三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中的應(yīng)用

文/黃偉 浙江華東工程安全技術(shù)有限公司 浙江杭州 310000

傳統(tǒng)地鐵隧道斷面測量以吊鉛錘法、斷面儀法以及全站儀極坐標(biāo)法、攝影測量法等方法為主，但是，由于這些測量方法在實際測量應(yīng)用中不僅數(shù)據(jù)采樣的效率較低，并且能夠測量的斷面數(shù)量十分有限，導(dǎo)致其測量結(jié)果只能對隧道斷面的局部特征進(jìn)行呈現(xiàn)，在實現(xiàn)大范圍、高效測量分析應(yīng)用中局限性十分突出。此外，上述傳統(tǒng)測量方法在實際測量應(yīng)用中容易受人為因素影響，出現(xiàn)測量誤差，對測量的準(zhǔn)確性造成影響。針對這種情況，下文通過三維激光掃描技術(shù)的測量應(yīng)用優(yōu)勢分析基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，對其在地鐵隧道斷面測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行研究。

1、三維激光掃描技術(shù)及其作用優(yōu)勢分析

三維激光掃描技術(shù)作為一種新型立體掃描技術(shù)，具有高精度、高密度以及全自動等特征，在實際掃描測量應(yīng)用中能夠通過百萬點/秒的掃描速度對測量目標(biāo)進(jìn)行全覆蓋、高分辨率的三維激光點云數(shù)據(jù)掃描獲取，以滿足其掃描測量的需求，并能夠根據(jù)掃描獲取數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維實景影像模型構(gòu)建，具有較為顯著的掃描測量應(yīng)用優(yōu)勢。

三維激光掃描技術(shù)在進(jìn)行地鐵隧道斷面測量應(yīng)用中，其掃描測量的誤差來源主要包括系統(tǒng)誤差與偶然誤差兩種情況。其中，系統(tǒng)誤差是由三維激光掃描系統(tǒng)及儀器本身設(shè)計、制造、老化等引起的，主要表現(xiàn)為進(jìn)行測距的精度誤差與角度測量誤差等；偶然誤差則是一種隨機誤差情況，是由標(biāo)靶獲取以及隧道壁反射面、測量環(huán)境等因素導(dǎo)致。為避免三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道斷面測量中誤差及影響，結(jié)合其掃描測量的實際情況，可以通過在測量前對三維激光掃描儀器進(jìn)行檢定與調(diào)校，確保測量應(yīng)用儀器設(shè)備的系統(tǒng)誤差在合理范圍內(nèi)，以減少對隧道斷面測量的誤差影響；同時，在掃描測量中也可以通過分站式掃描設(shè)站點的增加，并確保單站的掃描測量距離不超過30m，來避免因測距常數(shù)導(dǎo)致的誤差及影響；此外，還可以通過掃描測量中將測站與標(biāo)靶架設(shè)在基樁控制點上，并按照15至20m的密度進(jìn)行測站以及標(biāo)靶布置，在強制對中以及通過掃描前進(jìn)行標(biāo)靶點坐標(biāo)輸入等方式進(jìn)行檢查，以避免其誤差及影響發(fā)生。三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道斷面測量工作實踐中，還可以通過對點云數(shù)據(jù)一定重疊度的控制，確保每一個測站掃描點云數(shù)據(jù)存在20%至30%的重疊度，以在對每一測站公共部分的點云拼接下，確保其測量區(qū)段的點云數(shù)據(jù)掃描測量精確度。

2、三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中的應(yīng)用

2.1 工程實例分析

以某城市交通軌道1號線的斷面測量為例，該地鐵隧道全線長為34.24km，共設(shè)置有29個?？空军c，每個站點之間的平均間距約為1.2km。當(dāng)前，該隧道工程的多數(shù)隧道盾構(gòu)區(qū)間已經(jīng)順利貫通，即將進(jìn)行全線鋪軌工程。但是，由于施工誤差以及地鐵隧道沉降變形等因素作用，導(dǎo)致該隧道主體結(jié)構(gòu)的空間位置與設(shè)計值發(fā)生一定的偏移，需要針對地鐵隧道的設(shè)計路線結(jié)合實際情況對其平、縱斷面進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以滿足地鐵隧道的建設(shè)及車輛運行、設(shè)備安裝等限界要求。也就是說需要針對該地鐵隧道的現(xiàn)狀，通過對隧道斷面的精確測量以進(jìn)行調(diào)線、調(diào)坡實施，進(jìn)而滿足其軌道交通線路的施工建設(shè)要求，確保其順利建成并投入運行。下文將以該城市軌道交通線路的某站點區(qū)間右線隧道斷面測量工作的開展為例，對三維激光掃描技術(shù)在該地鐵隧道斷面測量中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析論述。

2.2 三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道斷面測量的實踐

三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道斷面測量應(yīng)用，其作業(yè)過程主要包含掃描測量前的準(zhǔn)備工作以及進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、測量結(jié)果評價等。

2.2.1 準(zhǔn)備工作

首先，在掃描測量前的準(zhǔn)備工作中，以掃描測量使用設(shè)備的選擇和進(jìn)行控制網(wǎng)測量設(shè)定為主。上述地鐵隧道斷面測量中，為確保斷面測量的精確度選用的是Leica P40型三維激光掃描儀，該掃描儀的標(biāo)稱掃描距離為270m，且其50m范圍內(nèi)的單點掃描測量精確度為3mm，同時100m范圍內(nèi)的單點掃描測量精確度為6mm。此外，其掃描測量中使用的標(biāo)靶為儀器配套徠卡黑白標(biāo)靶，它也是該隧道斷面測量中多測站公共點觀測的目標(biāo)。

其次，進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集前需要對其平面及高程控制網(wǎng)進(jìn)行測量設(shè)置，具體方法為：以兩個站點之間的區(qū)間作為一個測量單元，對其地下平面與高程控制網(wǎng)進(jìn)行測量設(shè)置，在隧道區(qū)間的兩端車站底板上分別進(jìn)行兩個平面控制點和一個高程控制點布設(shè)，并通過聯(lián)系測量對其平面坐標(biāo)和高程值進(jìn)行獲取，以作為其控制網(wǎng)兩端的起始計算坐標(biāo)點；然后在隧道斷面測量區(qū)域內(nèi)每間隔100m進(jìn)行一個控制點布設(shè)，同時作為平面與高程控制網(wǎng)的控制點進(jìn)行使用，其中，對其平面控制網(wǎng)以導(dǎo)線測量方式進(jìn)行，使用Leica TS50測量機器人進(jìn)行測量實現(xiàn)，而高程控制網(wǎng)使用Trimble DiNi03電子水準(zhǔn)儀以二等水準(zhǔn)進(jìn)行測量，對測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用COSA平差軟件進(jìn)行平差處理，以對隧道內(nèi)的各個控制點平差后的三維坐標(biāo)值進(jìn)行獲取并確定。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

采用三維掃描技術(shù)進(jìn)行隧道斷面測量的數(shù)據(jù)采集階段，主要是進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的采集與獲取，包含掃描參數(shù)設(shè)定與測站、標(biāo)靶布設(shè)等。其中，掃描參數(shù)設(shè)定中，為了實現(xiàn)完整的隧道掃描點云數(shù)據(jù)獲取，對其掃描測量的視場角不進(jìn)行限定，以全景掃描模式進(jìn)行，將其掃描分辨率設(shè)置為3.1mm@10m，并且對其正常掃描靈敏度下的單站掃描時間設(shè)定為3.5min，掃描測量過程中需要兼顧測量精度與掃描測量的效率。其次，進(jìn)行測量站點與標(biāo)靶布設(shè)中，對其測站布設(shè)應(yīng)以不受遮擋且較為空曠的隧道中心位置為準(zhǔn)，確保布設(shè)測站的單站能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍掃描，同時掃描點云數(shù)據(jù)分布相對均勻。對標(biāo)靶布設(shè)對直線段需要將標(biāo)靶與測站之間距離控制為40至50m，而曲線段則需要控制在30至40m之間，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行合理調(diào)整。上述隧道斷面測量工程中，其測量區(qū)間長度約為1.2km，共布設(shè)有17個測量站點，并且對每個控制點均設(shè)置有徠卡黑白標(biāo)靶，同時確保兩測站均能夠?qū)崿F(xiàn)對控制點上的徠卡標(biāo)靶的觀測。

針對上述三維掃描測量結(jié)果，為對其測量精度進(jìn)行評價，采用常規(guī)斷面測量的全站儀放樣線路中心點測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行校驗后顯示，兩種檢測方式對隧道中心左右橫距差值的平均值為4mm，底高差值平均值為2mm，符合其測量精度要求，測量結(jié)果較為可靠。

結(jié)語：

總之，對三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測量中應(yīng)用研究，有利于其在實際中推廣應(yīng)用，進(jìn)而促進(jìn)隧道斷面測量的工作效率以及測量精度提升，具有十分積極的作用和意義。