單洞雙線中隔墻馬蹄形隧道成型質量分析

牛延平

摘? 要：單洞雙線區間單管隧道由于防災送風排煙通道，中間隔離墻和疏散通道施工時存在諸多偏差（因現場定位、澆筑脹模等）、隧道霧氣嚴重（控制點間距較遠，無法定向），內部結構表面潮濕（激光無法反射）等諸多因素影響，采用常規全站儀單點測量無法實現斷面數據采集，基于三維激光掃描技術的大直徑盾構法單洞雙線、有中隔墻馬蹄形隧道斷面處理技術，采用三維激光掃描儀獲取二襯結構海量點云數據，借助cyclone、HDS、CAD多種處理手段相融合，分析隧道內斷面變形、隧道收斂、施工偏差等情況。

關鍵詞：三維激光；海量點云；多手段融合；單洞雙線；中隔墻

中圖分類號：U455.43? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0160-04

Abstract： Due to the disaster prevention air supply and smoke exhaust passage， there are many deviations in the construction of the middle separation wall and evacuation passage （due to on-site positioning， pouring formwork， etc.）， and there is serious fog in the tunnel （the distance between the control points is far apart， unable to orient）. The surface of the internal structure is wet （laser can not be reflected） and many other factors， so the cross-section data collection can not be realized by using conventional total station single-point measurement. Based on the three-dimensional laser scanning technology， the large-diameter shield single-hole， double-line， horseshoe-shaped tunnel section processing technology， this paper proposes using three-dimensional laser scanner to obtain the massive point cloud data of the second lining structure， with the help of the integration of cyclone， HDS， CAD processing methods， so as to analyze the tunnel cross-section deformation， tunnel convergence， construction deviation and so on.

Keywords： 3D laser; massive point cloud; multi-means fusion; single hole and double line; partition wall

目前國內盾構隧道主要有單洞雙線、單洞單線2種形式。其中單洞雙線區間采用單管隧道作為行車隧道，將隧道分為上中下3層， 其中上層作為防災送風排煙通道，中間設置隔離墻和疏散通道，隧道下層為排水溝。

由于防災送風排煙通道，中間隔離墻和疏散通道施工時存在諸多偏差（因現場定位、澆筑脹模等）、隧道霧氣嚴重（控制點間距較遠，無法定向），內部結構表面潮濕（激光無法反射）等因素影響。常規全站儀極坐標法斷面數據采集手段已無法完成區間斷面數據采集，且耗時耗力，不能精準、高效地把握隧道成型質量。

通過三維激光掃描技術獲取海量點云數據，擬合實測斷面成果（圖1）和與設計斷面對比，可以分析隧道內斷面變形、隧道收斂等情況。

1? 技術特點

其一，區間防災送風排煙通道，中間隔離墻和疏散通道施工時存在諸多偏差（因現場定位、澆筑脹模等）。本次目標物數據采集采用3.1 mm@10 m的分辨完成掃描，可反映異型隧道任意部位細部特征。

其二，因部分隧道設計線路中涉及長、短鏈、減震道床過渡段，以及部分管廊隧道線型的特殊性，各地方地鐵斷面成果資料匯交的不同要求，需借助徠卡cyclone及HDS變形分析工具與CAD三者結合，合理繪制點位分布圖及凈空分析位置圖，確定其斷面、凈空分析時所規定的點位要求，實現了過渡數據的準確性銜接，提高數據可靠性，得到一套完整的三維激光掃描儀隧道斷面凈空測量的數據處理方法。

其三，盾構隧道數據采集過程中至少保證4個及以上標靶架設在施工控制點上，量取并記錄目標高度，得到標靶的三維坐標，且提高自由設站所得點云數據與施工坐標系的統一精度，解決了盾構隧道點云拼接的精度、點云絕對坐標的精度高的要求，提高了外業三維掃描數據采集的效率。

其四，異型隧道參考特征點位置特殊，復測位置需按設計里程實地放樣，該里程對應斷面參考點放樣困難，三維激光掃描儀的使用，不受隧道內旁折光、視距、人員專業素養和現場經驗等限制，可以快速的完成外業工作。省時高效，節省項目成本，創造經濟效益。

2? 適用范圍

區間采用單管隧道作為行車隧道，將隧道分為上中下3層， 其中上層作為防災送風排煙通道，中間設置隔離墻和疏散通道的異型隧道（單洞雙線斷面、有中隔墻馬蹄形隧道斷面）及常規單圓形盾構法隧道或其他異型隧道。

3? 技術原理

外業掃描數據精度往往在外業施測的各個環節中受不同因素的影響。如掃描目標物的物理特性、掃描視場的局限性等都會產生掃描盲區，以至于部分點云數據無法獲取；如儀器設備和標靶的對點誤差、測量誤差等導致點云數據的微位移。目標物的三維坐標數據數據獲取原理，采用激光光束，測定斜距S，水平角ψ，豎直角θ。得三維坐標（x，y，z）

多站點云數據是采用相互獨立空間直角坐標系。一般以掃描儀中心作為坐標原點O，儀器初始化時固定方向為Y軸，豎直上，并且垂直于Y軸的為Z軸。由于在實際測量中，測距和測角誤差不可避免，并且儀器設備和標靶的對點誤差，都會導致坐標原點O發生位移，必然使得x，y，z的精度各不相同。

解算關系如下

其中

旋轉矩陣

式中：ωx、ωy、ωz為坐標軸X、Y、Z的旋轉角度，Δx、Δy、Δz為坐標軸X、Y、Z方向的坐標增量，點云配準誤差即為數據矩陣的解算誤差。采用標靶配準時，要求解上述未知數，必須兩站之間共用3個及以上公共標靶（圖2）。

4? 技術流程圖

基于三維激光掃描技術的大直徑盾構法單洞雙線、有中隔墻馬蹄形隧道斷面處理技術流程（圖3）。

5? 技術操作要點

5.1? 異形隧道外業數據采集

區間采用單洞雙線中隔墻馬蹄形隧道，二襯結構將其分為左、右線，共架設XX站，采用3.1 mm@10 m的分辨完成掃描，特殊區域調整分辨率，提高效率。

5.2? 掃描點云拼接去燥

利用已提供的標靶中心測量數據，可依照標靶拼接的原理進行高精度的控制坐標的轉換，幫助用戶控制拼接誤差。通過拼接報告顯示，在約束條件下每站的整體誤差及在各方向上的誤差均在1 cm以內。

5.3? 點云抽稀處理

基于拼接好的異型隧道點云模型中對點云數據進行優化，選擇在統一化過程中對點云進行等比例抽稀以減少數據冗余。平均點云間距設置時不宜過大，否則影響后續提取斷面質量。

5.4? 左、右線設計中心線設置

盾構區間中，曲線段因線路中心線與隧道中心線不重合，底板和頂板高程均為實際盾構內壁最低點和最高點高程，并非線路中心線處上下內壁高程。左右橫距以線路中心線為基準向盾構左右內壁測量距離。所有橫斷面的測量基準均以線路中心線為測量基準。

5.5? 左、右線設計斷面設置

設計斷面即為隧道標準斷面，在進行隧道對比或凈空計算時應將獲取的斷面與標準斷面對比。根據斷面要求，采用CAD設計建立異型隧道橫斷面坐標系（圖4）。

5.6? 點云數據格式轉換傳輸

將完成拼接、去燥、抽稀的點云數據輸出為.PTS或 .XYZ格式，作為后處理軟件的基礎數據。

5.7? 基于設計中線切割橫斷面

一般地鐵隧道斷面測量要求斷面測量間距，沿里程增加方向，直線段每隔6 m、曲線段每隔5 m測量一個斷面。起始里程與結束里程指的是中心線長度而非實際里程。

5.7.1? 橫斷面密度

①測量基本密度。直線地段每隔6 m、曲線地段每隔5 m測量一處橫斷面。不論何種類型的斷面結構，除上述基本密度外，還應在如下位置加測橫斷面：線路起點、線路終點、曲線五大要素控制點（ZH、HY、QZ、YH、HZ、或ZY、QZ、YZ）；②特殊點橫斷面。結構橫斷面變化點（測同一位置的2種橫斷面）；人防隔斷門門框兩側、區間聯絡通道兩邊緣、道岔中心位置、區間射流風機處、站臺、區間、配線地段線路兩側的立柱；橫斷面的里程誤差應在±50 mm以內。

5.7.2? 橫斷面測點分布

斷面上測點位置均應為限界控制點。①測點位置的定位要求。為應對施工誤差較大時對左、右測點影響，本次調線調坡測量中左右測點的定位（測點高度）均以該斷面的設計標高為基準推算而確定；②測點位置的允許偏差。為控制限界及方便施測，實際左、右測點位置與設計位置可有±50 mm的偏差。

5.8? 特征點提取及斷面對比、凈空分析

5.8.1? 橫斷面對比

將提取的橫斷面與設計斷面進行進行對比，分別選擇需要對比分析的2個橫斷面，并根據需要設置參數扇形點數和中心偏移，選擇取點方法，設置完畢后，即可開始進行橫斷面對比。分析結果的隧道斷面圖視圖，查看超欠挖具體數值。

5.8.2? 凈空分析

以施工圖的設計線路中心線為測量基準線，測點距基準線的橫距是指軌頂設計高程以上規定高度位置由基準線至隧道內壁的距離（橫偏距）；頂部測點是設計線路中心線在隧道頂部內壁的投影點，底部測點是設計線路中心線在隧道底部內壁的投影點，均以高程表示（或高差：縱偏距）。隧道凈空測量如圖5所示。

5.8.3? 圓形隧道橢圓度分析與成果展示

擬合橢圓采用剔除粗差后點云并通過空間分布定權方法，保證擬合橢圓盡量與隧道實際內輪廓貼合，避免因道床遮擋、下部點云過于密集原因會造成短軸擬合值過小，因腰部位置線纜、管片錯臺等會造成長軸大于實際隧道內輪廓。

橢圓度計算公式為scale=（ra-rb）/d，其中scale為橢圓度，ra為長軸，rb短軸，d為設計圓內徑。

橢圓度分析如圖6所示。右線橢圓度分布概況見表1。

區間三維激光掃描成果具有可靠性，其測量方式可代替傳統的測量方法，數據采集快捷方便，內業數據處理自動化，成果可靠。

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