移動三維激光技術在隧道環片收斂監測中的應用

王 寧，李捷斌

（1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.咸陽市數字城市與地理空間大數據技術重點實驗室，陜西 咸陽 712000）

我國地鐵隧道結構主要以盾構法施工，隧道結構通過預制管片錯縫拼接成環，形成供列車行駛的封閉空間。地鐵隧道運營期間由于管片老化、技術條件、地質條件變化等影響，環片內徑不斷發生改變，嚴重危害隧道結構的健康，威脅地鐵隧道運營安全，因此徑向收斂監測一直受到地鐵運營公司的高度重視[1]。CJJ/T 289-2018《城市軌道交通隧道結構養護技術標準》[2]和GB/T 39559.3-2020《城市軌道交通設施運營監測技術規范第3部分：隧道》[3]中對運營期間隧道管片徑向收斂進行了明確規定。傳統徑向收斂監測是在列車停運后監測員利用全站儀、測距儀、收斂儀等設備對區間內的環片進行抽樣監測，不僅監測速度慢、監測點稀疏，而且監測成果不全面，存在大量監測盲區。如何快速全面地進行隧道環片監測一直是行業關注的問題。三維激光掃描技術是一種新型非接觸式高精度測量技術，通過高速激光測距技術獲取被測物體的空間、幾何信息等。目前該技術高速發展，精度不斷提高，可達每秒百萬點云數據的采集效率，可大幅提高測量速度。針對隧道結構收斂監測的特殊工程需求，該技術恰巧能彌補目前傳統監測技術的不足。冶存璽[4]等采用站式激光掃描技術采集、拼接地鐵隧道結構點云，采用橫斷面分層切片的方式提取隧道斷面；聞永俊[5]采用全站儀、掃描儀、標靶球相結合的方式獲取點云數據，利用全站儀對各站靶球進行定位，統一各站點云數據坐標系，降低了點云拼接誤差；唐琨[6]等利用區段擬合方法提取中軸線節點，通過中軸線上節點坐標偏移量提取隧道結構變形量。移動三維激光掃描技術是架站式技術的進一步發展，不僅擁有架站式掃描快速獲取點云的能力，而且克服了架站式掃描數據采集慢、點云拼接麻煩的缺點，利用軌道式掃描作業方式更加符合地鐵隧道距離長、空間狹小、呈帶狀分布的特點。因此，本文采用移動三維激光掃描技術徑向收斂方法對某地鐵線路區間盾構環片進行全覆蓋掃描采集，再利用后處理軟件對隧道內環片進行逐環批量自動化提取，并根據提取的環片信息逐環監測環片徑向收斂變化值。該方法不僅提高了監測效率、縮短了監測周期，而且彌補了傳統監測存在的大量盲區以及架站式掃描數據拼接慢、誤差大等缺陷，將成為未來地鐵隧道結構變化監測技術的發展趨勢。

1 隧道結構徑向變形

1.1 環片徑向變形

地鐵盾構隧道是由多個大小不一的預制管片拼接而成的，每個管片嚴格按照其設計要求預制加工，盾構機在掘進過程中將管片按照一定規則進行拼裝，形成標準圓環隧道。地鐵運營期間隧道環片周邊承載力發生變化，導致環片不斷偏離最初設計形狀。如圖1所示，環片設計標準外徑為R，內徑為r，由于環片周圍壓力P1、P2、…、Pn各不相同，環片形狀由設計標準圓變成近似橢圓。因此，在地鐵運營期間必須對隧道環片的變化趨勢和變化量進行監測，徑向收斂監測是判斷環片與設計偏差量的重要指標。

圖1 隧道環片變形示意圖

1.2 傳統收斂監測方法

傳統環片徑向監測方法主要包括定點觀測法、全站儀擬合法和收斂傳感器監測法，通過在環片對應兩側設定監測點或埋設傳感器的方式獲取環片收斂變形。全站儀擬合法通過在環片內隨機均勻測量9～12個監測點坐標擬合環片橢圓，獲取水平收斂變化量[7-8]。然而，上述方法均采用環片抽測的方式，且抽測環片僅有少量監測點進行收斂監測計算，因此在環片收斂監測中存在較大的監測盲區，且監測效率較低。移動三維激光掃描技術具有測點密、速度快、精度高等優點，近年來在隧道環片監測中逐步得到應用。

2 移動三維激光掃描技術分析

2.1 移動三維激光掃描技術的基本原理

移動三維激光掃描技術由傳統地面站掃描技術發展而來，融合了激光掃描、定位定姿、時間與空間同步技術、通信技術等[9]。利用運營地鐵線路的軌道，以電力驅動小車為載體，將斷面掃描儀與平臺相結合，采集設備平臺沿地鐵軌道勻速前進，斷面掃描儀不斷向隧道壁發射激光獲取隧道壁結構點云，隨著采集長度的增加，在移動方向構建一個空間維度[10]，實現隧道結構數據的三維采集（圖2）。隨著掃描距離的增加，獲取的點云數據不斷增加，按照空間和時間將掃描后的海量點云數據展開，完整保留隧道結構的幾何形態。以海量點云為基礎，對點云數據進行分割提取，進而對隧道環片進行逐環收斂分析。

圖2 移動三維激光點云獲取原理圖

2.2 三維激光收斂監測方法

采用三維激光點云數據進行隧道環片斷面收斂監測的基本思想為：通過點云預處理對整個區間的點云數據進行融合去噪，盡可能剔除對結構斷面提取影響較大的噪聲，并將隧道真實里程與點云長度進行融合，保證隧道點云與隧道環片的空間配準[11]。逐環斷面提取的核心是將去噪后的點云數據，沿天頂方向隧道中心線展開，構建隧道點云圖像，采用圖像識別方法獲取相鄰環片的拼接縫。由于激光點云是大量離散點，因此通過點云對環片直接逐環切割較為不便，需將點云數據投影展開。本文采用的數據采集激光器為德國Z+F9012掃描儀。該激光器每秒200轉，可獲取100萬點，即單幀（一個螺旋）約有5 000個激光點，因此柵格化格網最多不能超過5 000個網格，點云柵格化網格橫向大小為4 931。根據隧道內徑為5.4 m，可計算得到每個格網的寬度約為3.44 mm，因此每個單元網格正方形縱向寬度設置為3.44 mm。由于自研數據處理軟件界面設計每張圖像鋪滿軟件顯示區域為縱向6848個單元格網，因此將點云投影到構建的4 931×6 848的格網中，對點云數據進行柵格化處理，實現激光點云數據向灰度圖像的轉換。點云柵格化示意圖如圖3所示。

圖3 點云柵格化示意圖

式中，Tij為圖像矩陣中(i，j)位置的灰度值；Iij為位于點云(i，j)柵格內點的強度值；n為該柵格內的投影點云數量。

灰度影像展開以隧道頂部中心線為基準，因此灰度影像的中線與隧道的中線保持一致，地鐵隧道常用的環片寬度為1.2 m或1.5 m，數據處理軟件已對其進行預設，也可根據實際工程中環片的寬度在數據處理軟件中設定和修改。環片縫的識別，首先利用環片寬度以及工程起始和終止里程對環片縫進行粗定位，由于柵格化后的隧道影像為灰度影像，圖像中每個柵格的灰度值在0～255之間，因此利用灰度圖像梯度變化在粗定位環片縫的兩側寬度30 cm內進行圖像梯度分析；再根據環片拼接縫方向與隧道縱軸反向垂直且貫穿的特點，實現環片拼接縫的精識別。如圖4所示，經過人工簡單交互檢查，確定每個環片的位置信息，進而反向確定環片點云分割位置，完成隧道結構點云的逐環分割。

圖4 環片拼接縫識別

通過單環點云計算該環片中心斷面的位置，通過多次試驗發現，激光掃描儀獲取單幀點云（360°）約有5 000個點，每幀間隔約為2～3 mm，隧道內部存在電纜、支架、螺栓孔等，若以單幀點云進行斷面分析，易存在較大誤差。為保障提取的斷面點云能更好地體現環片結構，經過多次試驗發現，在環片中心斷面位置兩側取寬度為10 cm的點云（約20萬點）來分析該環片的斷面結構狀態，既能最大程度降低結構附屬物干擾，又能提高計算效率。由于環片受力不均衡，且環片形變具有不確定性，運營期間環片斷面已非標準設計斷面，為了精確計算變形后斷面的結構情況（長軸、短軸、水平距離），本文提出了隨機抽樣一致性（RANSAC）算法與最小二乘相結合的方法。其基本流程為：首先通過RANSAC算法將提取的包含“局外點”（噪點）的斷面點云數據集，以迭代的方式估計最佳數學模型參數；再將集合中所有點云帶入最佳數學模型，從而剔除誤差較大的噪點[12-13]；然后利用最小二乘法對去噪后的點云數據進行最小二乘擬合，進而得到與環片實際最佳吻合的斷面點。將最佳點云帶入橢圓的一般方程，即

由于斷面點云不是一個嚴格標準的橢圓結構，因此將提取斷面點云的坐標帶入標準橢圓方程存在偏差。該偏差的計算公式為：

由式（3）計算得到橢圓方程的參數（A～E），再代入式（2）得到與該環片斷面點云最佳近似橢圓一般方程，最后通過得到的橢圓一般方程參數計算得到橢圓圓心、橢圓長短半軸以及長軸與水平方向的夾角。

通過橢圓度公式（式（7）），可計算得到該斷面的橢圓度，即為該環片的橢圓度。

根據得到的最佳近似橢圓的圓心坐標以及長軸與水平方向的夾角，通過計算機逐環提取圓心兩側斷面點云的實際水平距離，以此作為該環片的水平收斂監測值，并與環片設計值進行對比，以監測環片結構的變化量，如圖5所示。

圖5 收斂分析示意圖

移動三維激光收斂監測技術點云獲取速度快、精度高、點云密度大，斷面提取效率高，通過單次掃描可快速實現逐環提取，并與隧道斷面設計值進行比較，進而監測運營后隧道環片的幾何形變情況。通過定期多頻次監測可獲取環片結構隨運營時間的變化趨勢，為地鐵結構的長期運維提供數據服務。該技術彌補了傳統單點收斂監測的不足，采用計算機自動化收斂分析將傳統收斂監測由抽樣監測轉變為逐環普查，監測結果更加完善準確。

3 工程案例分析

為了驗證該方法的可行性，本文以我國中部城市某地鐵區間收斂監測項目為例，項目區間全部采用本文技術方法，快速實現隧道環片的逐環收斂監測。

3.1 工程概況

該工程項目為盾構法施工區間，盾構環設計外徑為6.0 m，設計厚度為0.3 m，拼裝成環后內徑為5.4 m，環片寬度設計為1.5 m，左線區間起止里程為K6+986.872～K8+023.689，共692個環片，右線區間起止里程為K6+985.984～K8+023.645，共693個環片，長度共計約2.1 km。采用傳統監測方式監測該區間需由多個作業組采用全站儀耗時3～4個作業天窗期才能完成，且抽樣間隔為30環，每環12個觀測點，監測效率底，監測成果存在大量盲區；而采用移動三維激光掃描技術對該區間進行水平收斂監測，僅一個作業天窗即可完成全部環片的數據采集，逐環水平收斂分析和成果分析輸出需1.5 h，極大地提高了監測效率和成果數據的完整性。

3.2 成果與分析

根據項目要求，本文將監測水平收斂值與環片設計直徑進行比較，收斂變化量分別以50 mm、70 mm、100 mm為參考值，得到各參考值之間的環片數量和區間占比，如圖6所示。

圖6 水平收斂成果分布圖

該區間環片標準設計內徑為5.4 m，由監測成果可知，左線水平收斂變形有39環超過70 mm，超過5.47 m，如圖7左線紫色標記位置所示，其中有1環收斂變形超過100 mm，超過5.5 m，為隧道出口第691環；右線水平收斂有6環超過70 mm，如圖7右線紫色標記位置所示，但均在100 mm以內，該區間內大于70 mm環片成果如表1所示。由逐環收斂折線圖可知，區間內收斂變形較大的區域主要集中在盾構隧道出口，區間右線收斂情況比左線好。

表1 水平收斂成果表

圖7 逐環水平收斂監測成果

4 結語

隧道環片徑向收斂監測是地鐵運營安全監測的重要內容，是保障運營期結構安全一項重要的監測指標，但由于地鐵線路長、環片數量多，傳統監測過程復雜，導致以往水平收斂監測工作只能采用抽樣監測的方式。移動三維激光掃描技術不僅監測速度快、內業處理自動化效率高、數據信息獲取全面，而且彌補了傳統水平收斂監測的不足，為地鐵運營隧道結構安全提供了技術支撐，為管理部門的科學管理提供了依據。