基于GRP5000移動式三維激光掃描儀的隧道橢圓度監(jiān)測分析

劉志鋒 商曼

摘 要：目前，城市軌道交通周邊地塊開發(fā)非常多，在建工程與地鐵隧道的凈距也越來越小。本文闡述了三維激光掃描系統(tǒng)在地鐵隧道監(jiān)測中的內(nèi)外業(yè)處理過程與原理，并以安博格GRP5000三維激光掃描儀試驗(yàn)為例，利用三維激光掃描儀監(jiān)測廣州地鐵三號線某區(qū)間。試驗(yàn)證明，該方法高效、簡單，能夠全面地監(jiān)測所有管片的橢圓度。本研究可為鄰近地鐵隧道的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，對類似工程項(xiàng)目具有借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地鐵;橢圓度;監(jiān)測;掃描

中圖分類號：U231文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0086-03

Abstract： At present， there is a lot of development in the surrounding plots of urban rail transit， and the net distance between the construction in progress and the subway tunnel is getting smaller and smaller. This paper describes the internal and external processing process and principles of the 3D laser scanning system in subway tunnel monitoring， and takes the Amberg GRP5000 3D laser scanner test as an example to monitor a certain section of the Guangzhou Metro Line 3 by using the 3D laser scanner. Tests prove that the method is efficient and simple， and can comprehensively monitor the ovality of all segments. This study can provide a reference for the design of the deep foundation pit supporting structure adjacent to the subway tunnel， and has reference value for similar engineering projects.

Keywords： subway;ellipticity;monitoring;scanning

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵附近的施工日益增加，外部施工距離地鐵隧道越近，其對鄰近地鐵隧道的影響也就越大，通常會引起隧道沉降、向基坑側(cè)進(jìn)行水平位移，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)裂縫、橢圓度增大等病害。而在地鐵運(yùn)營單位進(jìn)行隧道維修保養(yǎng)決策的過程中，隧道管片的橢圓度是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，通常將橢圓度超過25‰的管片視為病害嚴(yán)重管片，人們需要對其進(jìn)行加固處理。傳統(tǒng)的隧道橢圓度監(jiān)測主要有全站儀極坐標(biāo)法、斷面儀法、測站式三維激光掃描法[1]。這些方法效率較低，數(shù)據(jù)采樣率低，一組人進(jìn)行一個(gè)天窗點(diǎn)作業(yè)，往往只能監(jiān)測10～20個(gè)管片，且監(jiān)測結(jié)果往往只能反映管片局部的特征，它們很難高效地應(yīng)用于大范圍的檢測，且容易受作業(yè)人員熟練度的影響[2]。

近年來，武漢大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、廣州南方測繪科技股份有限公司相繼研發(fā)了移動式三維激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)作業(yè)效率高，一組人一個(gè)天窗點(diǎn)可以掃描800～1 000個(gè)管片，且成果處理自動化程度高。本文介紹了GRP5000移動式三維激光掃描儀的作業(yè)過程，并以某基坑工程影響下的廣州地鐵3號線一段區(qū)間為例，分析了該區(qū)間隧道重要施工節(jié)點(diǎn)的管片橢圓度變化情況，并與全站儀掃描方法獲得的結(jié)果進(jìn)行對比。試驗(yàn)證明了該方法能夠高效、簡單、全面地監(jiān)測所有管片的橢圓度，在地鐵保護(hù)工程項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可為類似的鄰近地鐵隧道的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，確保深基坑工程設(shè)計(jì)、施工順利進(jìn)行，將施工對地鐵隧道的影響降到最低。

1 GRP5000移動式三維激光掃描儀作業(yè)過程

1.1 外業(yè)過程

GRP5000移動式三維激光掃描儀是一個(gè)集成了慣性導(dǎo)航、激光掃描、點(diǎn)云處理等新型技術(shù)的系統(tǒng)[3]。它不僅可以測量軌道幾何尺寸，而且可以通過點(diǎn)云捕獲隧道的裂縫、滲水、錯(cuò)臺、掉塊等病害信息。GRP5000移動式三維激光掃描儀可以利用慣性導(dǎo)航與里程計(jì)等位置解算功能，準(zhǔn)確計(jì)算出病害發(fā)生的空間部位[4]。經(jīng)人工智能軟件分析后，人們可以獲得管片的高精度圖像成果;通過一次快速掃描測量，人們可以得到隧道現(xiàn)狀的各個(gè)參數(shù)。本文主要利用該系統(tǒng)掃描的點(diǎn)云成果，計(jì)算管片的橢圓度。隧道現(xiàn)狀掃描作業(yè)流程如圖1所示。

GRP5000移動式三維激光掃描儀外業(yè)實(shí)施過程如下：根據(jù)隧道實(shí)際情況制訂作業(yè)計(jì)劃，地鐵停運(yùn)后在運(yùn)營單位配合下進(jìn)入軌行區(qū);將設(shè)備在軌道上連接安裝好后，連接好電源線、網(wǎng)線等線纜;打開筆記本電腦中儀器配套的掃描軟件，新建工程項(xiàng)目，在項(xiàng)目屬性中設(shè)置好互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址（IP）、掃描儀的掃描范圍、角度、分辨率的關(guān)鍵參數(shù)，然后開始推掃。采集數(shù)據(jù)的過程可以通過筆記本電腦實(shí)現(xiàn)，一旦記錄開始，用戶只需要推著軌檢小車沿軌道以一定的速度行進(jìn)，一般項(xiàng)目左右線可以在一個(gè)天窗點(diǎn)掃描完成，通過聯(lián)絡(luò)通道搬站即可。

1.2 內(nèi)業(yè)過程

外業(yè)掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，人們便可以進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。三維激光掃描項(xiàng)目的內(nèi)業(yè)后處理中，海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理尤為重要，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維模型重建、結(jié)構(gòu)斷面提取、橢圓度計(jì)算等[5]。

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理。對于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重要的一步就是數(shù)據(jù)預(yù)處理。預(yù)處理主要包括去噪、抽樣、刪除飛點(diǎn)[6]。隧道內(nèi)各類線纜、消防水管、軌道道床、接觸軌和各類通信設(shè)備作為噪聲點(diǎn)云被采集下來，這些噪聲點(diǎn)不僅會影響人們對隧道結(jié)構(gòu)的分析與判斷，而且嚴(yán)重影響建模效率，因此人們需要去除與隧道結(jié)構(gòu)無關(guān)的異常點(diǎn)或錯(cuò)誤點(diǎn)。另外，三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量通常都很大，人們要對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣輕量化處理[7]。這樣才能保證數(shù)據(jù)處理的高效性，數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后再進(jìn)行后期的建模等處理工作。

1.2.2 點(diǎn)云三維建模。儀器掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)，人們很難直接獲取隧道結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。通常的做法是針對一個(gè)個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用相關(guān)算法來搭建隧道內(nèi)壁模型，利用配套軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格，再針對三角網(wǎng)構(gòu)建三維模型[8]。

1.2.3 提取斷面。每隔1.5 m或者1.2 m進(jìn)行斷面提取（或者數(shù)據(jù)切片），具體根據(jù)管片的標(biāo)準(zhǔn)寬度確定。

1.2.4 計(jì)算橢圓度。將上一步得到的斷面擬合成橢圓，并利用對應(yīng)橢圓的長半軸、短半軸，參照式（1）求取橢圓度，具體計(jì)算公式如下：

式中：[T]為橢圓度;[a]為隧道長半軸;[b]為隧道短半軸;[D]為隧道內(nèi)徑。

2 監(jiān)測案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目基坑采用密排三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，鄰近廣州地鐵3號線的側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度為1 200 mm的地下連續(xù)墻。既有運(yùn)營地鐵的隧道結(jié)構(gòu)位于基坑西側(cè)，基坑與廣州地鐵3號線某區(qū)間隧道外邊線的最小水平距離為5.2 m;基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻槽壁加固外邊線與廣州地鐵3號線某區(qū)間隧道外邊線的最小水平距離為3.7 m，隧道結(jié)構(gòu)頂面覆土厚度為11.4 m，隧道所處地層主要為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及混合花崗巖層殘積土。項(xiàng)目場地存在大量的殘積土等不良工程地質(zhì)條件，且基坑埋深比地鐵隧道更大，隧道區(qū)域地下水位下降容易誘發(fā)地鐵隧道不均勻沉降。本案例重點(diǎn)分析在外部施工影響下鄰近基坑的左線隧道橢圓度。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 三維激光掃描數(shù)據(jù)分析。項(xiàng)目的各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)利用GRP5000移動式三維激光掃描儀進(jìn)行了4次掃描。第一次是項(xiàng)目開工前（2019年3月），第二次是施工地連墻階段（2020年3月），第三次是開挖到第二道支撐（2020年8月），第四次是開挖到第三道支撐（2021年2月底）。掃描結(jié)果如圖2所示。

2021年2月，廣州地鐵3號線隧道三維掃描結(jié)果顯示，左線累計(jì)橢圓度的最大值為21.26‰，該斷面環(huán)號為49環(huán)，里程為ZDK18+649，相比2020年8月的變化值為1.63‰。橢圓度最大變化值為4.4‰，該斷面環(huán)號為111環(huán)，里程為ZDK18+741，該環(huán)累計(jì)變化值為10.33‰。左線橢圓度平均變化了2.10‰。

2.2.2 人工全站儀斷面掃描校核。2021年2月，三維激光掃描橢圓度大于15‰，監(jiān)測人員用全站儀橢圓度測量方法對橢圓較大的管片進(jìn)行人工復(fù)核，最大差異為0.91‰，平均差異為0.36‰，三維激光掃描橢圓度與人工檢核結(jié)果較為吻合。同時(shí)，監(jiān)測人員對隧道進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，并對各處裂縫寬度進(jìn)行測量，右線最大裂縫寬度為1.1 mm。如圖3所示，對比橢圓度數(shù)據(jù)可見，裂縫集中處對應(yīng)管片的橢圓度較大。

2.2.3 變形原因分析。根據(jù)本項(xiàng)目的地質(zhì)鉆孔資料以及地連墻成槽記錄，本區(qū)段槽底深度為35 m，槽底是強(qiáng)風(fēng)化層混合花崗巖，槽壁為厚層填土、硬塑狀殘積土層、全風(fēng)化混合花崗巖，局部存在約1.00 m厚的透鏡體狀細(xì)砂層，其中，混合花崗巖的殘積土及全強(qiáng)風(fēng)化層均為遇水軟化、崩解的土層。場地西側(cè)為大石斷裂，受其影響，場地發(fā)育混合花崗巖風(fēng)化深槽，場地構(gòu)造裂隙較發(fā)育，下部巖體完整性差。因此，在地連墻施工過程中，槽段中的泥漿水會持續(xù)對槽壁的殘積土和全強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行軟化、崩解，破壞了場地的地下水和土應(yīng)力的平衡。另外，基坑向下開挖的過程破壞了隧道周邊應(yīng)力平衡，使隧道產(chǎn)生了偏壓。

3 結(jié)論

本文闡述了GRP5000移動式三維激光掃描儀在地鐵隧道監(jiān)測中的內(nèi)外業(yè)處理過程與原理，并以安博格GRP5000三維激光掃描儀試驗(yàn)為例，利用三維激光掃描儀監(jiān)測廣州地鐵3號線某區(qū)間的管片橢圓度，分析了外部不同施工工況下該區(qū)間管片橢圓度的變化，且將激光掃描橢圓度結(jié)果與全站儀掃描橢圓度結(jié)果進(jìn)行對比分析。研究表明，該方法既高效又可靠，能夠全面地監(jiān)測所有管片的橢圓度變化情況，在地鐵保護(hù)工程項(xiàng)目中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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