三維激光掃描技術(shù)在地鐵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用

白殿有

(天津軌道交通運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，天津 300392)

1 引 言

地鐵結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、周邊復(fù)雜的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、臨近施工擾動(dòng)都是影響地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，在各種影響因素的作用下地鐵結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的形變，各種隧道病害如洇濕、滲水、裂縫、掉塊、錯(cuò)臺(tái)、管片破損等會(huì)隨之顯現(xiàn)出來(lái)。為了了解地鐵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，評(píng)估其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，需對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查。

常用地鐵現(xiàn)狀調(diào)查設(shè)備主要是采用游標(biāo)卡尺、皮尺、全站儀、收斂?jī)x、斷面儀、工業(yè)測(cè)量相機(jī)等，主要通過(guò)人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)化程度低、數(shù)據(jù)采集的效率相對(duì)低下，且其獲得數(shù)據(jù)多為重點(diǎn)部位斷面數(shù)據(jù)或點(diǎn)位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不全面。

三維激光掃描技術(shù)又稱三維實(shí)景復(fù)制技術(shù)，通過(guò)發(fā)射高密度的激光實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全面采集，具有采集范圍大、距離遠(yuǎn)、速度快、數(shù)據(jù)密度大、連續(xù)性高、全面等優(yōu)點(diǎn)，利用其配套的點(diǎn)云處理軟件根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其生成的激光全息影像可快速、準(zhǔn)確、全面地實(shí)現(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)形態(tài)的快速獲取及隧道病害識(shí)別。作業(yè)生產(chǎn)中可單獨(dú)利用站式掃描儀進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，也可利用集成設(shè)備以三維激光掃描儀為主體同步各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的協(xié)同采集。后者的作業(yè)化程度更高，應(yīng)用也更為廣泛[1～3]。瑞士安伯格技術(shù)公司生產(chǎn)的GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)是目前在地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中應(yīng)用較多和技術(shù)較為成熟的一套設(shè)備[4，5]。

2 GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)介紹

如圖1所示，GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)是將慣導(dǎo)、距離傳感器、傾斜傳感器、里程計(jì)等各種高精度的傳感器與可進(jìn)行高速測(cè)量數(shù)據(jù)采集的三維激光掃描儀集成在軌道小車上，協(xié)同完成高精度點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。

圖1 GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)

三維激光掃描儀隨著小車在軌道上行以螺旋線形式對(duì)隧道進(jìn)行高密度掃描。利用發(fā)射和接收激光信號(hào)的相位差，計(jì)算獲得隧道襯砌表面掃描點(diǎn)的二維坐標(biāo)，配合慣導(dǎo)的外部絕對(duì)定位，可以獲得所有測(cè)量點(diǎn)的三維絕對(duì)坐標(biāo)，最終獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)分析發(fā)射和接收激光信號(hào)的強(qiáng)度，可以獲得隧道襯砌內(nèi)表面的影像信息，形成灰度圖。利用該系統(tǒng)可獲得5 mm×5 mm的狀態(tài)評(píng)估影像以及 10 mm的斷面測(cè)量數(shù)據(jù)。相對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)查方式，其采集的點(diǎn)云全面反映了地鐵結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，通過(guò)后處理軟件處理可生成任意斷面任意位置的報(bào)表數(shù)據(jù)，生成的灰度圖可應(yīng)用病害的初判及展示，且設(shè)備的行進(jìn)在小車載體上省人省工，應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)調(diào)查的實(shí)際適宜作業(yè)行進(jìn)速度約為 600 m/h左右，效率更高。

3 GRP5000在地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中的作業(yè)流程

因地鐵運(yùn)營(yíng)的特殊性，地鐵現(xiàn)狀調(diào)查多在夜間天窗點(diǎn)進(jìn)行，作業(yè)時(shí)間較為寶貴。一般在接受完任務(wù)應(yīng)制定詳細(xì)的測(cè)量方案做好充足的工前準(zhǔn)備。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組裝完畢儀器完成初始化后即可推進(jìn)小車輕松完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后將采集成果導(dǎo)入TunnelMap軟件中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、投影變換、限界處理、3D變換后即可建立隧道結(jié)構(gòu)模型以獲取結(jié)構(gòu)的形態(tài)、錯(cuò)臺(tái)、收斂等測(cè)量信息以及用于病害識(shí)別、量測(cè)的高清影像圖。為謹(jǐn)慎起見(jiàn)，標(biāo)注病害的高清影像圖經(jīng)外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)修正后方可正式輸出。具體的工作流程如圖2所示。

圖2 地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)的作業(yè)流程

4 應(yīng)用實(shí)例

某項(xiàng)目臨近地鐵，在施工前為了解其地鐵現(xiàn)狀，為相應(yīng)的評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)配合人工調(diào)查的方式對(duì)其現(xiàn)狀形態(tài)及其病害狀況進(jìn)行了現(xiàn)狀調(diào)查。圖3～圖6展示了部分成果數(shù)據(jù)，其中圖3為采集的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖4展示了利用三維點(diǎn)云獲取的某結(jié)構(gòu)斷面重點(diǎn)信息(因數(shù)據(jù)保密需要，距離及高程標(biāo)注數(shù)據(jù)已隱去)，圖5為其隧道結(jié)構(gòu)的橢圓度統(tǒng)計(jì)圖，圖6展示了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其灰度信息生成的高清影像圖識(shí)別標(biāo)注的病害數(shù)據(jù)。本次作業(yè)范圍左右線各約 280 m，作業(yè)過(guò)程耗時(shí)兩個(gè)地鐵天窗時(shí)間，第一個(gè)天窗時(shí)間進(jìn)行作業(yè)準(zhǔn)備及點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集耗時(shí)2小時(shí)左右，第二個(gè)天窗時(shí)間進(jìn)行病害確認(rèn)耗時(shí)3個(gè)小時(shí)。同樣的作業(yè)量采用原始作業(yè)方式，需在采用全站儀或斷面儀器根據(jù)作業(yè)要求每隔一定的距離對(duì)隧道的形態(tài)進(jìn)行測(cè)量同時(shí)，采用人工檢視、記錄、拍照等多種手段對(duì)每個(gè)環(huán)面進(jìn)行病害調(diào)查，耗時(shí)約4～5個(gè)天窗時(shí)間。相對(duì)傳統(tǒng)方式，采用三維激光掃描技術(shù)的效率更高、數(shù)據(jù)更全面、成果更直觀。

圖3 部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 某里程斷面重點(diǎn)信息

圖5 為其隧道結(jié)構(gòu)的橢圓度統(tǒng)計(jì)圖

圖6 標(biāo)注病害的高清影像圖

5 結(jié) 語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于常規(guī)地鐵現(xiàn)狀調(diào)查方式具有采集數(shù)據(jù)全面、高效便捷、數(shù)字化、成果形式豐富多樣、系統(tǒng)化等特點(diǎn)，特別是集成度更高的三維激光全息成像掃描的自動(dòng)化程度更高，優(yōu)勢(shì)更加明顯，利用其獲取地鐵結(jié)構(gòu)的形態(tài)及病害數(shù)據(jù)，并結(jié)合物探等手段提供更加全面的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是未來(lái)地鐵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查的發(fā)展方向，具有廣闊的前景。