三維激光掃描技術在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應用

張明智，張明棟

(深圳市勘察測繪院有限公司，廣東 深圳　518000)

1　引　言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化步伐的加快，為滿足日益增長的市民出行需要，城市軌道交通成為人們出行的重要交通工具。在地鐵帶動區(qū)域人口和經(jīng)濟發(fā)展的同時，地鐵隧道保護區(qū)內(nèi)報建的各種深基坑工程也越來越多，而且隨著城市用地的愈發(fā)緊張，基坑的深度也越來越深，在周邊建筑物和各種地下管線的多重影響下，基坑工程的設計和施工的難度越來越大。

為了保障地鐵的安全運營，在基坑施工過程中及時掌握地鐵隧道的變形情況顯得十分重要。

2　地鐵隧道自動化監(jiān)測

地鐵自動化監(jiān)測是地鐵隧道變形監(jiān)測的重要手段之一。在地鐵自動化監(jiān)測中，通常使用徠卡TS30測量機器人對地鐵隧道進行自動化變形監(jiān)測，徠卡TS30測量精度高、性能穩(wěn)定并具有ATR自動識別照準功能，在地鐵自動化監(jiān)測領域有著重要地位。

這種監(jiān)測手段雖然能夠及時掌握監(jiān)測點區(qū)域的變化情況，但它也只能對布設有監(jiān)測點的位置進行監(jiān)測和反映該位置的變形情況，在沒有布設有監(jiān)測點的地方存在監(jiān)測盲區(qū)，雖然可以通過增加監(jiān)測斷面和監(jiān)測點來彌補其中的不足，但歸根結底還是監(jiān)測方法上的不足。

為了彌補這一不足，在項目開始施工前用斷面測量儀對監(jiān)測區(qū)域的地鐵隧道進行每一環(huán)的斷面數(shù)據(jù)采集，再通過CAD對測量數(shù)據(jù)進行擬合計算每一環(huán)管片的水平收斂值，作為斷面測量的初始值，并定期對監(jiān)測區(qū)域進行斷面測量，掌握隧道的變形情況。但斷面測量儀在測量斷面?zhèn)€數(shù)多時效率過低，在地鐵隧道斷面測量中不太適用。

圖1　常規(guī)的監(jiān)測點布設剖面圖

3　地鐵隧道三維激光掃描概述

為了解決測量機器人自動化監(jiān)測和傳統(tǒng)斷面測量方法的不足，引入了徠卡ScanStation P40三維激光掃描儀。三維激光掃描儀在工作時，通過激光脈沖發(fā)射體發(fā)射出激光脈沖，激光脈沖在兩塊高速有序轉動的反光鏡作用下，將發(fā)射出去的激光脈沖掃過被測物體，儀器根據(jù)每個激光脈沖從發(fā)射到反射回儀器的時間計算出被測物體與儀器的距離L，時鐘編碼器在同一時間測量出每條脈沖的水平掃描角度α和豎直掃描角度β，從而得到該點的三維坐標值P，工作原理如圖2所示。

圖2　激光掃描工作原理示意圖

其中：

儀器在掃描過程中不僅形成點云數(shù)據(jù)，而且對正常、滲水、存在裂縫的掃描面，根據(jù)不同的反射強度匹配不同的顏色，在完成隧道點云數(shù)據(jù)采集后，使用徠卡Cyclone后處理軟件，將點云數(shù)據(jù)去噪、拼接、建模出被測物體的實際形狀，進行收斂數(shù)據(jù)采集。

由此可見將三維激光掃描技術作為地鐵自動化監(jiān)測的補充手段是非常合適的。

圖3　徠卡ScanStation P40掃描作業(yè)

3.1　隧道點云掃描

掃描時，將標靶(三維激光掃描儀能準確識別并照準的目標模型)吸附在控制點上，掃描儀任意設站，并保證每一個連續(xù)的兩個測站都有2個相同的標靶作為同名點。

圖4　掃描作業(yè)示意圖

3.2　點云配準

點云配準的原理是通過兩測站中點云數(shù)據(jù)的同名點的點對(pi，qi)滿足相同的變換矩陣T，方程如下：

?pip，?qiQ，||Tpi-qi=0||

(1)

式中：

P，Q分別為兩次掃描的點集；

pi，qi分別為點集P和Q中的某點。

使用Cyclone 9.1后處理軟件可以通過每測站點云數(shù)據(jù)中的同名點(標靶)實現(xiàn)相鄰測站的點云數(shù)據(jù)配準。

在變形監(jiān)測中，由于我們需要的只是隧道的每一環(huán)收斂值，因此配準只為了給采集收斂值提供便利，因此在實際作業(yè)中根據(jù)實際需要可以省去點云數(shù)據(jù)的配準工作。

在完成點云拼接后，為了減少數(shù)據(jù)冗余，提高監(jiān)測精度和工作效率，需要對點云數(shù)據(jù)進行去噪處理，去除公共區(qū)多余的點云和激光束在傳播過程中發(fā)生離散所形成的噪點。

圖5　點云拼接、去噪后的效果圖

圖6　內(nèi)部效果圖

3.3　點云切片、圓心計算

進行數(shù)據(jù)分析前，首先應對點云按一定的距離進行切片，然后對點云切片進行擬合提取圓心，計算隧道點云切片的直徑。

投影法是生成點云切片的常用方法。通過定義參考平面位于分層數(shù)據(jù)的中間位置，將每層數(shù)據(jù)向參考平面投影即可得到切片數(shù)據(jù)。

經(jīng)過投影后的點云切片存在大量的多余觀測，通過平差計算的方法計算圓心坐標的最或然值。在每一個橫截面建立一個坐標系，則圓心和圓周上每個點的關系為：

(xi-xo)2+(yi-yo)2-R2=0

(2)

設平差后的圓心坐標(xc，yc)和圓半徑R為：

(3)

設圓半徑的觀測值為：

(4)

設圓半徑的觀測值和改正值與近似值的關系為：

Ri+VRi=R0+δR

(5)

平差計算的觀測值方程：

(6)

法方程為：

(7)

其中：

(8)

未知數(shù)解為：

(9)

4　ScanStation P40實際應用

在某緊鄰地鐵隧道的深基坑施工過程中，使用徠卡TS30測量機器人對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地鐵隧道進行自動化變形監(jiān)測，并在基坑施工前對監(jiān)測區(qū)域進行了首次三維激光數(shù)據(jù)采集。

在基坑施工過程中，地鐵隧道自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示左線個別點的累計水平位移超出了控制值，達到了+11.3 mm，且該區(qū)域正好位于基坑中部。

圖7左線各監(jiān)測斷面1號點位移變化曲線圖

為了更好地分析和掌握地鐵隧道的整體變形情況，決定對地鐵隧道進行第二次三維激光掃描獲取最新的水平收斂值，并將最新的水平凈空收斂值與水平凈空初始值進行比對，評估基坑施工對地鐵隧道造成的影響。

5　隧道收斂分析

在分析三維激光的掃描結果前，對數(shù)據(jù)的可靠性進行論證尤為重要。根據(jù)三維激光掃描技術的精度論證文獻[7]，在文獻中作者采用徠卡TS30測量機器人免棱鏡測量模式與三維激光掃描儀對同一圓環(huán)進行試驗，對二者的斷面測量數(shù)據(jù)進行橢圓擬合后，采用三維激光掃描得到的隧道相對變形與全站儀的測量結果相差在 2 mm以內(nèi)，所以三維激光掃描技術運用在地鐵變形監(jiān)測中是可行的。

通過與水平收斂初始值進行比對，所得結果如表1所示。

地鐵隧道左線水平收斂統(tǒng)計表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

如表1所示，可以得出隧道的水平收斂值并沒有超出地鐵部門制定的5 470 mm這一水平收斂控制值；結合圖7可以看出，隧道的水平收斂數(shù)據(jù)變化情況與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)反應的變形情況基本一致，結合施工情況分析可得出地鐵隧道結構在基坑施工過程中，基坑土方開挖使結構受力情況發(fā)生了改變，使隧道結構整體處于水平方向的拉伸狀態(tài)，從而使隧道發(fā)生了變形。

6　結　論

測量機器人因為能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測且精度高在地鐵自動化監(jiān)測領域得到了很好的應用和普及，但作為一種依賴監(jiān)測點反映結構變形的監(jiān)測手段，只能對布設有監(jiān)測點的位置進行監(jiān)測，無法發(fā)現(xiàn)和掌握沒有布設監(jiān)測點區(qū)域的變形情況。

同時，在沒有歷史變形資料的區(qū)域進行監(jiān)測時，不能掌握隧道歷史變形情況，按照地鐵部門給定的統(tǒng)一警戒值、控制值進行監(jiān)測時，可能會出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)還未達到警戒值，管片就出現(xiàn)破壞的情況，所以通過三維激光掃描獲取水平收斂數(shù)據(jù)綜合分析隧道的變形情況，對控制值進行合理取值顯得非常重要。

本文通過測量機器人地鐵自動化變形監(jiān)測引申出地鐵三維激光掃描，通過點云拼接、計算獲得隧道水平收斂值，利用三維激光掃描結合自動化監(jiān)測分析隧道結構的變形，有效彌補了測量機器人在地鐵監(jiān)測中的不足，同時為論證地鐵隧道的變形情況提供了有力的資料，在地鐵變形監(jiān)測領域有一定的現(xiàn)實意義。

三維激光掃描技術作為一項先進的技術，隨著地鐵運營里程的不斷增加，地鐵隧道的維護也成為重中之重，地鐵變形監(jiān)測也將變得更加重要，三維激光掃描技術必將在隧道維護、變形監(jiān)測等領域做出重要的貢獻。