基于激光掃描的地鐵隧道收斂變形快速檢測技術*

劉新根 許敏娟 邢智馨

(1.上海同巖土木工程科技股份有限公司， 200092，上海；2.上海地下基礎設施安全檢測與養(yǎng)護裝備工程技術研究中心，200092，上海;3.昆明地鐵運營有限公司， 650011，昆明∥第一作者，高級工程師)

隧道結構安全狀態(tài)是地鐵運營監(jiān)護的重點，而其變形監(jiān)測則是重中之重。目前，傳統(tǒng)的隧道結構收斂變形檢測主要采用人工手持位移收斂計進行測量，工作效率低且數(shù)據(jù)覆蓋性差。除此之外，還有通過預安裝激光測距儀進行隧道收斂變形監(jiān)測的方法，但其前期投入及后期運營維護成本均很高，且不能全隧道覆蓋測量。三維激光掃描技術能夠高密度、高分辨率、非接觸地獲取對象表觀海量點云數(shù)據(jù)，是較為理想的隧道變形測量方法。

文獻[1]提出了從原始激光測距數(shù)據(jù)集中提取隧道輪廓線的方法,精度可達±0.5 mm。文獻[2]提出了一種通過視覺輔助、激光測距和自動測量周圍標記的巖體位置相對變化方法。文獻[3]將三維激光掃描儀與組合軌道導航車、慣性系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)了隧道數(shù)據(jù)的自動化采集。文獻[4]提出了隧道輪廓三維激光掃描橫斷面提取的高效方法，提高了隧道收斂變形監(jiān)測的效率。文獻[5]通過試驗改進地面激光掃描的測量方法，從而減小系統(tǒng)測量誤差。文獻[6]基于三維激光掃描數(shù)據(jù)，提出了一種連續(xù)截取地鐵隧道斷面的方法，單點掃描精度為2 mm。文獻[7]利用三維激光掃描技術獲得隧道內部結構點云數(shù)據(jù)，并進行點云環(huán)片提取分析變形。文獻[8]將三維激光技術引入隧道變形監(jiān)測中，實現(xiàn)了隧道收斂快速高效監(jiān)測。文獻[9]將三維激光掃描儀運用到海底隧道施工安全監(jiān)測中，偏差在4 mm以內。文獻[10]基于三維激光掃描技術，提出了基于激光點云的隧道斷面連續(xù)提取與形變分析方法。文獻[11]使用GRP5000移動激光掃描系統(tǒng)，以不超過1.8 km/h的推行速度對運營期盾構隧道進行檢測。文獻[12]提出針對地鐵隧道橫向變形的移動檢測方法，誤差控制在2 mm以內。文獻[13]提出了基于特征點的改進算法，提高了地鐵隧道三維激光掃描數(shù)據(jù)的配準效率。文獻[14]提出了基于k維二叉樹(kD-tree)和法向量估計的局部點云簡化方法，改進了BaySAC算法的三維激光點云二次參數(shù)曲面擬合方法。

綜上，多數(shù)研究是基于激光掃描技術進行靜態(tài)監(jiān)測的，數(shù)據(jù)處理中人工干預較多，移動測量速度較慢，難以滿足作業(yè)要求。本文基于激光掃描數(shù)據(jù)處理技術，提出一種高精度組合里程定位修正方法，研制的移動式地鐵隧道結構變形檢測車可為地鐵隧道變形提供高效、精準的非接觸移動式測量。

1 隧道收斂變形檢測技術

1.1 移動式激光斷面掃描

三維激光掃描是一種非接觸式測量技術，利用激光測距原理能夠快速掃描被測物體表面并獲取大量密集點的三維坐標、反射率等信息。通過對激光掃描數(shù)據(jù)進行預處理(噪點剔除、坐標修正等)，再通過曲線擬合結果與隧道輪廓的設計值或歷史掃描數(shù)據(jù)比對，即可獲得這一時段隧道各方向的收斂變形。

圖1 移動式激光掃描示意圖Fig.1 Diagram of mobile laser scanning

移動式激光掃描示意圖如圖1所示。由圖1可知，地鐵隧道移動式激光掃描是利用軌道移動激光掃描設備對隧道進行螺旋式運動掃描，其縱向掃描間距與激光掃描轉速、移動速度有關。例如，當激光掃描儀頻率為100 Hz、移動測量速度為10 km/h時，其三維激光掃描環(huán)間理論間距為2.78 cm，故在實際掃描測量時，需依據(jù)測量精度，綜合選用激光掃描移動速度和掃描轉速。中國工程建設標準化協(xié)會標準T/CECS 10024—2019《公路隧道檢測車》規(guī)定：隧道激光掃描縱向點間距宜小于100 mm。考慮到地鐵隧道結構變形控制更為嚴格，故對于地鐵隧道激光掃描環(huán)間距Ls不宜大于50 mm。

1.2 高精度里程定位

地鐵隧道收斂變形計算需要對相同位置的前后檢測數(shù)據(jù)進行對比才能確定，故檢測數(shù)據(jù)需要較高的里程定位精度。常規(guī)的檢測車定位方式為：通過安裝于車輪上的編碼器轉動時激發(fā)的脈沖數(shù)換算而獲得距離測量。但由于編碼器的長距離測量累計誤差較大，難以滿足收斂變形的測量精度。

本文提出編碼器+圖像特征高精度組合里程定位修正法，其定位修正步驟如下：

步驟1：利用檢測車測距輪(內置高精度光電編碼器)對里程L進行初步定位，并通過時間t將激光掃描數(shù)據(jù)S與L進行關聯(lián)。

步驟2：利用數(shù)據(jù)S生成激光點云二維展布圖，對展布圖上的結構環(huán)縫、百米標、設備箱等特征點信息進行自動識別。當?shù)V山法隧道無明顯結構特征時，可以預先貼或刷一些定位標簽，通過所識別的特征點信息反算對應的激光掃描數(shù)據(jù)Si(i為不同掃描點編號)，并從預設的特征信息里程數(shù)據(jù)庫中獲得其真實里程Lr。

步驟3:通過Si可獲得其對應的采集時間ti，通過ti進一步獲得對應的測量里程Li，此時，將Li值取為Lr，期間里程數(shù)據(jù)按均一化進行修正。

步驟4：對各識別的特征點處的里程依據(jù)步驟2和步驟3進行逐一修正，則可極大地降低編碼器距離測量誤差，并消除距離測量累計誤差，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)厘米級絕對定位和毫米級相對定位，其修正原理如圖2所示。

圖2 高精度組合里程定位修正誤差示意圖

1.3 激光掃描數(shù)據(jù)預處理

隧道激光掃描數(shù)據(jù)預處理主要包括噪點剔除、掃描點空間坐標轉換及空間平面投影。

1.3.1 噪點剔除

受隧道內部線纜、照明系統(tǒng)、逃生平臺、設備箱等因素的影響，在激光掃描過程中不可避免地會產生與隧道結構無關的噪點，如圖3所示，噪點會直接影響隧道斷面輪廓擬合的效率和精度。

圖3 隧道激光掃描噪點示意圖Fig.3 Diagram of tunnel laser scanning noise

為能有效地剔除掃描噪點，基于隧道結構特征和斷面三維激光掃描儀工作特點，通過距離最小二乘法多次迭代進行單環(huán)掃描噪點剔除，最終實現(xiàn)整個隧道點云數(shù)據(jù)的除噪。

矩形隧道激光掃描噪點剔除示意圖如圖4所示。對于矩形隧道，通過距離最小二乘法對掃描點進行初步曲線擬合，并設定距離閾值DT，計算各掃描點距擬合矩形的垂直距離Di，并依據(jù)下式對掃描點F進行剔除，則有：

(1)

重復上述步驟，并調整距離閾值，如取DT的一半，再次進行噪點剔除，通過2～3次迭代即可。同理對于盾構隧道，亦可以通過圓或橢圓擬合方式進行多層次迭代噪點剔除(該方法的專利號為：ZL201810039089.0)。

1.3.2 掃描點空間坐標轉換

利用隧道斷面輪廓激光掃描點進行收斂變形檢測時，需將掃描環(huán)上的各激光點轉換到同一掃描空間平面內，掃描點空間坐標轉換方法如下。

1) 取當前掃描環(huán)前3個掃描點組成一個空間平面，記為V，并構建直角坐標系T，如圖5所示，其坐標原點為(0,0,0)，坐標系Oxy位于平面V內。

圖5 激光掃描系統(tǒng)直角坐標系示意圖Fig.5 Diagram of laser scanning system Cartesian coordinate

2) 掃描點通過坐標轉換至直角坐標系T中，轉換方法為：

(2)

式中：

(x,y,z)——舊坐標系激光點P的坐標；

(x′,y′,z′)——新坐標系(即激光掃描儀設備坐標系)激光點P′的坐標；

A——轉軸變換系數(shù)矩陣；

B——平軸變換系數(shù)矩陣；

x0、y0、z0——平移變換矩陣系數(shù)；

α1、β2、γ3——新舊坐標系x軸、y軸、z軸之間的夾角，可以通過三軸動態(tài)傾角測量獲得；

α2、α3、β1、β3、γ1、γ2——矩陣A中的對應系數(shù)，由α1、β2、γ3計算獲得。

由于在實際激光掃描中，單激光掃描環(huán)的移動距離一般小于5 cm且沿軌道行駛，在較短的移動距離內A和B可進一步簡化為：

(3)

(4)

式中：

ΔL——掃描點對應當前掃描環(huán)第1個點的掃描儀移動距離。

由于基于激光掃描點進行隧道收斂變形計算僅需用到激光點(x，y)坐標，且坐標系Oxy位于平面V內，故可令z=0，則式(4)可進一步簡化為：

(5)

重復步驟2)，可完成對當前掃描環(huán)后續(xù)激光掃描點的空間坐標轉換。

1.4 隧道區(qū)段收斂變形分析

隧道結構一定區(qū)域(如縱向1 m環(huán)寬)或單環(huán)管片內會存在多個激光掃描環(huán)點云數(shù)據(jù)，如圖6所示。通過對預處理后的每個激光掃描環(huán)點云數(shù)據(jù)進行曲線擬合并均值處理，可獲得當前隧道結構區(qū)域內的曲線擬合參數(shù)。利用曲線擬合參數(shù)與隧道設計參數(shù)或前一次檢測擬合的曲線參數(shù)進行比對，可獲得當前隧道斷面的收斂變形值。

圖6 單管片環(huán)激光掃描示意圖Fig.6 Diagram of single segment ring laser scanning

本文所提方法基于隧道一定區(qū)域內的激光掃描數(shù)據(jù)進行收斂變形計算，可反映結構的整體變形，并避免或減少單環(huán)掃描數(shù)據(jù)定位和擬合誤差，有效提高隧道收斂變形計算的穩(wěn)定性和精度。

2 檢測裝置及軟件研制

2.1 檢測裝置研制

變形檢測車如圖7所示。集成上述成果，研制了地鐵隧道變形檢測車TDV-S3，主要由軌檢小車和二維激光斷面掃描儀Profiler 9012組合而成。Profiler 9012掃描儀測距分辨率為0.1 mm，旋轉速度高達200 Hz，單圈掃描點數(shù)5 024個，數(shù)據(jù)采集可達百萬點/s，可滿足0～10 km/h的檢測速度要求。檢測車上搭載有動態(tài)傾角儀、編碼器、測距輪、路由器、電池和計算機等設備。檢測車的主要功能有：于軌道上均勻移動檢測車對盾構隧道結構輪廓進行快速、非接觸數(shù)據(jù)采集，點云數(shù)據(jù)用于隧道斷面變形的檢測。

圖7 變形檢測車Fig.7 Deformation detection vehicle

2.2 軟件研制

基于上述研究成果，利用C++編程語言，開發(fā)了變形檢測車配套數(shù)據(jù)采集和處理軟件。數(shù)據(jù)采集軟件主要用于控制各采集裝置的數(shù)據(jù)采集和存儲，并實時顯示相關分析結果。數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能有：激光掃描數(shù)據(jù)自動解析，環(huán)縫自動識別，收斂變形分析，激光掃描二維展布圖，三維隧道點云模型及檢測報告自動生成等。

3 工程試驗與應用

3.1 動態(tài)傾角儀測量精度試驗

變形檢測車對激光掃描數(shù)據(jù)進行預處理時，需要實時獲得車體運動過程中的傾角數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可通過安裝于車體內的動態(tài)傾角儀測量獲得，其分辨力為0.01°。為驗證傾角儀在移動過程中測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，進行了實地測量試驗。選取一段200 m長的廢棄鐵路軌道，每隔10 m做好標記，首先利用傾角儀對各標記點處進行靜態(tài)測量，并記錄數(shù)據(jù)；然后，檢測車以5 km/h的速度進行動態(tài)測量，并自動獲得各標記點處的傾角數(shù)據(jù)，將靜態(tài)測量和動態(tài)測量的數(shù)據(jù)進行對比分析。

橫滾動態(tài)測量與靜態(tài)測量對比如圖8所示。俯仰動態(tài)測量與靜態(tài)測量對比如圖9所示。橫滾動態(tài)測量和靜態(tài)測量的最大差值為0.046°，最小差值為-0.049°，差值均值為0.027°。俯仰動態(tài)測量和靜態(tài)測量的最大差值為0.246°，最小差值為-0.184°，差值均值為0.06°。依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》：曲線最大超高應為120 mm(角度為4.78°)，線路縱向最大坡度為4%(角度為2.29°)。可見，傾角儀動態(tài)測量的誤差值均遠小于上述規(guī)范規(guī)定值，滿足檢測車姿態(tài)測量的要求。

圖8 橫滾動態(tài)測量與靜態(tài)測量對比圖

圖9 俯仰動態(tài)測量與靜態(tài)測量對比圖

3.2 檢測車重復性試驗

利用變形檢測車對昆明地鐵2號線2個區(qū)間共1 820個環(huán)管片，36 h內進行2次重復性測量試驗，檢測速度約為5 km/h。水平和垂直內直徑重復測量差值柱狀圖如圖10所示。由圖10可知，水平內直徑差值(單位：mm)落在[-1,+1]共計1 499環(huán)、落在[-2,+2]共計1 791環(huán)、落在[-3,+3]共計1 820環(huán)，分別占總環(huán)數(shù)的82.36%、98.41%和100.00%；垂直內直徑差值(單位:mm)落在[-1,+1]共計1 309環(huán)、落在[-2,+2]共計1 697環(huán)、落在[-3,+3]共計1 800環(huán)，分別占總環(huán)數(shù)的71.92%、96.21%、98.90%。基本符合正態(tài)分布規(guī)律，復測精度為±2 mm，多數(shù)可達到±1 mm。試驗表明：檢測車測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理算法具有較高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

圖10 重復測量水平和垂直內直徑差值柱狀圖

3.3 工程應用

利用研制的地鐵隧道收斂變形快速檢測車對昆明地鐵3號線和6號線的區(qū)間隧道進行了多次全覆蓋檢測。通過檢測車對昆明地鐵3號線某區(qū)間隧道進行了2次檢測，掃描間隔為3個月，第1次檢測距隧道建成已5年(3號線開通運營1年多)，隧道內直徑為5 500 mm。激光掃描檢測得到的年度水平收斂變形結果如圖11所示。季度水平收斂變形δh結果如圖12所示。

由圖11可知，δh最大值為31 mm，97%的管片環(huán)δh值小于22 mm(直徑變化量的4‰)，位于22～33 mm之間的管片環(huán)數(shù)占比為3%，根據(jù)CJJ/T 289—2018《城市軌道交通隧道結構養(yǎng)護技術標準》可知，隧道管片變形健康度評定絕大多數(shù)為1級，少部分為2級，總體狀況良好，對于健康度為2級的管片環(huán)，下次檢查中可重點關注。由圖12可知，該區(qū)段盾構隧道單個季度的收斂變形最大值為8 mm，總體位于[-5 mm,5 mm]，由于檢測時間間隔短，隧道結構變形基本無變化。

圖11 隧道結構年度水平收斂變形曲線Fig.11 Curve of tunnel structure annual horizontal convergence deformation

圖12 隧道結構季度水平收斂變形曲線Fig.12 Curve of tunnel structure quarterly horizontal convergence deformation

通過工程實際應用，檢測車在移動檢測作業(yè)中具有較高的檢測精度和穩(wěn)定性，可顯著提升檢測效率，并且其變形檢測結果對隧道養(yǎng)護處治具有重要的參考價值。

4 結論

1) 依據(jù)激光掃描系統(tǒng)對隧道斷面輪廓區(qū)段或管片環(huán)進行收斂變形快速移動檢測，可同時兼顧檢測精度和效率，是靜態(tài)定點測量的有益補充。

2) 采用編碼器+圖像特征高精度組合里程定位修正方法，可實現(xiàn)檢測系統(tǒng)厘米級絕對定位和毫米級相對定位。

3) 集成上述研究成果，研制了地鐵隧道結構變形快速檢測車，開發(fā)了配套數(shù)據(jù)處理軟件，可自動進行數(shù)據(jù)預處理和計算分析，工程試驗和實際應用結果表明：檢測車系統(tǒng)采集精度為±2 mm，具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，可滿足隧道變形檢測普查要求。