地鐵隧道斷面收斂測(cè)量中3D激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

高宇

摘 要 3D激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)收集采樣率較高，其在地鐵隧道的斷面收斂測(cè)量過程當(dāng)中能夠提供更加全面、可靠的精確數(shù)據(jù)，從而為地鐵工程的施工方與運(yùn)營(yíng)方提供更加詳細(xì)的判斷數(shù)據(jù)，其所具備的數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)方法所難以企及的。本文將主要就3D激光掃描同傳統(tǒng)方法的對(duì)比，分析其所具備的優(yōu)勢(shì)特性，而后就3D激光掃描的具體應(yīng)用并結(jié)合相關(guān)的工程案例，來展開具體的分析與探討，并測(cè)試其內(nèi)、外兩方面的符合性。

關(guān)鍵詞 地鐵隧道；斷面收斂測(cè)量；3D 激光掃描技術(shù)

中圖分類號(hào) U23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1674-6708（2016） 154-0052-03

在地鐵工程項(xiàng)目的施工作業(yè)與日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作當(dāng)中，主要的內(nèi)容之一便是斷面收斂測(cè)量，它將直接影響到地鐵隧道的整體穩(wěn)定與安全。傳統(tǒng)所采用的全站儀法當(dāng)中，僅能夠選擇性的測(cè)量一部分隧道斷面數(shù)據(jù)信息，無法完整性的反映出地鐵隧道的實(shí)際問題狀況。而采用3D激光掃描技術(shù)則能夠通過借助于采樣率高的特性，為地鐵隧道斷面的收斂測(cè)量提供更加全面、精確的數(shù)據(jù)信息，從而使地鐵隧道工程項(xiàng)目的施工與日常運(yùn)營(yíng)，能夠具備有更加準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)判斷。

1 地鐵隧道斷面收斂測(cè)量

在地鐵隧道的施工及日常運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，往往會(huì)受到周邊的地面及建筑物的擾動(dòng)影響，以及在地鐵隧道周邊所開展的建筑工程施工與地鐵隧道的內(nèi)部施工、地鐵列車在運(yùn)行過程當(dāng)中所產(chǎn)生的振動(dòng)等各方面的綜合作用，并最終致使地鐵隧道產(chǎn)生收斂變形。

1.1 傳統(tǒng)方法的缺陷

在地鐵隧道斷面收斂測(cè)量中，傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要是通過布設(shè)導(dǎo)線進(jìn)行坐標(biāo)的傳遞在一個(gè)隧道管片之中分布安置數(shù)個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，采用全站儀對(duì)各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采取形變分析，其中也包括了收斂測(cè)量系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測(cè)等多種方法。但是此種方法卻也存在一些缺陷漏洞以及不足之處，具體表現(xiàn)為：

第一，在觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、測(cè)量當(dāng)中，不能夠精確的確保上下行測(cè)量站點(diǎn)與檢核點(diǎn)處于同一水平線上，并且也不能夠保障兩者位于同一個(gè)平面當(dāng)中，因而也就無法確保在地鐵隧道斷面收斂測(cè)量當(dāng)中，上下行的測(cè)量站點(diǎn)處于同一個(gè)橫斷面當(dāng)中。

第二，全站儀法的隧道斷面收斂測(cè)量速度較慢，且成本支出較高，同時(shí)也無法將所有的管片進(jìn)行有效的測(cè)量。

第三，在測(cè)量的實(shí)際效果與分析當(dāng)中也具有一定的局限性，傳統(tǒng)地鐵隧道的斷面收斂測(cè)量，其數(shù)據(jù)內(nèi)容往往以獨(dú)立的單個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，而在雙測(cè)量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)中，及加設(shè)有隔離墻的地鐵隧道斷面測(cè)量當(dāng)中，其不可控制的因素較多，導(dǎo)致了實(shí)際測(cè)量結(jié)果的精確性與可靠性大打折扣。

1.2 3D激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3D激光掃描技術(shù)亦可稱之為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，其能夠?qū)τ谳^為復(fù)雜的環(huán)境與其所在空間進(jìn)行三維立體信息數(shù)據(jù)的采集，并且能夠?qū)⑺杉降臄?shù)據(jù)信息快速的掃描，構(gòu)建出立體空間模型，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于客觀事物的真實(shí)再現(xiàn)。

第一，在當(dāng)今的建筑工程領(lǐng)域當(dāng)中，采用3D激光掃描技術(shù)能夠快速的采集到建筑的立體數(shù)據(jù)內(nèi)容，其不僅能夠在很大程度上提升建筑立體模型的展示效果，同時(shí)在立體圖形當(dāng)中的任意一個(gè)位置上均具備3D坐標(biāo)，能夠?yàn)榻ㄖ脑O(shè)計(jì)施工提供真實(shí)、詳細(xì)的模擬圖形，也給建筑工程的檢測(cè)與分析創(chuàng)造了新的方式。

第二，3D掃描技術(shù)對(duì)于掃描目標(biāo)的數(shù)據(jù)收集手段，并非直接性的接觸因此其能夠顯著的降低在傳統(tǒng)以往的數(shù)據(jù)測(cè)量當(dāng)中對(duì)于數(shù)據(jù)采集目標(biāo)的損傷與破壞，并最終加強(qiáng)對(duì)于數(shù)據(jù)采集目標(biāo)的保護(hù)，以及為其具體的施工提供更加精確、詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，使技術(shù)手段能夠發(fā)揮出其應(yīng)有的實(shí)際效用。

2 3D 激光掃描的具體應(yīng)用

在地鐵隧道的斷面收斂測(cè)量當(dāng)中3D掃描儀的實(shí)例應(yīng)用相對(duì)較少，因此要確保其測(cè)量結(jié)果的精確性，并使其能夠發(fā)揮出立體掃描的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，無論是在業(yè)外數(shù)據(jù)的收集獲取中，還是在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的處理過程當(dāng)中，均應(yīng)當(dāng)制定出詳細(xì)、完備的測(cè)量實(shí)施方案，將在測(cè)量過程以及數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的實(shí)際處理誤差值，控制在合理的范圍之內(nèi)。據(jù)此本文將主要依據(jù)3D激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)特征，以及地鐵隧道當(dāng)中斷面收斂測(cè)量的實(shí)際需求，對(duì)整個(gè)測(cè)量過程現(xiàn)作出如下規(guī)劃。

2.1 測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)與標(biāo)志球控制

為了確保更加有效的將地鐵隧道斷面收斂測(cè)量的誤差值控制在合理范圍之內(nèi)，在具體的測(cè)量工作實(shí)施過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)將3D掃描儀的布設(shè)與標(biāo)志球的位置進(jìn)行固定，引進(jìn)在高鐵測(cè)量項(xiàng)目當(dāng)中的CPIII布設(shè)法進(jìn)行標(biāo)志球的布設(shè)，所布設(shè)的所有測(cè)量點(diǎn)均應(yīng)當(dāng)為強(qiáng)制歸心，并且所采用的標(biāo)志球型號(hào)、大小等應(yīng)當(dāng)完全一致，在正常狀況下標(biāo)志球的中心點(diǎn)大致也是相對(duì)穩(wěn)固的；此外還要考慮到3D掃描儀的實(shí)際測(cè)量視角，確保其對(duì)于每一個(gè)標(biāo)志球的檢測(cè)準(zhǔn)確性誤差要低于Imm，并且還應(yīng)當(dāng)考慮到其分辨率同標(biāo)志球的識(shí)別率之間所存在的重疊性問題，因此通常將3D掃描儀在每一個(gè)測(cè)量站點(diǎn)之中其距離確定為40m左右，前后兩側(cè)各大致約為20m左右，以保障其相鄰的標(biāo)志球之間掃描儀的間距在20左右。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用3D掃描技術(shù)在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依據(jù)所布設(shè)完成的測(cè)量站點(diǎn)，以及各標(biāo)志球之間的實(shí)際位置狀況來安放掃描儀器與標(biāo)志球，在布設(shè)完成后第一時(shí)間檢查其位置是否準(zhǔn)確、合理，將進(jìn)行3D掃描作業(yè)的所有技術(shù)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)試，使其分辨率能夠達(dá)到完全一致，在取得地鐵隧道管壁之上的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，也能夠取得標(biāo)志球位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.3 數(shù)據(jù)拼接處理

在地鐵隧道斷面收斂外業(yè)數(shù)據(jù)的收集工作結(jié)束后，同時(shí)將所測(cè)量的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸?shù)絪cen之中實(shí)行拼接處理，在此過程當(dāng)中要依據(jù)布設(shè)完成后的標(biāo)志球采取拼接作業(yè)，同時(shí)還要確保不同的標(biāo)志球只取準(zhǔn)確性低于1mm，在每一個(gè)測(cè)量站點(diǎn)當(dāng)中安放的標(biāo)志球數(shù)量應(yīng)當(dāng)不低于6個(gè)，通過計(jì)算機(jī)工程軟件的自動(dòng)拼接，同時(shí)進(jìn)行人工檢查，對(duì)于識(shí)取準(zhǔn)確性不足的標(biāo)志球應(yīng)當(dāng)重新布設(shè)。

2.4 軸線生成與擬合半徑

在標(biāo)志球布設(shè)安放完成后需要將已完成拼接的測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)容，傳輸入XOR工程系統(tǒng)軟件當(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于軸線生成與半徑擬合，而后依據(jù)所形成的地鐵隧道斷面軸線及其所制定的公式數(shù)據(jù)，通過工程系統(tǒng)軟件將擬合半徑轉(zhuǎn)化為圓柱體。

2.5 斷面數(shù)據(jù)生成

最后將所形成的圓柱體以及地鐵隧道管壁當(dāng)中的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絏OR工程系統(tǒng)軟件當(dāng)中生成相應(yīng)的地鐵隧道斷面與圖表，能夠?qū)崿F(xiàn)等間距離的斷面生成，亦或是任何距離的斷面生成，再或是只對(duì)于超出限定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)片位置生成相應(yīng)的隧道斷面，而后對(duì)于所有生成的斷面內(nèi)容實(shí)行總結(jié)與歸納，并形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)告。

3 工程案例

在天津地鐵軌道交通當(dāng)中的某號(hào)線路當(dāng)中，同傳統(tǒng)以往所常采用的上下并行模式所不同的是，此條線路采用了上下合用的大直徑隧道，中間用隔離墻分割，管片的寬度約為1.5m，且由數(shù)個(gè)管片所組裝而成。

在本項(xiàng)工程項(xiàng)目當(dāng)中運(yùn)用3D激光掃描技術(shù)對(duì)于內(nèi)、外的符合性進(jìn)行了測(cè)試。

3.1 內(nèi)符合性測(cè)試

在內(nèi)符合性測(cè)試當(dāng)中選取了350m的盾構(gòu)隧道段進(jìn)行了測(cè)試，并且進(jìn)行了二次掃描。內(nèi)符合性的測(cè)試內(nèi)容主要包括了對(duì)于相同環(huán)片下，各測(cè)量站點(diǎn)的隧道斷面趨勢(shì)、極值、擬合半徑，及其二次掃描接合后相同環(huán)片當(dāng)中的趨勢(shì)、極值以及擬合半徑進(jìn)行了掃描。為了去除掉由于接合所課程產(chǎn)生的誤差，在本次研究中對(duì)于同一環(huán)片當(dāng)中的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)容，在進(jìn)行對(duì)比分析之時(shí)選用了在入口處沒有隔離的部分進(jìn)行了對(duì)比分析。在對(duì)其中一環(huán)進(jìn)行二次掃描后，共得到了4組數(shù)據(jù)，其擬合半徑依次為：5.2125m、5.2122m、5.2108m、5.2111m，其實(shí)際的軸線移動(dòng)數(shù)值位于Imm～2mm之內(nèi)，為了確保所測(cè)量的數(shù)據(jù)內(nèi)容具有一定的可比性，因而在趨勢(shì)圖形制定的過程中采用了5.2145m的半徑值。

3.2 外符合性測(cè)試

在外符合性的測(cè)試當(dāng)中通常所采用的隧道斷面收斂測(cè)量方法為全站儀法，將其所測(cè)得的隧道斷面數(shù)據(jù)信息同3D掃描儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析，通常對(duì)比斷面的趨勢(shì)以及所產(chǎn)生的扇形面積。以隧道斷面收斂測(cè)量當(dāng)中的第258環(huán)及364環(huán)為例，采用3D掃描其擬合半徑值均為5.2145m，全站儀方法的擬合半徑值為5.2245m。3D掃描技術(shù)在水平方向上逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，全站儀方法在天頂方面上同樣也是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，因此兩類隧道斷面的收斂測(cè)量在進(jìn)行變化趨勢(shì)的對(duì)比當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)借助于鏡像對(duì)比。

在趨勢(shì)變化數(shù)據(jù)圖像的對(duì)比當(dāng)中，此兩種方法的變化趨勢(shì)大致相當(dāng)，全站儀法的半徑值較之3D掃描而言略微有所增大，特別是在對(duì)于地鐵隧道當(dāng)中的轉(zhuǎn)彎及一些有坡度的斷面在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其所表現(xiàn)出的差異性會(huì)更加明顯。而所發(fā)生誤差性的關(guān)鍵因素即為傳統(tǒng)隧道斷面收斂測(cè)量的全站儀法在水平狀況下，其在每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)所測(cè)得的半徑數(shù)值同隧道的橫截面數(shù)值，不能夠保持為90?。的夾角；而采用3D掃描技術(shù)其所測(cè)得的半徑數(shù)值則相對(duì)較為固定，實(shí)際的測(cè)量差異也會(huì)被控制在5mm以下。在全站儀法當(dāng)中也會(huì)表現(xiàn)出結(jié)合不完整的誤差，其擬合半徑的準(zhǔn)確性相對(duì)較低，其中第258環(huán)當(dāng)中沒有隔離，364環(huán)有隔離，其半徑間的差值大約為2cm～3cm。在地鐵隧道當(dāng)中的拐彎處或有坡度的位置，其誤差值則會(huì)更大。

采用扇形度數(shù)的面積將兩種隧道斷面收斂測(cè)量法進(jìn)行對(duì)比分析，并且將兩項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)容拓展延伸到CAD當(dāng)中，能夠促使所取得的結(jié)果數(shù)值具有更高的可對(duì)比性，將數(shù)值依據(jù)扇形面積的大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

采用傳統(tǒng)的全站儀法所測(cè)得的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所生成的扇形面積不同的測(cè)量環(huán)之間其數(shù)值差異較大，而采用3D掃描儀技術(shù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所生成的測(cè)量環(huán)之間數(shù)值差異較小。258環(huán)當(dāng)中未設(shè)置隔離，兩種隧道斷面收斂測(cè)量方法所生成的面積較為相近，在364環(huán)當(dāng)中設(shè)置有隔離，兩種隧道斷面收斂測(cè)量方法所生成的面積則差距甚遠(yuǎn)。此結(jié)論同上文當(dāng)中關(guān)于擬合半徑以及趨勢(shì)演化對(duì)比所產(chǎn)生出的結(jié)論大致相同。

總而言之，在地鐵隧道斷面收斂測(cè)量當(dāng)中，運(yùn)用3D掃描儀技術(shù)在內(nèi)、外符合的準(zhǔn)確性上均能夠較為良好的滿足其實(shí)際測(cè)量的需求，并且在內(nèi)符合的隧道斷面收斂測(cè)量當(dāng)中其準(zhǔn)確性要顯著由于傳統(tǒng)的全站儀方法。

4 工程展望

在地鐵隧道斷面當(dāng)中應(yīng)用3D激光掃描技術(shù)，還能夠在3D建模與軸線的變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)方面取得更加優(yōu)秀的應(yīng)用效果。

4.1 3D建模

依據(jù)在數(shù)據(jù)預(yù)先處理之后所產(chǎn)生的云端數(shù)據(jù)內(nèi)容，能夠通過計(jì)算機(jī)工程軟件的計(jì)算處理得到相應(yīng)的地鐵隧道內(nèi)壁三維模型，即使是對(duì)于已投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)的地鐵項(xiàng)目工程，亦可將其當(dāng)前所有的相關(guān)設(shè)施內(nèi)容均納入到三維立體模型當(dāng)中，從而為今后的地鐵隧道施工與維護(hù)提供更加詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料。

4.2 軸線變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

如若將標(biāo)志球的實(shí)際位置通過三維坐標(biāo)系表示出來，那么所模擬出來的隧道軸線即為實(shí)際的隧道，將軸線的三維立體模型同初始設(shè)計(jì)圖紙的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，能夠判斷出其地鐵隧道軸線的整體位置改變狀況，及對(duì)其所可能會(huì)發(fā)生的移動(dòng)趨勢(shì)作出相應(yīng)的預(yù)測(cè)，從而將其應(yīng)用于緊急狀況下的地鐵調(diào)度與實(shí)際運(yùn)行管理當(dāng)中。

5 結(jié)論

在地鐵隧道斷面收斂測(cè)量中應(yīng)用3D激光掃描技術(shù)，其所測(cè)量的數(shù)值精度要顯著優(yōu)于一般的常規(guī)性測(cè)量方式，其具備有快捷、高效、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠保障在地鐵隧道斷面收斂測(cè)量當(dāng)中檢測(cè)保護(hù)及施工維護(hù)，所需要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確、可靠。3D激光掃描技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過程當(dāng)中，主要包括了測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)與標(biāo)志球控制、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拼接處理、軸線生成與擬合半徑、斷面數(shù)據(jù)生成等五個(gè)方面的內(nèi)容。最終希望通過本文的研究?jī)?nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)的地鐵隧道斷面收斂測(cè)量，提供一些可供參考的內(nèi)容與方法。