形情況顯得十分重要。

2　地鐵隧道自動化監測

地鐵自動化監測是地鐵隧道變形監測的重要手段之一。在地鐵自動化監測中，通常使用徠卡TS30測量機器人對地鐵隧道進行自動化變形監測，徠卡TS30測量精度高、性能穩定并具有ATR自動識別照準功能，在地鐵自動化監測領域有著重要地位。

這種監測手段雖然能夠及時掌握監測點區域的變化情況，但它也只能對布設有監測點的位置進行監測和反映該位置的變形情況，在沒有布設有監測點的地方存在監測盲區，雖然可以通過增加監測斷面和監測點來彌補其中的不足，但歸根結底還是監測方法上的不足。

為了彌補這一不足，在項目開始施工前用斷面測量儀對監測區域的地鐵隧道進行每一環的斷面數據采集，再通過CAD對測量數據進行擬合計算每一環管片的水平收斂值，作為斷面測量的初始值，并定期對監測區域進行斷面測量，掌握隧道的變形情況。但斷面測量儀在測量斷面個數多時效率過低，在地鐵隧道斷面測量中不太適用。

圖1　常規的監測點布設剖面圖

3　地鐵隧道三維激光掃描概述

為了解決測量機器人自動化監測和傳統斷面測量方法的不足，引入了徠卡ScanStation P40三維激光掃描儀。三維激光掃描儀在工作時，通過激光脈沖發射體發射出激光脈沖，激光脈沖在兩塊高速有序轉動的反光鏡作用下，將發射出去的激光脈沖掃過被測物體，儀器根據每個激光脈沖從發射到反射回儀器的時間計算出被測物體與儀器的距離L，時鐘編碼器在同一時間測量出每條脈沖的水平掃描角度α和豎直掃描角度β，從而得到該點的三維坐標值P，工作原理如圖2所示。

圖2　激光掃描工作原理示意圖

其中：

儀器在掃描過程中不僅形成點云數據，而且對正常、滲水、存在裂縫的掃描面，根據不同的反射強度匹配不同的顏色，在完成隧道點云數據采集后，使用徠卡Cyclone后處理軟件，將點云數據去噪、拼接、建模出被測物體的實際形狀，進行收斂數據采集。

由此可見將三維激光掃描技術作為地鐵自動化監測的補充手段是非常合適的。

圖3　徠卡ScanStation P40掃描作業

3.1　隧道點云掃描

掃描時，將標靶(三維激光掃描儀能準確識別并照準的目標模型)吸附在控制點上，掃描儀任意設站，并保證每一個連續的兩個測站都有2個相同的標靶作為同名點。

圖4　掃描作業示意圖

3.2　點云配準

點云配準的原理是通過兩測站中點云數據的同名點的點對(pi，qi)滿足相同的變換矩陣T，方程如下：

?pip，?qiQ，||Tpi-qi=0||

(1)

式中：

P，Q分別為兩次掃描的點集；

pi，qi分別為點集P和Q中的某點。

使用Cyclone 9.1后處理軟件可以通過每測站點云數據中的同名點(標靶)實現相鄰測站的點云數據配準。

在變形監測中，由于我們需要的只是隧道的每一環收斂值，因此配準只為了給采集收斂值提供便利，因此在實際作業中根據實際需要可以省去點云數據的配準工作。

在完成點云拼接后，為了減少數據冗余，提高監測精度和工作效率，需要對點云數據進行去噪處理，去除公共區多余的點云和激光束在傳播過程中發生離散所形成的噪點。

圖5　點云拼接、去噪后的效果圖

圖6　內部效果圖

3.3　點云切片、圓心計算

進行數據分析前，首先應對點云按一定的距離進行切片，然后對點云切片進行擬合提取圓心，計算隧道點云切片的直徑。

投影法是生成點云切片的常用方法。通過定義參考平面位于分層數據的中間位置，將每層數據向參考平面投影即可得到切片數據。

經過投影后的點云切片存在大量的多余觀測，通過平差計算的方法計算圓心坐標的最或然值。在每一個橫截面建立一個坐標系，則圓心和圓周上每個點的關系為：

(xi-xo)2+(yi-yo)2-R2=0

(2)

設平差后的圓心坐標(xc，yc)和圓半徑R為：

(3)

設圓半徑的觀測值為：

(4)

設圓半徑的觀測值和改正值與近似值的關系為：

Ri+VRi=R0+δR

(5)

平差計算的觀測值方程：

(6)

法方程為：

(7)

其中：

(8)

未知數解為：

(9)

4　ScanStation P40實際應用

在某緊鄰地鐵隧道的深基坑施工過程中，使用徠卡TS30測量機器人對監測區域內的地鐵隧道進行自動化變形監測，并在基坑施工前對監測區域進行了首次三維激光數據采集。

在基坑施工過程中，地鐵隧道自動化監測數據顯示左線個別點的累計水平位移超出了控制值，達到了+11.3 mm，且該區域正好位于基坑中部。

圖7左線各監測斷面1號點位移變化曲線圖

為了更好地分析和掌握地鐵隧道的整體變形情況，決定對地鐵隧道進行第二次三維激光掃描獲取最新的水平收斂值，并將最新的水平凈空收斂值與水平凈空初始值進行比對，評估基坑施工對地鐵隧道造成的影響。

5　隧道收斂分析

在分析三維激光的掃描結果前，對數據的可靠性進行論證尤為重要。根據三維激光掃描技術的精度論證文獻[7]，在文獻中作者采用徠卡TS30測量機器人免棱鏡測量模式與三維激光掃描儀對同一圓環進行試驗，對二者的斷面測量數據進行橢圓擬合后，采用三維激光掃描得到的隧道相對變形與全站儀的測量結果相差在 2 mm以內，所以三維激光掃描技術運用在地鐵變形監測中是可行的。

通過與水平收斂初始值進行比對，所得結果如表1所示。

地鐵隧道左線水平收斂統計表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

如表1所示，可以得出隧道的水平收斂值并沒有超出地鐵部門制定的5 470 mm這一水平收斂控制值；結合圖7可以看出，隧道的水平收斂數據變化情況與自動化監測數據反應的變形情況基本一致，結合施工情況分析可得出地鐵隧道結構在基坑施工過程中，基坑土方開挖使結構受力情況發生了改變，使隧道結構整體處于水平方向的拉伸狀態，從而使隧道發生了變形。

6　結　論

測量機器人因為能夠實現實時監測且精度高在地鐵自動化監測領域得到了很好的應用和普及，但作為一種依賴監測點反映結構變形的監測手段，只能對布設有監測點的位置進行監測，無法發現和掌握沒有布設監測點區域的變形情況。

同時，在沒有歷史變形資料的區域進行監測時，不能掌握隧道歷史變形情況，按照地鐵部門給定的統一警戒值、控制值進行監測時，可能會出現監測數據還未達到警戒值，管片就出現破壞的情況，所以通過三維激光掃描獲取水平收斂數據綜合分析隧道的變形情況，對控制值進行合理取值顯得非常重要。

本文通過測量機器人地鐵自動化變形監測引申出地鐵三維激光掃描，通過點云拼接、計算獲得隧道水平收斂值，利用三維激光掃描結合自動化監測分析隧道結構的變形，有效彌補了測量機器人在地鐵監測中的不足，同時為論證地鐵隧道的變形情況提供了有力的資料，在地鐵變形監測領域有一定的現實意義。

三維激光掃描技術作為一項先進的技術，隨著地鐵運營里程的不斷增加，地鐵隧道的維護也成為重中之重，地鐵變形監測也將變得更加重要，三維激光掃描技術必將在隧道維護、變形監測等領域做出重要的貢獻。