基于三維掃描的淺埋暗挖地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘要：淺埋暗挖地鐵隧道因其施工周期短、對(duì)地面交通影響小等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，然而其變形監(jiān)測(cè)存在著諸多難點(diǎn)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式具有一定局限性，無法滿足實(shí)際工程需要。鑒于此，以某城市地鐵隧道工程為例，探討三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用要點(diǎn)，并分析其未來應(yīng)用前景和發(fā)展方向，旨在為地鐵隧道建設(shè)和運(yùn)營提供技術(shù)支持，進(jìn)而提高地鐵隧道的安全運(yùn)營水平。

關(guān)鍵詞：三維掃描；地鐵隧道；點(diǎn)云處理；監(jiān)測(cè)技術(shù)

0 " 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，淺埋暗挖地鐵隧道的施工方式因施工周期短、對(duì)地面交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而地鐵隧道建設(shè)中存在許多變形監(jiān)測(cè)難點(diǎn)，如何及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)地鐵隧道的變形情況，成為保障地鐵隧道施工和運(yùn)營期間安全的重要課題[1]。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式存在著監(jiān)測(cè)點(diǎn)有限、監(jiān)測(cè)精度不高、監(jiān)測(cè)周期較長等問題，難以滿足實(shí)際工程需要[2-3]。而三維激光掃描技術(shù)可以快速、精確地獲取地鐵隧道各個(gè)部位的三維形態(tài)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位、全時(shí)段、無死角的監(jiān)測(cè)[4-5]，并且監(jiān)測(cè)精度高、監(jiān)測(cè)范圍廣，可以提高地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的效率和精度，為地鐵隧道的施工和運(yùn)營期間安全提供有力保障。本文將依托某城市地鐵隧道工程，探討基于三維激光掃描的隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 " 工程難點(diǎn)

某城市地鐵隧道里程Y（Z）DK23+996.000～Y（Z）DK24+

489.712為暗挖段，其下穿某市政主干道。該段隧道的圍巖等級(jí)僅為VI級(jí)，上部主要為土層及基巖強(qiáng)風(fēng)化，地下水較豐富。由于施工過程中存在著圍巖等級(jí)低、埋深淺等諸多挑戰(zhàn)，使得傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法難以滿足實(shí)際工程需要。監(jiān)測(cè)精度不高、監(jiān)測(cè)周期較長等問題，導(dǎo)致施工過程中的不確定性增大，施工方案合理性難以量化，給施工難度和風(fēng)險(xiǎn)帶來很大挑戰(zhàn)。

2 " 三維激光掃描監(jiān)測(cè)隧道變形的優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描利用激光測(cè)距儀器，采集被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)和反射率信息，構(gòu)建出三維點(diǎn)云模型及各種圖件數(shù)據(jù)。它具有測(cè)量速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于測(cè)繪和隧道領(lǐng)域，可快速獲取不同工序的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)隧道質(zhì)量檢測(cè)的從點(diǎn)到面的跨越。

三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)方面具有以下優(yōu)勢(shì)：一是精度高。可以快速、準(zhǔn)確地獲取隧道全斷面的三維數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法精度更高。二是效率高。可以快速地獲取大量數(shù)據(jù)，提高監(jiān)測(cè)效率。三是應(yīng)用范圍廣。可以全面監(jiān)測(cè)隧道的變形情況，監(jiān)測(cè)范圍更廣。四是自動(dòng)化程度高。其數(shù)據(jù)處理更加方便和快捷，可以實(shí)現(xiàn)定量分析和定性分析。

3 " 三維激光掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)

地鐵隧道淺埋暗挖施工三維變形監(jiān)測(cè)流程如下：數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備→測(cè)站布設(shè)→靶標(biāo)球的布設(shè)→數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置→點(diǎn)云降噪處理→點(diǎn)云配準(zhǔn)→三維變形對(duì)比→結(jié)果輸出。

3.1 " 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 " 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備

在進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集之前，確認(rèn)測(cè)量儀器和配件是否完好，包括徠卡P50型三維激光掃描儀、靶標(biāo)球、筆記本電腦等設(shè)備。

3.1.2 " 采集站點(diǎn)布設(shè)

為了高精度的數(shù)據(jù)提取，需要在現(xiàn)場(chǎng)考慮多個(gè)因素，如儀器性能、數(shù)據(jù)提取精度、站點(diǎn)通視等。計(jì)劃每40m進(jìn)行一個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并通過多個(gè)站點(diǎn)的云數(shù)據(jù)拼接，獲得完整的監(jiān)測(cè)對(duì)象模型，提高采集效率并減小誤差。掃描設(shè)站示意圖如圖1所示。

為確保高精度的掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，需要在待測(cè)區(qū)域內(nèi)放置6個(gè)靶標(biāo)球，每個(gè)站點(diǎn)至少使用3個(gè)靶標(biāo)球，并確保靶標(biāo)球與掃描儀之間的距離在15～20m之間。靶標(biāo)球應(yīng)該以不規(guī)則排列的方式擺放，且靶標(biāo)球之間間距應(yīng)該保持在1～4m之間（過小或過大的間距都會(huì)影響精度），以有效避免拼接點(diǎn)云出現(xiàn)“分層現(xiàn)象”。

3.1.3 " 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

一是地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。建議在凌晨進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將掃描儀放置在人行道上，推薦使用270m的掃描距離和6.2mm/10m的分辨率。每個(gè)站點(diǎn)的采集時(shí)間為2min，總共耗時(shí)約45min。掃描儀之間的合理距離為50m。此方法比傳統(tǒng)測(cè)量更高效。圖2所示為現(xiàn)場(chǎng)地表采集情況。圖3所示為地表采集點(diǎn)云。

二是隧道內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集。隧道掃描采用徠卡P50型掃描儀，將其安放在隧道中央，以避免安全風(fēng)險(xiǎn)。每站采集參數(shù)相同，掃描距離模式為120m，掃描分辨率為3.1mm/10m，每站采集時(shí)間約為3min。現(xiàn)場(chǎng)隧道內(nèi)采集情況如圖4所示。隧道采集點(diǎn)云如圖5所示。

3.2 " 點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪處理

雙邊濾波是一種非線性濾波算法，主要用于降低圖像和點(diǎn)云中的噪聲，同時(shí)保留其細(xì)節(jié)信息。該算法基于點(diǎn)之間的距離和差異度來計(jì)算權(quán)重函數(shù)，通過調(diào)整參數(shù)可以控制平滑度。相比其他濾波算法，它更適用于處理具有復(fù)雜紋理和結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云，不會(huì)導(dǎo)致模糊化，并且能夠更好地處理非高斯噪聲。其算法公式如下：

p'=pi+λni " " " " " " " " （1）

其中，p'為點(diǎn)云數(shù)據(jù)中任意采樣點(diǎn)，ni為p'的法向量。λ為雙邊濾波算子，表示采樣點(diǎn)沿法向移動(dòng)的距離，其計(jì)算公式如下：

（2）

其中，Nk（pi）為點(diǎn)pi的鄰域，Wc和Ws分別為距離權(quán)重函數(shù)和特征保持權(quán)重函數(shù)。Wc取值越大，表明模型越光滑，Ws取值越大，表明模型的特征保持性能越好。ni，pj-pi為ni和pj-pi的內(nèi)積。算法的核心在于通過選擇合適的權(quán)重函數(shù)和參數(shù)，使得濾波后的點(diǎn)云既能夠去除噪點(diǎn)，同時(shí)又能夠保持其細(xì)節(jié)信息和形態(tài)特征。

3.3 " 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

3.3.1 " 同期異站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

為了對(duì)不同站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，可以使用靶標(biāo)球拼接方法，提取靶標(biāo)球的球心坐標(biāo)。通過配準(zhǔn)相鄰站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)同一參考系下的分析。

靶標(biāo)球的空間方程是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球體方程，可以表示為：

（x-x0）2+（y-y0）2+（z-z0）2=r2 " " " " "（3）

其中，（x0，y0，z0）是靶標(biāo)球的球心坐標(biāo)，r是球的半徑，展開式子可得：

x2+y2+z2-2x0x-2y0y-2z0z+x02+y02+z02=r2 " "（4）

令A(yù)=2x0，B=2y0，C=2z0，D=x02+y02+z02-r2

可將公式（3）、（4）簡(jiǎn)化為：

x2+y2+z2-Ax-By-Cz+D=0 " " " " （5）

對(duì)所有采樣點(diǎn)的求和：

Σ（E2）=Σ[x2+y2+z2-Ax-By-Cz+D=0]2 " "（6）

其中，Σ表示對(duì)所有采樣點(diǎn)的求和。然后，將Σ（E2）對(duì)A、B、C和D求偏導(dǎo)，令其等于0，解出A、B、C和D的值，可以得到靶標(biāo)球的球心坐標(biāo)和半徑。這些參數(shù)可以用于配準(zhǔn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3.2 " 不同期異站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度直接影響變形分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。同期異站點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常通過靶標(biāo)球配準(zhǔn)。不同期點(diǎn)云數(shù)據(jù)，則可通過選取共同地面部分的建筑物等作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用ICP算法高度重合數(shù)據(jù)來獲取精確的變形結(jié)果。在隧道內(nèi)部，通常選擇變形較小的區(qū)域進(jìn)行ICP算法配準(zhǔn)，如靠近隧道拱腳區(qū)域。地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖6所示。隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.4 " 變形結(jié)果分析

Delaunay三角剖分是一種構(gòu)建隧道三維網(wǎng)格模型的方法，可以使用三種偏差度量方式來比較關(guān)鍵部位的變形情況，如3D偏差、定向偏差和平面偏差。色譜分析法可用于可視化展示變形較為明顯的部位，以反映隧道表面的變形情況。對(duì)于監(jiān)測(cè)拱頂沉降變形，建議采用定向偏差模式，以Z軸方向作為偏差方向來監(jiān)測(cè)變形情況。變形對(duì)比示意圖如圖8所示。

在重要的監(jiān)測(cè)部位，采用點(diǎn)云分割方法可以提取隧道斷面數(shù)據(jù)，并通過投影方式展示變形情況。特征擬合是一種常用的方法，它可以將原始數(shù)據(jù)擬合為曲線或曲面模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的定量分析。通過特征擬合可以更準(zhǔn)確地評(píng)估隧道變形的嚴(yán)重程度和趨勢(shì)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、拼接等處理后，可以生成地表及隧道變形的色譜圖，直觀地反映變形情況。圖9所示為地表變形色譜圖。圖10所示為隧道變形色譜圖。

4 " 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)可高精度監(jiān)測(cè)地鐵淺埋暗挖隧道及地表的變形，指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，確保地面和地下設(shè)施安全可控。采用三維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)隧道施工過程的三維亞毫米級(jí)變形監(jiān)測(cè)和毫米級(jí)幾何檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)隧道施工的精細(xì)控制。三維激光掃描技術(shù)可全方位監(jiān)測(cè)整個(gè)工程施工過程，獲取精確數(shù)據(jù)，具有很高應(yīng)用價(jià)值，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域逐步向高精度、實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、多元化方向發(fā)展。高精度有利于實(shí)現(xiàn)微小變形檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)變形情況，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警，有利于提高監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確度。技術(shù)多元化指的是不限于地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)，還可以應(yīng)用于地鐵隧道的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等其他領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧洪亮，陳凱江，朱明巖等.隧道監(jiān)控量測(cè)三維激光掃描方法

與應(yīng)用研究[C]//測(cè)繪出版社.第四屆“測(cè)繪科學(xué)前沿技術(shù)論

壇”論文精選.2012：4.

[2] 張?zhí)N明，馬全明，李丞鵬，等.三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道

收斂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2012（S1）：438-440.

[3] 趙寧寧，吳偉，王勇.基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)

變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[J].中國礦業(yè)，2020，29（6）：176-180.

[4] 杜黎明，鐘若飛，孫海麗，等.移動(dòng)激光掃描技術(shù)下的隧道橫

斷面提取及變形分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2018（6）：61-67.

[5] 黃帆，李維濤，侯陽飛，等.激光點(diǎn)云的隧道數(shù)據(jù)處理及形變

分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2019，44（5）：132-137.