對現(xiàn)代測繪技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的實踐論述

李濟民

摘要：本文主要對現(xiàn)代測繪技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的實踐進行了研究與分析，首先了針對現(xiàn)代測繪技術(shù)進行概述，其次對全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行了闡述，然后對三維激光掃描技術(shù)進行了敘述，最后對傳統(tǒng)檢測手段與現(xiàn)代監(jiān)測方法進行對比分析。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代測繪技術(shù);地鐵隧道;變形監(jiān)測

1.相關(guān)概述

軌道交通建設(shè)和運營能夠促進沿線地區(qū)經(jīng)濟和城市建設(shè)。地下應(yīng)力隨地鐵施工及周邊城市建設(shè)的變化而變化，建筑物、建筑物及地鐵結(jié)構(gòu)的變形會給地鐵的建設(shè)和運行帶來安全隱患，而地鐵施工中的防護已成為地鐵識別地鐵變形檢測的必要手段，其目的是直接或間接地為隧道結(jié)構(gòu)提供三維空間信息，傳統(tǒng)的地下防護監(jiān)測方法，如收斂系統(tǒng)位移監(jiān)測、全弧段定位監(jiān)測、準(zhǔn)基礎(chǔ)隧道結(jié)構(gòu)調(diào)整、功能單一、人工測量操作復(fù)雜、觀測時間有限等，正朝著高效、高密度的方向發(fā)展。伴隨著測量學(xué)的發(fā)展，建筑測量技術(shù)的不斷完善，電子儀器和信息技術(shù)，如地鐵監(jiān)控系統(tǒng)，三維激光掃描技術(shù)。

2.全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)

整個網(wǎng)站自動監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于C/S結(jié)構(gòu)的服務(wù)器、控制器、客戶端的自動測量系統(tǒng)。集成了電子波技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動目標(biāo)檢測技術(shù)。

全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)得到了國內(nèi)外專家的驗證和應(yīng)用。在1983年，漢諾威大學(xué)利用攝像機和數(shù)字圖像處理技術(shù)對目標(biāo)進行精確定位。通過無線通信設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。它是現(xiàn)代測量機器人顯示系統(tǒng)的雛形。徠卡公司自1997年成立以來，一直在努力發(fā)展和完善地鐵自動檢測系統(tǒng)，這是香港九龍廳首次進行的地鐵自動檢測試驗。以高精度TS（TM）30為核心的地形圖自動測量系統(tǒng)在國內(nèi)外已得到廣泛的認可和應(yīng)用。

3.三維激光掃描技術(shù)

相對于傳統(tǒng)監(jiān)測方法和自動監(jiān)測技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)在變形領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。在對坐標(biāo)系進行掃描的過程中，主要內(nèi)容包括了傾斜狀態(tài)、水平方向和距離、導(dǎo)程、反射強度等信息進行去噪濾波、線段等空間信息的數(shù)字化重建，使三維激光掃描技術(shù)能夠快速、主動地進行非接觸測量，具有高電阻性，數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)直觀等優(yōu)點。高效施工和高頻運行維護，用于現(xiàn)代地下隧道變形監(jiān)測。

采用隨機采樣電阻法（RANSAC）和最小二乘法提取隧道軸線，用不變平法提取隧道軸線，實現(xiàn)了三維激光隧道變形監(jiān)測中的隧道連續(xù)段。閉合子平面組合，變形曲線與至少兩個折疊曲線相對應(yīng)，在工程實際施工中，采取了Z+F三維激光掃描儀。

以公司研制的變形監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了三維激光掃描技術(shù)在地下隧道檢測中的應(yīng)用，提取隧道中心軸和連續(xù)斷面。該程序通過將理論中心線與相應(yīng)設(shè)計截面距離相結(jié)合，來計算輸入的設(shè)計軸線和監(jiān)測隧道的設(shè)計半徑信息。在運用3D激光掃描儀采集數(shù)據(jù)信息的過程中，經(jīng)過預(yù)處理之后會轉(zhuǎn)換為程序進行裝載。采用中心線和連續(xù)截面提取距離點，并與設(shè)計區(qū)域相比較。對系統(tǒng)檢測和層厚進行測量，對浸水圖像、裂縫、地質(zhì)草圖等進行多源檢測和評價。對理論半徑和實頁半徑進行對比分析和重疊分析，可以直接反映隧道結(jié)構(gòu)的變形和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度，如圖2所示。

4.傳統(tǒng)監(jiān)測手段與現(xiàn)代監(jiān)測方法的對比分析

然而，在地下保護監(jiān)測方面，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法與現(xiàn)代方法相比，存在以下不足：

（1）由于各種儀器精度和功能的限制，傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法在單個任務(wù)上存在一定的局限性。在運用普通全站儀三角高程測量的過程中，其準(zhǔn)確性相對較低，并且適用范圍相對較小，只能在位移監(jiān)測中得到了應(yīng)用，并不適用于沉降監(jiān)測。因此，在監(jiān)測的過程中，要保證沉降監(jiān)測的準(zhǔn)確度，重新觀察影響監(jiān)測結(jié)果的因素。

（2）由于人工監(jiān)測與地鐵運營空間沖突，導(dǎo)致觀測時間（地鐵運營期間）中斷，人員和儀器不能進入隧道進行測量，只能在夜間等待地鐵維修時間進行觀測，造成觀測間隔超過12小時，影響監(jiān)測質(zhì)量。

在觀測過程中只檢測到少量固定形變點，不能檢測到隧道點的更多空間信息，完全恢復(fù)和監(jiān)測了隧道空間位置，不能確定被測隧道的位置。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法已不能滿足當(dāng)前高性能地鐵施工和高密度地鐵運行維護的需要。全站儀形變自動監(jiān)測系統(tǒng)和三維激光掃描形變監(jiān)測系統(tǒng)具有獨特的數(shù)據(jù)采集方法和先進的信息處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)化工產(chǎn)品的全天候、高效、高精度、多維自動化監(jiān)測。

5.總結(jié)和展望

實測資料質(zhì)量分析表明，采用全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)和三維激光掃描技術(shù)的現(xiàn)代地下隧道監(jiān)測方式，其工作效率、數(shù)據(jù)精度和安全性均有明顯提高，自動化和功能多樣化已成為傳統(tǒng)的監(jiān)測方式。精確度評價和工作穩(wěn)定性實踐表明，現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)性能良好。全站自動監(jiān)測系統(tǒng)以地形為代表，逐漸被傳統(tǒng)的監(jiān)測方法所取代，并在地鐵保護與監(jiān)測工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，三維激光掃描技術(shù)已成為高校、科研機構(gòu)及企業(yè)地下隧道監(jiān)控的重點。提高中心軸的精確度和效率，在去除連續(xù)截面的過程中仍是當(dāng)前應(yīng)用研究的重點。

參考文獻

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