移動三維激光掃描系統在地鐵盾構隧道管片橢圓度檢測中的應用

盛方劍

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司）

1 引言

在南京地鐵土建施工完成以后，地鐵區間盾構隧道附近不可避免的會有改建商業街、修建道路等需要開挖基坑的施工，在開挖基坑的過程中加大了地鐵隧道襯砌結構的受力，從而發生掉塊、開裂、滲漏水等病害現象[1]。

盾構隧道管片根據綜合系統設計要求應該是圓形，但是因為盾構隧道管片在生產加工、拼接安裝等過程里，會產生一定誤差，一般都是使用橢圓度這一參數來表示這種偏差，橢圓度過大時常伴有管片開裂、掉塊、滲漏水等表觀病害現象，但無法判斷這些表觀病害現象的盾構隧道襯砌結構具體的結構安全狀態或者受力情況，這就加大了測試工作的困難程度。

本次研究分析里，詳細論述了自由移動型三維立體激光自動掃描體系獲得隧道點云數據的原理以及地鐵盾構隧道變形分析中常用來分析橢圓度的方法，又結合南京市實際地鐵安全保護區結構設施普查項目，使用徠卡SiTrack：One自由移動型三維立體激光自動掃描體系，針對這類應用模式展開了論證。最終結果說明，相較于舊有傳統類型的橢圓度測試模式，自由移動型三維立體激光自動掃描系統來檢測隧道橢圓度的方法比傳統的橢圓度檢測方法更具高精度、高效率、人為干涉少的優勢，在未來南京市地鐵的發展過程里，具備良好的使用發展前景。

2 移動式三維激光掃描系統

移動三維立體激光自動掃描體系是以三維立體激光自動掃描儀為感應設備，和搭載應用平臺、同步操控管理體系、準確定位定姿體系集中在移動應用平臺上，給移動應用平臺持續供應具體位置數據信息，與此同時獲得三維空間數據的系統。本次研究分析運用的是徠卡Si-Track：One自由移動型三維立體激光自動掃描體系，這個體系通常包括：三維立體激光自動掃描儀和軌檢小車兩大組成部分。軌檢小車上集中了里程數計、傾斜感應設備、激光距離測量感應設備及用于操作控制的電腦計算機。小車在運行軌道上不斷前行的時候，掃描儀獲取隧道斷面的表觀形態與反射率；里程計連續記錄小車前進里程；傾斜儀測量軌面超高；各傳感器同步采集各種測量參數，電腦計算機自動接收保存由感應設備自動返回的數據信息，并且在這個體系上同步各感應設備的有效時間。該系統內部將高精度慣性導航單元與非接觸式激光里程計整合在一起，確保GNSS信號完全失鎖時，也可以持續獲取高精度的定位信息。

掃描軌檢小車前進時，會發生車身姿態的變化，掃描儀與小車因為相對位置固定，所以自動掃描儀姿態隨著小車的姿態一起改變。由于自動掃描儀的具體位置和姿態在迅速改變，因此自動掃描儀分布坐標系的分布坐標處理點云數據，需把獲取到的點云數據進行坐標交換到同一分布坐標系里[2]，如圖1所示，也就是自動掃描軌檢小車的分布坐標系。

圖1 自動掃描小車分布坐標系

3 橢圓度檢測

隧道的管片按設計要求為圓形，但因管片在加工、輸運、拼裝及使用過程中都會存在一定偏差，若偏差太大，則會嚴重阻礙管片的正常運用，更有甚者會引起公共道路交通意外事故，因此，運用橢圓度對管片的不圓程度進行量化。該參數可以對地鐵盾構管片的總體彎曲變形實際狀況，展開定量研究分析。隧道盾構法項目施工綜合系統設計、檢測驗收的有關標準規范對該參數也有具體規定。運算這個系數的核心關鍵是運算盾構管片的橢圓長半軸與短半軸，參考依據盾構法施工與驗收規范[3]，圓形隧道管片在襯砌安裝之后，隧道的最大有效直徑和最低有效直徑的有效差值，和隧道實際有效內徑設計數值的比重，采用千分比代表，也就是：

式中：T為橢圓度；a為橢圓長半軸；b為橢圓短半軸；D為隧道內徑設計值。

全站儀斷面測量法、吊鉛錘法和激光斷面儀法是檢測隧道橢圓度常用方法。全站儀斷面測量法是指在隧道中線上架設整平全站儀，輸入棱鏡高、儀器高、測站點坐標、后視點坐標等信息，再進行后視。之后，轉換全站儀的無棱鏡測量確定方式，促使全站儀根據設立應用程序依次斷面自動掃描測量確定[4]，再經過斷面點分布坐標運算盾構管片橢圓度。吊鉛錘法是指通過皮卷尺和吊鉛錘結合測得盾構管片的長短軸，再運算盾構管片橢圓度。激光斷面儀法是成立在激光距離測量專業技術和精密數據測角專業技術上，將極分布坐標測量確定模式與電腦計算機視覺感官專業技術集合在一起，再結合有經驗的計算機操作控制與圖像全面處理操作應用軟件，獲得盾構管片的內部輪廓線[5]，之后運算隧道橢圓度。國內各大型城市的地鐵運行維護壓力，伴隨著地鐵建設發展速率的加快而愈發增大，舊有傳統類型的橢圓度測試模式作業工作效率低，沒有辦法符合需要。經過多年的專業技術發展進步，移動三維立體激光自動掃描專業技術促使盾構隧道管片的橢圓度測試工作，轉變得更為便捷、高效、可靠，是未來地鐵運營管理維護保障專業技術的主流發展進步朝向。

4 應用案例

南京市某地鐵線運營管理時期，項目工程工作人員使用夜間地鐵停運時間分布段對這個連接線路區間左線K17+238～K17+478里程段的盾構隧道區間進行了移動式三維激光掃描，掃描軌檢小車前進速度大約保持在1 m/s。獲得的隧道點云數據信息，不僅能夠應用在地鐵運營管理彎曲變形實時監測，也能夠作為歷史數據信息儲存，應用在后期新發地鐵安全保護區隧道變形監測的初始對比數據。

該盾構區間全長240m，掃描作業里程段內對應管片865環～1065環，對該區段進行橢圓度檢測。對獲取的點云數據信息展開了預先處理、里程數匹配對應、選取組成結構中心對稱線、選取斷面、自動導出橢圓度表等處理。每隔1.2m提取一個斷面，每個斷面點云厚度為2m，共計提取200個斷面。

該區間采集的點云數量共2.7億。

把里程數作為橫分布坐標，將橢圓度作為縱分布坐標，統計分析這個作業分布區段橢圓度柱狀統計圖，如圖2所示。

圖2 橢圓度統計圖

依據規范，地鐵盾構隧道驗收時成型的襯砌結構橢圓度應≤6‰[3]。里程為K17+332.1m、K17+339.3m、K17+340.5、K17+341.7m、K17+342.9m的五個斷面橢圓度均大于6‰，分別為6.1‰、9.3‰、11.3‰、8.7‰、8.4‰。

通過運算方法將每一個斷面模擬出橢圓度圖，在其中，K17+380.1里程數處斷面的橢圓度圖，如圖3所示。

圖3 某斷面的橢圓度分析

5 結語

根據南京市實際地鐵安全保護區結構設施普查項目，應用徠卡Si-Track One自由移動型三維立體激光自動掃描體系獲得隧道點云數據信息，經過操作應用軟件，全面處理點云數據信息測試橢圓度。最終結果說明，自由移動型三維立體激光自動掃描小車具備準確度高、工作效率高等優勢，在未來地鐵迅速發展進步的態勢下，具備很大的使用發展前景。本次研究分析里，僅僅探索討論了自由移動型三維立體激光自動掃描體系在盾構隧道橢圓度測試中的檢測效率與檢測可行性，今后還須利用該方法對橢圓度檢測的精度進行進一步對比驗證。