移動三維激光測量系統在地鐵運營隧道病害監測中的應用研究

高 洪，李 凱，馬全明，韓志晟，孫丕川

(1. 武漢地鐵橋隧管理有限公司，湖北 武漢 430000； 2. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

在地鐵隧道建成以后，由于所處地質條件差或周邊臨近基坑施工等原因，隧道會出現漏水、裂縫、下沉、變形及環片錯臺等病害。根據《城市地下空間檢測監測技術標準》關于盾構法隧道健康檢測的規定，需要對隧道進行監測。傳統的斷面測量方式只測量特定點或特定位置的數據，而站式三維激光掃描系統為了獲得高質量的數據,每隔一定距離就需要架設一站,每一站掃描時間都較長，同時站式掃描儀有一定區域的盲區，不能360°全覆蓋掃描。移動式三維激光掃描系統的出現，使得隧道變形檢測工作變得高效、簡便。目前，北京、上海、廣州、武漢等地鐵建設工程都在積極的研究應用這種新型的測量技術。本文以武漢地鐵運營隧道的大規模的掃描實踐為例，首先闡述利用移動式三維激光掃描系統進行隧道變形監測的基本原理，介紹實施監測的主要內、外業工作流程，并結合具體的工程實例驗證該方法在實際應用中的可行性和高效性。

1 移動三維激光測量系統的基本原理

1.1 系統構成

移動三維激光測量系統集高精度三維掃描儀、GNSS/INS組合定位定姿裝置、線結構激光測量傳感器以及高清全景相機等多種傳感器于一體，能夠快速獲取高質量的軌道及周圍環境三維點云，隧道環片的位置里程、精確的鋼軌廓形等信息。具有生產作業機動靈活、速度快，圖像分辨率高，數據成果可靠及信息全面等特點。

移動三維激光掃描系統主要由以下幾個部分組成，系統組成部分如圖1所示。

(1) 用于測定激光雷達信號發射參考點到隧道表面激光腳點間距離的激光掃描儀。

(2) 用于協調各傳感器的運行，記錄所有回波數據、位置信息、掃描時間的實時檢測與數據記錄設備。

(3) 軌檢小車：搭載有里程計、傾斜傳感器、激光測距傳感器及用于控制掃描儀和各個傳感器的計算機。

(4) 慣性導航系統：通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

(5) 用于數據后處理、DMI確定、不同數據源觀測值之間的時間同步、激光采樣點的坐標計算、坐標數據的分類與特征提取、數據的融合處理、數據庫的設計與管理、數據的格式轉換等數據處理軟件等[4- 7]。

1.2 移動三維測量系統數據獲取的基本原理

移動三維激光掃描系統中的測距單元包括激光發射器和接收器，激光掃描是主動工作方式，由激光發射器產生激光，而由掃描裝置控制激光束發射出去的方向。在接收器接受被返回來的激光束后由記錄單元進行記錄；同時，軌檢小車上搭載有里程計、傾斜傳感器、激光測距傳感器及用于控制掃描儀和各個傳感器的計算機，可以同步采集里程、傾角及軌距數據[1- 3]。主要工作原理如圖2所示。

1.3 數據處理

數據處理軟件采用北京城建勘測設計研究院與武漢地鐵聯合開發的針對地鐵隧道病害檢測的數據處理系統。

小車搭載了慣性導航系統，在采集隧道點云數據的同時可以通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，進而得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。進入數據處理軟件的點云配準界面，輸入相應參數后可自動進行點云配準，點云配準完成后，對點云進行處理并生成圖片。該軟件系統下圓形隧道的水平距離和豎直距離按1∶1真實尺寸生成，可進行量測，軌道面的水平方向的距離可進行量測，豎直方向不可進行量測。

由于小車輪子半徑測量誤差、掃描儀同里程計的時間誤差及軌道不平整等因素影響，可能會導致計算的點云里程不準，因此需要進行里程校準，軟件系統可加載里程樁數據(靶標球，且最少加載兩個里程樁)，并根據里程樁對里程進行修正。雙擊圖片后圖片的里程信息和圖片名均已修改，修正完之后顯示修正因子，點云里程校準完成后，里程計和掃描儀的時間系統不再有偏差，里程計推算出的里程和實際里程的差值被校正，從而可以根據掃描時間推算出每個掃描點的里程。上述處理完成后，在圖片上查找起始環號，確認第一個環號的值，以里程作為基準對環片進行編號，點擊自動生成環片，對整個區間的環片進行識別，便可顯示環號和對應的里程，如圖3所示。

對所有環號按起始環號進行編輯，以重置環片數據庫，并檢核編號準確性。選取環片的中間位置，左右各偏離100 mm進行擬合，選擇最優的橢圓結果作為該環片的擬合結果。擬合算法采用Fitzgibbon的橢圓擬合方法，擬合前，先使用RANSAC算法剔除掉噪聲點，以保證擬合效果。

2 內外業作業流程

移動三維激光掃描系統作業流程主要分為外業流程和內業流程兩個部分。

2.1 外業作業流程

外業工作主要包括以下幾個步驟：

(1) 校準超高傳感器，將手推車放在水平的軌道上，讀取超高傳感器的當前值，將小車旋轉180°，再讀取測量值；按照(Reading1+Reading2)/2計算誤差。

(2) 找到某處里程樁，以此為起始點進行里程定位。

(3) 在里程樁處放置靶標球或粘貼靶標紙。

(4) 推動小車沿隧道進行連續斷面掃描。

2.2 內業作業流程

內業工作主要包括：

(1) 數據預處理：軟件根據原始數據自動整合超高數據、點云數據、軌距、里程等信息，生成可供用戶使用的數據。

(2) 里程匹配：匹配目的是便于將現場分成多次采集的數據在后一步工作中進行合并。里程匹配將數據與實際里程信息對應起來，這樣多期測量時，可以找到相同位置的數據進行對比分析。

(3) 數據導出：導出關注區域的橫斷面點集數據，每個盾構管片選取兩個斷面以便相互檢核。

(4) 數據分析：將導出的橫斷面點集數據導入開發的后處理軟件中，進行相應項目的數據處理及分析。

內業數據處理流程如圖4所示。

3 工程案例分析

3.1 項目概況

武漢地鐵某盾構區間，區間全長1250 m，全部為地下隧道，測試線路起止部分在車站直線段，中間為S形曲線，外業采用移動式三維激光掃描儀對地鐵隧道內數據進行采集，內業結合自主研發軟件獲取內壁灰度影像，完成了隧道限界檢測、逐環直徑收斂、橫斷面分析，病害檢測，附屬設施調查等成果。

3.2 數據采集及預處理

試驗具體步驟如下：

(1) 以區間起點為起始位置，區間終點為掃描結束位置，并做好起始點和終點標記。

(2) 從起點推至測試終點，采集原始數據。

(3) 從終點推至測試始點，校準初始數據。

(4) 在不同位置(位置根據現場情況確定)布置不同厚度靶標，做好記錄(非測試人員任意布置)。

(5)結束數據采集，收集布置靶標，檢查測試現場是否有遺漏物品，將設備推行到下道處，清點、搬運下道。

準備工作完畢后，即可推動移動激光測量設備對高速鐵路隧道進行掃描測量，得到隧道的激光點云數據。在進行地鐵隧道的相關檢測前，對激光點云數據進行預處理是必不可少的部分，其內容主要包括點云數據的采集與存儲、點云數據的濾波(噪聲剔除)、點云數據的坐標轉換及前后兩次掃描數據的配準等。

3.3 試驗結果分析

3.3.1 地鐵隧道三維點云成果及灰度正射影像分析

通過融合解算得到隧道三維點云成果(如圖5所示)和正射灰度影像圖(如圖6所示)，生成點云成果對比精度報告，并輸出不同掃描速度點云密度報告。通過隧道的正射灰度影像圖，可以得到隧道內整體情況和隧道內細節數據[8- 9]。

3.3.2 隧道斷面分析

分析統計隧道形變量，并輸出隧道斷面分析報表。點云自動識別環片，將每個環片進行切片，選取特定位置的斷面分析，通過兩條軌道連線的中點得到斷面中心位置，并可以擬合出設計斷面，將實際斷面和設計斷面進行比對，得到每環每個部分的變化情況，隧道橫斷面分析如圖7所示。

3.3.3 隧道病害(滲水及管片破損脫落檢測)

通過對隧道點云分析，可提取隧道襯砌脫落的位置及隧道滲水區域、裂縫區域的位置，并計算對應面積[10- 13]，積水區位置及面積成果如圖8所示。從圖中可以看出，本區域最大積水面積位于K15+491.09—K15+494.17里程，最小積水面積位于K15+489.96—K15+490.14里程，可為運營管理部門提供數據支持。

3.3.4 限界檢測

對軌道凈空進行快速精確檢測，快速獲得軌道高精度斷面數據，根據鐵路軌道的限界規定判定是否存在異物侵限。將設計給出的車輛邊界線疊加到斷面上可以得到每個環片的侵界位置及侵界程度，超限區域如圖9所示。

3.3.5 環片斷面錯臺分析

通過軟件處理可自動生成環片實際位置，并能夠對整個區間的環片進行識別，可顯示環號和對應的里程，選取環片縫中間左右間隔5 cm的區域進行錯臺分析，利用相鄰環片的斷面圖，以軌道中心為基準相互疊加得到兩環片相對位置變化情況，從而得到延軌道方向的錯臺變化。

以錯臺7 mm為邊界，篩選得到所有錯臺大于7 mm的管片位置、錯臺弧長、錯臺位置、錯臺量。環片斷面錯臺分析數據成果如圖10所示。

3.3.6 隧道壞片橢圓度分析

利用掃描的隧道數據，可逐環統計隧道管片直徑。以橢圓度0.005為界限，得到橢圓度超過界限的環號和對應的環片水平直徑。水平直徑表示隧道在水平方向的形變數值，橢圓度表示隧道整體的變形程度，橢圓度越大，隧道變率越大。通過軟件可自動分析得到所有超過界限的環片號和相關數據信息，隧道環片橢圓度分析見表1。

表1 隧道環片橢圓度分析

3.4 移動三維激光掃描精度分析

3.4.1 移動三維激光掃描同人工觀測結果對比

為分析三維激光掃描儀進行斷面測量的精度，用全站儀對相同里程的斷面進行人工測量，將擬合后的數據同三維激光掃描儀的測量數據進行對比，結果如圖11—圖13所示，結果顯示兩種方法的數據差值絕大部分(超過96%)位于-15～15 mm內，個別差值達到20 mm。經分析，個別數據差值較大的原因可能是受隧道內該位置有施工材料、積水等因素的影響，導致軟件計算結果出現些許偏差，此為粗差，可在后續數據處理中進行修改完善。

利用三維激光掃描儀采集的點云數據經處理后生成的點云模型不僅可以用于隧道斷面的加密，還可以作為地鐵隧道限界檢測的依據，為列車的運行提供良好的模擬環境，采集的點云數據可重復利用，避免了外業數據的重復采集；同時，斷面測量成果還可以為隧道三維建模等工作提供相應支持。

3.4.2 移動三維激光掃描兩次掃描數據對比分析

利用同一時間、同一基準得到的兩次掃描結果，將相同位置的兩段點云利用軌道中心為基準進行疊加，橫軸為里程、縱軸為變形量。即可得到兩次掃描點云的誤差，從而得到移動三維激光掃描的精度情況。

根據測試得到的數據分析可知，兩次掃描點云空間位置差值均在3 mm以內，兩個掃描間隔很短，可以認為在此期間隧道沒有發生形變，說明三維激光掃描的精度達到了3 mm。移動三維激光掃描兩次掃描數據對比分析如圖14所示。

4 結 語

移動三維激光掃描技術具有非接觸測量、測量速度快、精度高、點云空間密度大等特點，可以為列車的運行提供良好的模擬環境，點云數據可重復利用，避免外業數據的重復采集，為地鐵隧道斷面測量、變形檢測監測等工作提供了新的技術手段，獲取的數據利用價值高。本文詳細論述并通過實際工程驗證了利用移動三維激光掃描技術進行隧道變形檢測實用性強，操作簡單，精度準確，說明移動三維激光掃描技術可以作為地鐵隧道襯砌變形及限界檢測監測等工作的方法，具有廣闊的前景。由于該技術目前的應用處于起步階段，有些內容仍有待進一步完善，如環片脫落、滲漏水等災害的檢測目前還只能通過人工識別的方式，里程配準方法自動化程度和精確度不高，外業數據采集在滿足地鐵隧道變形檢測精度要求的前提下需要探索一套最簡便快速的工作方法等。隨著移動三維激光掃描技術在地鐵中應用的不斷推廣和發展，該技術將逐步完善并在地鐵相關工作中發揮越來越重要的作用。