三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道施工質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

王智，李勇，張洪德，曹慶磊，門茂林

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島　266032)

1　引　言

地鐵隧道開挖是隧道施工的重要工序，超挖過多，不僅因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價(jià)，而且由于局部超挖會產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，影響圍巖穩(wěn)定性；而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對隧道質(zhì)量及后期運(yùn)營產(chǎn)生安全隱患[1]。因此超欠挖控制是地鐵隧道施工質(zhì)量評定的重要內(nèi)容之一，進(jìn)行超欠挖控制的方法是使用測量儀器觀測隧道斷面若干個(gè)點(diǎn)，形成實(shí)際的開挖輪廓線，并在同一坐標(biāo)系中與設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行比較，從而獲取斷面的超欠挖量和部位，供有關(guān)部門進(jìn)行綜合分析利用，及時(shí)指導(dǎo)下一步施工[2]。目前對地鐵隧道進(jìn)行斷面測量主要有兩種方法，一種是斷面儀法[3]，這種方法需要先放樣出隧道中心線，然后在指定里程的隧道中心線處架設(shè)儀器，按照設(shè)定的測量參數(shù)對當(dāng)前里程斷面進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率較低，且斷面儀用途單一。另外一種常用的方法是采用全自動測量全站儀，并搭載有斷面測量機(jī)載程序，這種方法不需要放樣出隧道中心線，架站方式靈活，自動化程度相對較高，但是結(jié)果仍然是以逐個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)位表現(xiàn)，局限于平面展現(xiàn)，無法全面反映隧道開挖超欠挖情況。

三維激光掃描儀測量是近幾年應(yīng)用于地鐵隧道工程測量的新型測量技術(shù)，它是一種通過發(fā)射激光來掃描獲取被測物體表面三維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)度的儀器，是一種非接觸式主動測量系統(tǒng)[4]。它突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量技術(shù)，使得外業(yè)測量更加高效便捷，為空間三維數(shù)據(jù)的獲取提供了有效的測量手段，它采用非接觸式激光測量技術(shù)，以點(diǎn)云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)[5]。儀器主要包括測距系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。三維激光掃描儀工作原理是：儀器對待測物體發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和返回的時(shí)間差，得出掃描儀與物體的幾何距離，根據(jù)水平方向和垂直方向步進(jìn)角距值，計(jì)算出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，并由儀器存儲設(shè)備予以記錄儲存，再經(jīng)過后處理軟件的建模，便可得到被測物體的空間三維模型[6]。本文介紹了將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵施工質(zhì)量檢測中，并在青島地鐵工程得到了成功的應(yīng)用。

2　數(shù)據(jù)采集

2.1　控制點(diǎn)布設(shè)

為了使三維激光掃描儀的成果與地鐵建設(shè)坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，需要在隧道內(nèi)布設(shè)足夠密度和精度的控制點(diǎn)，為三維激光掃描提供空間基準(zhǔn)，也便于后續(xù)和設(shè)計(jì)進(jìn)行對比從而分析隧道開挖質(zhì)量，若隧道未貫通，應(yīng)采用經(jīng)聯(lián)系測量傳遞到隧道內(nèi)的控制點(diǎn)，若隧道已貫通，應(yīng)采用兩井定向或兩站一區(qū)間地下控制點(diǎn)聯(lián)測后的成果。

考慮到隧道內(nèi)控制點(diǎn)間距一般在 100 m～150 m左右，不滿足掃描儀數(shù)據(jù)采集起算基準(zhǔn)要求，需要對隧道內(nèi)控制點(diǎn)進(jìn)行加密，根據(jù)掃描儀性能及隧道內(nèi)現(xiàn)場實(shí)際情況，加密點(diǎn)宜 30 m～50 m布設(shè)一個(gè)，可采用1″或0.5″級全站儀采用極坐標(biāo)法測量。點(diǎn)位布設(shè)要求便于架設(shè)對中桿，同時(shí)便于保護(hù)以便重復(fù)使用。

2.2　架站方案設(shè)計(jì)

外業(yè)測量時(shí)，在車站和區(qū)間內(nèi)控制點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶，儀器根據(jù)現(xiàn)場通視情況任意架站，但需和兩個(gè)標(biāo)靶通視，儀器整平后根據(jù)掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場環(huán)境設(shè)定掃描站間距、掃描點(diǎn)密度，保證各測站之間具有一定的掃描重疊度。同步進(jìn)行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲取標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1　隧道內(nèi)控制點(diǎn)布設(shè)及架站方案示意圖

如圖1所示，隧道內(nèi)控制點(diǎn)一般間距比較長，經(jīng)全站儀加密后的點(diǎn)位宜在30至50米左右，每次測量過程中，應(yīng)在頭尾處測量至少兩個(gè)控制點(diǎn)，以保證多余觀測從而進(jìn)行檢核，如圖中左側(cè)和右側(cè)架站點(diǎn)所示，在中間的架站點(diǎn)，通過聯(lián)測相鄰測站的靶球從而達(dá)到相鄰測站拼接的目的。從圖中可以看出，中間架站數(shù)越多，即需要靶球傳遞的測站越多，整個(gè)拼接的點(diǎn)云的絕對精度越低，因此，為保證精度，宜在中間架站點(diǎn)聯(lián)測隧道內(nèi)控制點(diǎn)，以保證點(diǎn)云拼接的絕對精度。

2.3　掃描儀數(shù)據(jù)采集

在獲取掃描點(diǎn)云的同時(shí)利用掃描儀內(nèi)置或外置相機(jī)拍取照片，用于對點(diǎn)云的紋理題圖，同時(shí)為了滿足更多工程的需求，通過專業(yè)的后處理軟件進(jìn)行快速貼圖，呈現(xiàn)更加逼真的真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，豐富了掃描成果。

三維激光掃描儀得到的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括：①根據(jù)2個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動用來反射脈沖激光鏡的角度值得到激光束水平方向值和豎直方向值；②根據(jù)脈沖激光傳播時(shí)間而計(jì)算得到的儀器到掃描點(diǎn)的距離值；③掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度；④通過數(shù)碼相機(jī)獲取的場景影像數(shù)據(jù)等。前2種數(shù)據(jù)用來計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度和場景影像數(shù)據(jù)則用來給反射點(diǎn)匹配顏色或給模型映射紋理。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1　點(diǎn)云配準(zhǔn)拼接

(1)計(jì)算標(biāo)靶三維坐標(biāo)計(jì)算：利用導(dǎo)線和水準(zhǔn)測量的成果，進(jìn)行標(biāo)靶三維坐標(biāo)的計(jì)算。

(2)點(diǎn)云拼接：根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將每個(gè)測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到隧道施工使用的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中。青島地鐵隧道某區(qū)間采用三維激光掃描儀后拼接的三維點(diǎn)云如圖2所示：

圖2　青島地鐵隧道某區(qū)間三維點(diǎn)云模型

(3)剔除噪音數(shù)據(jù)：根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，剔除隧道壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是盾構(gòu)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。

如圖3所示，將隧道通風(fēng)管道剔除后得到的點(diǎn)云模型。

圖3　剔除噪音數(shù)據(jù)后點(diǎn)云模型

3.2　設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入包括三個(gè)部分：平曲線、豎曲線以及設(shè)計(jì)斷面。

圖4　地鐵設(shè)計(jì)平曲線要素點(diǎn)

設(shè)計(jì)平曲線要素錄入主要包括各個(gè)要素點(diǎn)的里程，如直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)等以及相應(yīng)曲線要素的長度、直線的方位角、圓曲線的半徑等信息，如圖4所示。設(shè)計(jì)豎曲線要素包括里程、長度、豎曲線半徑，轉(zhuǎn)角前后的坡度等信息。設(shè)計(jì)斷面包括每個(gè)斷面類型的設(shè)計(jì)、里程范圍等信息。

3.3　斷面超欠挖分析

在內(nèi)業(yè)拼接好的具有地鐵隧道統(tǒng)一控制坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，在后處理軟件中提取一定厚度的指定里程斷面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與事先輸入好的隧道設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)規(guī)定的里程處進(jìn)行相應(yīng)斷面比較，即可得到斷面的超欠挖情況，如圖5所示。

圖5　地鐵區(qū)間超欠挖分析圖

4　總　結(jié)

要保證三維激光掃描儀成果的精度，需在外業(yè)掃描作業(yè)時(shí)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度拼接創(chuàng)造條件，使用后方交會設(shè)站時(shí)，每站至少前后各一個(gè)控制點(diǎn)，并測設(shè)一定數(shù)量的檢核點(diǎn)，相鄰的掃描測站間最好存在兩個(gè)以上的公共連接點(diǎn)，有公共面時(shí)應(yīng)使用公共面拼接，沒有公共面時(shí)使用公共點(diǎn)拼接，并對連接區(qū)域或點(diǎn)位進(jìn)行精細(xì)掃描。

目前地鐵隧道斷面測量使用的方法主要是斷面儀法和全站儀機(jī)載程序法，三維激光掃描儀方法并沒有得到廣泛應(yīng)用，究其原因，一方面是設(shè)備昂貴，另一方面是該方法后處理過程煩瑣，對作業(yè)人員技術(shù)要求較高，另外針對地鐵測量的分析軟件不成熟。但是在外業(yè)高密度采集大量斷面時(shí)，三維激光掃描儀的速度明顯高于斷面儀法和全站儀機(jī)載程序法，且生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建三維模型，可以更好地服務(wù)于隧道的健康監(jiān)測，是未來隧道斷面測量的趨勢。