本文關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究

畢俊 馮琰 顧星曄 林正慶 (上海市測繪院，上海 200063)

摘要

三維激光掃描技術(shù)已在文物保護、地面模型建立等方面獲得應(yīng)用，該技術(shù)應(yīng)用面越來越廣，而

本文描述的是利用這種技術(shù)對地鐵隧道收斂變形監(jiān)測所作的技術(shù)研究，從地鐵隧道數(shù)據(jù)采集、三維模型建立、數(shù)據(jù)處理、成果輸出等幾個方面加以分析，闡述快速獲得隧道管片變形量的一種方法。 關(guān)鍵詞

測繪工程 三維激光掃描 收斂變形監(jiān)測 三維數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于測繪也就是近幾年出現(xiàn)的新型技術(shù)，除了機載Lidar技術(shù)用于大范圍地面模型和城市三維模型數(shù)據(jù)快速獲取與建立外，越來越多的地面三維激光掃描技術(shù)也大量用于文物保護數(shù)據(jù)采集與復(fù)原等。本文描述的是利用地面三維激光掃描技術(shù)對地鐵隧道的收斂變形監(jiān)測進行的研究，從地鐵隧道數(shù)據(jù)采集、三維模型建立、數(shù)據(jù)處理、成果輸出等幾個方面分析，認為該方法是一種高效的地鐵隧道收斂變形監(jiān)測的手段之一。

1 地鐵隧道收斂變形

所謂地鐵隧道收斂變形，是指地鐵隧道在營運過程中，由于受到地面、周邊建筑物負載及土體擾動、隧道周邊工程施工及隧道工程結(jié)構(gòu)施工、地鐵列車運行振動等，對隧道產(chǎn)生綜合影響而造成的隧道變形。對于上海屬于軟土質(zhì)地區(qū)的地鐵隧道，在隧道盾構(gòu)施工的同時采用水泥預(yù)制管片進行加固、注漿，一般這種隧道變形通過觀測隧道管片一周各點的變化量來監(jiān)測。由于受力影響，圓形隧道變形一般是左右（0°、180°方向）兩邊水平橫向變形大，頂部（90°方向）垂直豎向變形大。地鐵隧道收斂變形量必須保持在設(shè)計范圍內(nèi)，否則需要采取措施，防止災(zāi)難事故發(fā)生。

上海地鐵隧道管片一般寬度1.2米左右，一圈由多個管片拼裝而成。傳統(tǒng)方法采用布設(shè)導(dǎo)線傳遞坐標(biāo)，在一圈管片均勻布設(shè)多個觀測點，通過全站儀觀測各點獲得數(shù)據(jù)進行變形分析，也有收斂計測量系統(tǒng)、安裝傳感器進行監(jiān)測等方法。由于觀測一圈管片觀測點速度慢（約30分鐘/圈），成本太高，不能每個管片都能觀測到，因此一般情況下采取每隔10米（或10個管片）左右觀測一圈管片，即使這樣，一個車站段（一般1公里左右）單隧道單向也要觀測100個管片左右，而地鐵營運期間一般在晚上只有3-4小時可以利用的觀測時間，因此傳統(tǒng)觀測方法一個車站段雙向要1個月左右才能完成觀測。像收斂計測量系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)等，由于成本、周期和操作安全等因素都不能規(guī)模化實施。目前上海已建和正在建的地鐵有近400公里，近400座車站，因此傳統(tǒng)方法很難滿足大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，更無法及時獲得成果指導(dǎo)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護。

2 三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中應(yīng)用的基本思路

采用激光掃描技術(shù)對隧道收斂變形測量的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)處理，因此本文側(cè)重對數(shù)據(jù)處理研究介紹。

整個過程以如下技術(shù)路線進行： 2.1

數(shù)據(jù)采集

設(shè)計導(dǎo)線與水準測量方案，根據(jù)激光掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場環(huán)境設(shè)計掃描站間距、掃描點密度，保證具有一定的掃描重疊度。

隧道內(nèi)導(dǎo)線及水準測量，，傳遞三維坐標(biāo)。傳遞方式采用標(biāo)靶進行，在導(dǎo)線及水準測量的同時觀測標(biāo)靶。

同步進行隧道三維激光掃描，獲得隧道管壁三維點云數(shù)據(jù)，同時也獲得標(biāo)靶點云數(shù)據(jù)。 2.2

數(shù)據(jù)預(yù)處理

標(biāo)靶三維坐標(biāo)計算：通過導(dǎo)線及水準測量成果，計算標(biāo)靶的三維坐標(biāo)。

點云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)歸算：根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將每站的點云數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系統(tǒng)。

剔除噪音數(shù)據(jù)：根據(jù)隧道設(shè)計數(shù)據(jù)（如圓隧道的直徑及軸線空間位置），剔除管壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是預(yù)制管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設(shè)備和其他附著在管壁上的設(shè)施。

提取必要的管壁點云數(shù)據(jù)：由于掃描角度、距離等因素，管壁點云密度并不均勻，站附近的點密度大。為便于下一步處理，去掉點密度大的區(qū)域中不必要的大量冗余點，按照一定的密度提取點云數(shù)據(jù)，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理速度。 2.3

三維模型建立

根據(jù)預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)生成地鐵隧道內(nèi)壁三維模型。 2.4

成果輸出

按照地鐵隧道收斂變形測量要求，對指定管片（或每個管片、或一定間隔的管片）截取三維模型斷面，對斷面數(shù)據(jù)進行高次樣條（多項式）曲線擬合，與設(shè)計斷面（圓）理論值比較，求出管片一周的變化量曲線，并輸出特征點（如變形最大的上、左、右或等角度處[如每隔5°]）的變形量差值。

輸出每管片一周收斂變形報告。 2.5

成果管理

成果管理是指對大量的斷面數(shù)據(jù)及多次測量成果進行有效管理。為了提高管理效率，建立地鐵隧道收斂測量成果管理系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)庫管理每個管片測量成果，同時建立成果瀏覽與分析系統(tǒng)。主要目的：

本次測量成果瀏覽：用于瀏覽每個管片斷面的變化量曲線及變形量差值。

本次測量成果沿中軸線方向地鐵隧道的變形影響態(tài)勢，用于發(fā)現(xiàn)變形量大的區(qū)段。 建立地鐵隧道歷次成果比較模型（歷史數(shù)據(jù)），用于發(fā)現(xiàn)同一區(qū)段的變形趨勢。 按照變形限值，建立預(yù)警分析模型，指導(dǎo)隧道維護。

3 實測示例

為了驗證該方法在地鐵隧道收斂變形監(jiān)測中的有效性，有針對性地開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件，并對上海一在建的地鐵隧道進行了施測試驗。

施測基本情況如下：

1.

試驗區(qū)段隧道處于在建階段，圓形隧道，隧道內(nèi)壁直徑5.5米，已部分鋪設(shè)軌道，

未架設(shè)受電網(wǎng)，每段管片寬度1.2米。施測單向約800米。

2.

激光掃描儀：徠卡HDS6000超高速三維激光掃描儀。

主要指標(biāo)： 單點測量精度：

項目 距離

精度

6mm 10mm

距離 ≤4mm

≤5mm ≤5mm ≤6mm

形成模型表面精度：

精度

2mm 4mm 3mm 7mm

標(biāo)靶獲取精度：2mm

激光掃描系統(tǒng)掃描模式主要指標(biāo)1：

掃描模式 預(yù)覽

中速（4倍） 高速（8倍） 特高速（16倍） 點數(shù)/360°角 1250 5000 10000 20000 掃描時間（全方位） 25秒

1分40秒 3分22秒 6分44秒 范圍

1m-25m掃描范圍 50m掃描范圍

掃描范圍25m以內(nèi)，90%反射率 掃描范圍25m以內(nèi)，18%反射率 掃描范圍50m以內(nèi)，90%反射率 掃描范圍50m以內(nèi)，18%反射率

范圍

掃描距離25m

掃描距離50m，90%反射率 掃描距離25m

掃描距離50m，18%反射率

掃描模式 預(yù)覽

中速（4倍） 高速（8倍） 特高速（16倍） 點間距/10m距離 50.6*50.6mm 12.6*12.6mm 6.3*6.3mm 3.1*3.1mm 1.6*1.6mm

點間距/50m距離 250*250mm 62*62mm 31.4*31.4mm 15.8*15.8mm 7.9*7.9mm

1. 密度越稀。

2.

測站數(shù)及間距：激光掃描共設(shè)28個測站，每站間距大約在20米至30米，距車

站洞口兩測站間距約20米，其他測站間距約30米，平均每站施測時間小于10分鐘。

3.

點云坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳遞方式：每測站獲得激光掃描點云數(shù)據(jù)后，其點云坐標(biāo)歸算到統(tǒng)

一的城市坐標(biāo)系統(tǒng)（高程采用吳淞高程）。隧道內(nèi)采用導(dǎo)線施測標(biāo)靶坐標(biāo)，激光掃描時同步掃描標(biāo)靶，然后以點云數(shù)據(jù)中標(biāo)靶坐標(biāo)歸算傳遞。

4.

數(shù)據(jù)量：總數(shù)據(jù)量超過40GB。

圖1 傳遞坐標(biāo)的標(biāo)靶

圖2 徠卡HDS6000三維激光掃描儀

數(shù)據(jù)處理： 1.

從一個車站隧道入口出開始，利用三維模型每間隔2.4米（也就是二段管片的長

度）截取斷面計算，獲得斷面變形差值曲線。下圖所示某一斷面的變形差值“M”形曲線。從數(shù)據(jù)處理的結(jié)果來看，隧道斷面的變形基本遵循兩側(cè)擴大，上下縮小的規(guī)律，形成一個扁平橢圓的結(jié)構(gòu)。該曲線與傳統(tǒng)全站儀測量方法獲得的形態(tài)吻合。

圖3 某一斷面的變形曲線（0°為左側(cè)、90°為上部、180°為右側(cè)）

圖4 隧道點云視圖及三維模型（未鋪軌段）

2. 整個試驗數(shù)據(jù)獲得斷面277個。下面是沿隧道走向最大變形值的變化曲線情況（包括左、上、右三處）。

圖5 沿隧道左側(cè)（0°）變形量

圖6 沿隧道上部（90°）變形量

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