三維激光掃描技術在隧道結構零狀態普查中的應用

盧其棟，魏賢坤，魏鵬琳

(1.上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200093； 2.佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東 佛山 528010)

1 引 言

受軌道交通隧道周邊的地質條件、沿線施工及盾構推進過程施工工藝等因素的影響，隧道貫通后的成型環片可能存在質量缺陷，如管片推進過程中的環片破損，管片推進完成后錯臺、錯縫過大導致管片縱環縫間滲水、漏砂，注漿過量導致的環片變形等。以上問題均是影響隧道結構使用壽命的風險點。為保障城市環境的穩定和市民的公共安全，對軌交隧道零狀態普查的全面性、高效性、準確性提出了很高的要求。同時軌道交通隧道竣工期的零狀態普查也是軌道交通安全評估的一項重要環節。

目前隧道結構數據的獲取主要依靠人工測量和巡查，需投入大量的人員和儀器。工作期間需要重復進場，現存的巡查方法存在工作量大、周期長、人為主觀因素大等缺點，而且采集的僅僅是點狀問題，很難全面掌握隧道內的整體初始結構特征。

針對此問題，武漢大學設計了一套移動式隧道自動化檢測系統，檢測運營期隧道幾何變形和提取隧道表觀病害[1]。廣州地鐵設計院利用GRP5000系統對隧道管片橢圓度進行檢測和隧道病害檢測[2]。國外形成產品的主要是Amberg的GRP5000移動式激光檢測軌道小車[3]，該車每小時可完成 700 m左右的隧道掃描，最終成果為隧道管壁的平面投影圖。由此看到，三維激光掃描地鐵隧道結構檢測還處于一些高校和公司的實驗研究階段，沒有相應推廣使用的完整產品。因此，利用先進的三維掃描技術進行隧道結構零狀態普查是切合時宜的。

2 三維掃描隧道結構零狀態普查

傳統普查需配備一個具有豐富經驗的測量團隊，在測量過程中通常需增加測回數來保證測量精度，因此工作量較大。在普查環片收斂值時，需要采用全站儀進行斷面掃描，受制于工期和人工成本，未對所有的環片進行普查，而是間隔幾環甚至幾十環測量一個斷面。

相比之下，三維激光掃描技術可以全視場、精確和高效地獲取測量目標的三維坐標及影像數據[4]。如圖1所示，三維激光掃描技術應用于零狀態普查，需一臺掃描儀及若干靶球，2人～3人操作即可；掃描儀器操作相對簡便，對人員能力要求低，新手經簡單培訓后容易上手，極大降低人員成本；一次掃描能獲取整個隧道的三維點云及逐環結構特征，覆蓋全線所有斷面，顯著提高測量效率和精度；掃描點云經處理后可生成普查要求的成果：軸線偏差、斷面數據、限界測量、侵線檢測等[5]。除此之外，可生成傳統測量不具備的成果：錯臺、接縫張開、影像專題圖、結構病害等，為隧道結構安全評估提供數據基礎[6]。

圖1 隧道結構普查技術流程圖

3 工程實例

本次對佛山市2號線某區間采用德國Z+F IMAGER 5010C掃描儀靜態架站的方式進行結構普查，利用全站儀輔助測量定位。

3.1 三維激光掃描

三維掃描儀測量成果精度主要受激光到目標物體的入射角度、測量距離、激光分辨率、測量對象的反射特性及隧道區間環境等因素的影響。測量距離的遠近直接影響精度，為保證隧道內影像的清晰度及數據的精確度，各測站之間保證一定的掃描重疊度。

架站時，按每站掃描20環的跨度，在掃描儀前后10環內按菱形錯落各布設4個靶球；在臨近隧道地下控制點的管片上貼一組標靶點，利用全站儀設站定向測量標靶點的在地鐵絕對坐標系下的三維坐標。掃描儀在獲取隧道三維點云數據時，同步獲取靶球及標靶點的相對位置。為保證掃描數據的精確度，采用精細掃描模式，每測站掃描用時 4 min。

每測站掃描完成后搬站時，前進方向的靶球不動，將另一側的靶球向前移動，確保每2個掃描測站間具有4個公共的靶球。靜態三維掃描現場圖標靶點示意圖如圖2所示。

圖2 靜態三維掃描現場圖標靶點示意圖

3.2 數據處理

(1)點云拼接

每一個測站的掃描數據都是獨立的坐標系統。相鄰兩測站間擁有4個公共靶球，通過公共靶球完成站與站的拼接，使兩站坐標系統一。在控制靶球的拼接環節，通過設置閾值進行精度判定，當靶球超出閾值時，去除該靶球，重新利用其余靶球進行拼接，以確保控制靶球的拼接精度，如表1所示。

某兩站間(FS180360.zfs-FS180361.zfs)拼接靶球精度表 表1

靶球點位拼接較差在1 mm～3 mm間；點云拼接的精度會隨著測站數的增加而增加；在測站拼接過程中采用分段拼接，每分段約 200 m左右，避免拼接誤差的累積。

(2)點云校正

標靶點的地鐵絕對坐標由全站儀測得。隧道內的標靶點在點云影像中能很容易識別，經刺點后得到在自由坐標系內的坐標。通過公共標靶點建立從自由坐標系到地鐵絕對坐標系的轉換參數，從而將所有的點云數據校正歸算至地鐵絕對坐標系中。

(3)點云去噪

剔除隧道內影響斷面解算的噪音數據，主要是隧道內設施設備、人員等的點云數據[7]。

3.3 成果整理

利用絕對坐標系下的隧道點云數據，直接提取隧道逐環的中軸線數據、隧道直徑、環拼接塊間錯臺量；根據激光反射率經正射投影后生產隧道內壁正射影像，影像通過解譯得到隧道內的表觀病害。

4 數據分析

根據三維掃描形成的各類成果，結合《盾構法隧道施工及驗收規范》(GB 50446-2017)[8]的驗收規定，對成型后的隧道進行結構狀態普查分析：

4.1 中軸線

隧道中軸線表示了隧道的實際走向與位置。采用橢圓擬合法求解隧道中軸線，首先按環提取1個切片，然后對每個切片進行橢圓擬合，求解該環片的橢圓中心，隨后將每個環片的橢圓中心點集分別投影到水平面(平面)和豎直面(平面)，最后采用多項式擬合函數對水平面和豎直面上的點進行樣條擬合求出平曲線(平面上的樣條線)和豎曲線(平面上的樣條線)。平曲線與豎曲線構成隧道中軸線。

根據《盾構法隧道施工及驗收規范》(GB 50446-2017)的規定，成型地鐵隧道軸線平面位置和高程偏差需在 ±100 mm以內；從圖3、圖4所示，人工測量數據與掃描數據的中誤差為 7 mm，符合性較好；無隧道環片的軸線平面和高程偏差超出驗收控制值。

圖3 隧道結構中心線高程偏差對比圖

圖4 隧道結構中心線平面偏差對比圖

4.2 隧道內徑

在確保掃描斷面垂直隧道中軸線的前提下，每個掃描斷面均為隧道橫斷面。結合里程信息和影像中的環號信息，即可提取指定環號或指定里程的隧道橫斷面。隧道的收斂變形主要集中于襯砌螺栓接縫位置處，收斂變形往往與錯臺變形同步發展。為保證收斂解算的精度、穩定性及與傳統方法的一致性，采用求交法進行水平直徑解算。隧道結構水平直徑偏差對比圖如圖5所示。

圖5 隧道結構水平直徑偏差對比圖

隧道外徑為6 m，隧道收斂允許偏差為 36 mm，該段水平直徑偏差滿足規范要求。

4.3 環內錯臺

本區段隧道錯臺較為離散，大部分在驗收范圍內；在后續運營期間應加強對錯臺較大點進行觀測，以確保隧道結構安全，如圖6、圖7所示。

圖6 環內接縫編號規則示意圖(面向大環號方向自右上側逆時針編號)

圖7 隧道結構環內錯臺示意圖

4.4 病害

隧道內存在少量濕跡；有少數管片邊角存在輕微壓損，結構破損已修補，多為施工期管片應力集中所致；未發現評估范圍內管片有結構裂縫的存在，如圖8所示。

圖8 隧道內影像

4.5 小結

評估分析統計表 表2

結合目前分析結果(表2)，該區段內隧道軸線偏差、管片錯臺量、襯砌環橢圓度均滿足驗收要求。綜上，通過多指標綜合評估，當前范圍隧道結構狀況基本完好，但局部存在缺陷，應在后續運營過程中定期進行隧道的健康監測。

5 結 論

采用三維激光掃描技術進行結構普查存在以下優勢：確保檢測精度、提高檢測效率、降低人力物力成本、豐富檢測成果。通過檢測成果對盾構襯砌常見病害進行提取：滲漏、錯臺、裂縫與破損等，方便從實際所處環境的勘察設計入手，掌握結構所在工程和水文地質環境，詳細分析形成內因，正確判斷隧道襯砌的損害程度，查明病害原因，因地制宜地采取有效的防治措施，將隧道被動事后修復變為主動式防護，使得隧道結構更有安全保障。而且能夠為今后運營維護提供更可靠、直觀、全面的隧道結構初始數據以及方便地鐵維保的精細化管理。