三維激光掃描技術在成型地鐵隧道中的應用

白雄 劉五杰 周志強

（1.西咸新區軌道交通投資建設有限公司，陜西西安 710000；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

1.三維激光掃描技術特點及優勢

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期激光應用研究的又一項重大突破，它被譽為“繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命”[1]。三維激光掃描系統可以非接觸、快速獲取地物目標的三維點云數據和紋理（影像）數據，經過數據處理以及三維建模，構建掃描對象的真三維數字模型，為空間信息數據庫提供豐富的數據源。和傳統的單點測量方法相比，具有快捷、數字化、測量方式靈活、不接觸等特點。目前，三維激光掃描技術已在文物數字化保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業、變形監測、工廠及大型結構測量、飛機船舶制造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等領域有廣泛的應用。

與傳統測量手段，主要具有以下特點與優勢：（1）主動、非接觸工作方式。三維激光掃描儀是主動式探測系統，可以對目標進行非接觸式掃描，不受掃描環境空間和時間的約束便可以獲取真實可靠的數據。（2）數據采集速率高，點云密度高。三維激光掃描儀能在短時間內獲取目標的海量點云數據，一些基于相位式的掃描儀，其掃描速度已經達到120萬pts/s，掃描點間隔達到了1mm左右。（3）數據精度高，信息豐富。地面三維激光掃描儀的測距精度可達到2mm（100m處，一次單點掃描），模型表面的精度可達2mm。這些點云數據包含激光反射強度信息，系統攜帶的高分辨率數碼相機同時獲取了掃描對象的彩色紋理影像，為目標的分類、識別和建模提供真實可靠的信息。（4）掃描對象信息完整。三維激光掃描儀就可以獲取目標物的完整信息，不存在傳統測繪中的漏測問題，從而降低了勞動強度，節約了資金，提高了工作效率。（5）數字化采集，兼容性好。三維激光掃描儀直接獲取目標物的三維坐標和紋理信息，易于后期處理、輸出和保存。

2.三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀通過測距系統測得掃描物體與儀器間的距離、水平角和垂直角，通過對返回的激光信號進行回收，解算后獲得目標物體表面海量的點云數據。工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀在進行掃描測量時，首先利用測距系統量測掃描儀中心與目標物體的間距S，再量測出縱橫向掃描角。掃描儀坐標系是自定義的，掃描儀中心為坐標原點，X、Y軸相互垂直，Z軸與X、Y所在平面垂直，測量原理如圖2所示。

圖2 測量點坐標計算

利用兩個角度元素a和q，一個距離元素S就能計算出測點的三維坐標,其坐標計算公式為[2]：

三維激光掃描儀具有先天性優勢，在大幅提高工作效率的同時還能保證高精度。

3.項目實例

本次以西安地鐵5號線二期某盾構區間為例，此區間左線623環，右線621環，左右線長度約2.0km。

3.1 外業數據采集

（1）硬件系統調試。到達現場后，進行硬件設備的檢查、超高計和里程計的校準等；（2）采集儀器設備。本次采用Leica P40搬站式對地鐵隧道進行掃描。采樣參數按10240點/360°進行現場設定；（3）采集作業操作流程。1）設備組裝；2）掃描作業；3）回收設備：作業完成后，先關閉掃描儀和主機，斷開電源，將設備移動到安全區域拆卸、裝箱。

3.2 內業數據處理及掃描項目成果輸出

數據的處理及成果的輸出。本次數據處理使用“Tlsd隧道激光掃描數據處理軟件”（以下簡稱“Tlsd軟件”），盾構隧道逐環解算獲取隧道病害、激光影像、直徑收斂、錯臺變形等成果。盾構圓形盾構隧道通常由6個管片構成（1個楔形塊、2個標準塊、3個鄰接塊），以楔形塊為基準位置按照順時針順序排列。

（1）環號與里程。環號以隧道現場實際噴涂的標準環號為準，盾構段里程按“里程=起始百米標+固定環寬×環數”推算里程，礦山法或矩形隧道段按現場百米標確定里程。（2）斷面解算和滲漏水調查。掃描數據經灰度糾正和插值處理后，生成隧道激光掃描影像并進行斷面解算（水平直徑、橢圓度、環間錯臺）。提交成果按照里程從小到大升序排列，繪圖時統一面向大里程方向。（3）環間錯臺。環間錯臺為環片之間的錯開量。為便于識別較大的環間錯臺，本次掃描僅提取環間錯臺量大于 15mm且錯臺弧長超過100cm的環間錯臺量，并輸出錯臺發生的位置。（4）掃描成果。掃描數據經解算和判讀識別后，生成一組成果數據、Excel表格、TIFF影像和斷面DXF文件，使用Tlsd軟件進行查看和統計分析。

3.3 數據分析

3.3.1 橢圓度

傳統的隧道橢圓度檢測方法通常是利用全站儀、斷面儀等進行檢測。傳統的隧道檢測技術屬于抽樣檢查的“點型”測繪，測點密度不夠且無法全面測量到隧道壁上所有的凹點和凸點。本次使用三維激光掃描儀，按10240點/360°采樣參數進行設定進行現場采集，獲取全覆蓋、高精度的掃描數據。

根據點云數據提取每個盾構環片的長軸、短軸，根據計算公式“橢圓度=(長軸-短軸)/標準軸”得到環片的橢圓度信息。本區間右線橢圓度最大值16.8‰，位于621環；左線橢圓度最大值21.3‰，位于619環。

3.3.2 直徑收斂

盾構區間對所有環片進行掃描，并根據三維點云數據提取逐環水平直徑以及與標準值的差值。本區間右線最大直徑變形位于619環，最大直徑=5.446m；本區間左線最大直徑變形位于618環，最大直徑=5.466m。

3.3.3 環間錯臺

在環間接縫處兩側各5cm位置截取斷面，提取隧道內的環間錯臺數據及報告，并按小于等于15mm和大于15mm進行分類提交錯臺的區域位置。

3.3.4 滲漏水

因三維激光掃描時地鐵未運營，隧道內通風設施未開啟，其中右線有6處道床積水；左線有1處排水溝有積水，7處道床積水。

4.結語

通過對運營前線路的成型隧道三維激光掃描，可以得到運營前隧道成型的原始狀態的橢圓度、水平直徑、管片錯臺、滲漏水等情況，可以有針對性的對區間進行病害進行分析研究，制定每環的處理措施，為后期運營提供真實的基礎數據。開展三維掃描技術在城市軌道交通工程中應用研究可以為地鐵建設提供詳細的施工成型隧道的數據以及為運營及試運營提供隧道病害治理新技術方法，同時開展隧道三維掃描系統的研究可以順應數字化地鐵建設的未來趨勢。