新型移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在盾構(gòu)管片橢圓度檢測(cè)中的應(yīng)用

李 軍，高 濤

(1. 南寧市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，廣西 南寧 530000；2. 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

隨著我國(guó)城市不斷發(fā)展，城市人口不斷增加，地面交通影響因素復(fù)雜，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，交通問(wèn)題逐漸成為限制城市發(fā)展的重要因素。建設(shè)城市軌道交通網(wǎng)對(duì)于解決越來(lái)越嚴(yán)重的交通阻塞問(wèn)題具有重大意義[1-3]。盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，其具有掘進(jìn)速度快，自動(dòng)化程度高，不影響地面交通與設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)，因此在地鐵隧道結(jié)構(gòu)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)管片通常采用高強(qiáng)抗?jié)B混凝土，以確?？煽康某休d性和防水性能，利用成品管片模具在密封澆灌混凝土后即可成型。在地鐵運(yùn)營(yíng)以后，由于地質(zhì)條件差或者周邊臨近基坑施工等原因，隧道會(huì)出現(xiàn)漏水、裂縫、下沉等病害。根據(jù)《城市地下空間檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于盾構(gòu)法隧道健康檢測(cè)的規(guī)定，需要對(duì)隧道襯砌環(huán)直徑橢圓度進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的橢圓度檢測(cè)主要有吊鉛錘法、全站儀斷面法、激光斷面儀法等。傳統(tǒng)作業(yè)方式存在效率低、操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，因此無(wú)法進(jìn)行大范圍的檢測(cè)[4-6]。本文創(chuàng)新引入移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)，分析移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)的橢圓度檢測(cè)的基本原理及作業(yè)流程，通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)越性。

1 橢圓度檢測(cè)常用方法

盾構(gòu)隧道管片的理論設(shè)計(jì)為圓形，由于盾構(gòu)管片在生產(chǎn)、安裝、使用過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)偏差，特別是地鐵線(xiàn)路不斷運(yùn)營(yíng)，管片周?chē)奢d隨著環(huán)境變化發(fā)生改變，導(dǎo)致盾構(gòu)環(huán)片發(fā)生變形，為了保障地鐵運(yùn)營(yíng)的安全，必須對(duì)隧道管片的形狀的穩(wěn)定性進(jìn)行定期的檢測(cè)[7-9]。橢圓度(也叫不圓度)是定量分析盾構(gòu)管片整體形變的重要參數(shù)，地鐵隧道盾構(gòu)法施工設(shè)計(jì)、驗(yàn)收和保護(hù)相關(guān)規(guī)范都對(duì)盾構(gòu)管片的橢圓度檢測(cè)進(jìn)行了規(guī)定和要求，隧道管片橢圓度的關(guān)鍵在于計(jì)算隧道管片的橢圓長(zhǎng)短半軸。目前現(xiàn)有的檢測(cè)手段主要有3種，分別為吊鉛錘法、全站儀斷面法、激光斷面儀法。地鐵隧道管片橢圓度計(jì)算方法為

(1)

式中，T為管片橢圓度；a為橢圓長(zhǎng)半軸；b為橢圓短半軸；D為標(biāo)稱(chēng)直徑。

1.1 吊鉛錘法

吊鉛錘法是通過(guò)直接測(cè)量盾構(gòu)管片的橢圓長(zhǎng)軸和短軸，從而計(jì)算管片的橢圓度[10]。該方法又被稱(chēng)為直接法，采用皮尺與吊鉛錘相結(jié)合，在隧道管片邊緣吊多條鉛錘，兩側(cè)通過(guò)拉皮尺方法找到垂直于各鉛錘的測(cè)線(xiàn)，通過(guò)多次量測(cè)找到測(cè)線(xiàn)最長(zhǎng)位置，找出長(zhǎng)半軸a和短半軸b，根據(jù)式(1)計(jì)算橢圓度。該方法由于通過(guò)鉛錘定線(xiàn)確定長(zhǎng)短軸，前提假定短半軸與鉛錘方向平行，但實(shí)際情況隧道的長(zhǎng)軸并不在水平方向，該方法存在一定狹隘性。

1.2 全站儀斷面法

免棱鏡全站儀具有精度高、測(cè)程遠(yuǎn)、設(shè)備穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，因此利用免棱鏡全站儀對(duì)隧道管片進(jìn)行一定數(shù)量測(cè)量采集，通過(guò)這些測(cè)點(diǎn)對(duì)隧道環(huán)片的整體形狀進(jìn)行擬合處理，獲取隧道管片的長(zhǎng)短半軸，進(jìn)而求出管片的橢圓度。但全站儀為單點(diǎn)測(cè)量模式，該方式精度高，但采集速度慢，采集的測(cè)點(diǎn)密度較小，一般盾構(gòu)管片的斷面測(cè)量?jī)H獲取15～20點(diǎn)測(cè)點(diǎn)，不能完全反映隧道整體形態(tài)。

1.3 激光斷面儀法

激光斷面測(cè)量測(cè)點(diǎn)密度高、測(cè)量速度快，是一種較為先進(jìn)的隧道形態(tài)獲取方法[11]。該方法利用高精度快速測(cè)距、測(cè)角技術(shù)，利用極坐標(biāo)測(cè)量與計(jì)算機(jī)結(jié)合，通過(guò)單站測(cè)量方式快速獲取大量隧道結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合專(zhuān)業(yè)點(diǎn)云圖像處理軟件獲得環(huán)片內(nèi)壁輪廓，確定管環(huán)長(zhǎng)短軸的位置并計(jì)算其長(zhǎng)度，進(jìn)而得到環(huán)片的橢圓度。但該方法只能單站測(cè)量，對(duì)于隧道長(zhǎng)條形特殊結(jié)構(gòu)，其作業(yè)效率不能很好地滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求。

2 基于新型移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的隧道管片橢圓度檢測(cè)

移動(dòng)激光測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)迅速發(fā)展的高新技術(shù)，初期汽車(chē)為載體對(duì)道路及周邊建筑的整體數(shù)據(jù)采集。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，考慮地鐵盾構(gòu)隧道的帶狀構(gòu)造、地下作業(yè)空間封閉、作業(yè)天窗點(diǎn)寶貴的特點(diǎn)[12-13]，本文創(chuàng)新引入移動(dòng)激光掃描技術(shù)，以解決傳統(tǒng)隧道管片檢測(cè)中的諸多不足。本文以RMMS-01移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為例介紹移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成，分析橢圓度檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法。

2.1 系統(tǒng)介紹

RMMS-01移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)集成德國(guó)Z+F9012激光掃描儀、GNSS/IUM定位定姿系統(tǒng)和DMI(里程計(jì))等多種傳感器。通過(guò)多種傳感器的集成，利用定制的軌道小車(chē)和電源為掃描平臺(tái)，為各傳感器統(tǒng)一進(jìn)行供電。通過(guò)置入的微電腦同步控制系統(tǒng)，對(duì)各傳感器同步控制建立統(tǒng)一系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速獲取連續(xù)隧道管片的點(diǎn)云信息。集成后的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

項(xiàng)目參數(shù)激光測(cè)程/m0.5～119激光發(fā)射頻率100萬(wàn)點(diǎn)/秒掃描速度200轉(zhuǎn)/秒掃描角度/(°)360掃描角分辨率/(°)0.0088角速度測(cè)量范圍/(°/s)±400陀螺儀零偏/(°/h)≤0.5環(huán)境適應(yīng)溫度:-45～65℃,濕度:0～95%檢測(cè)速度/(km/h)3—5

2.2 橢圓度檢測(cè)處理方法

該系統(tǒng)每秒鐘可獲取幾百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含隧道內(nèi)壁的形態(tài)信息，由于隧道管片表面安裝了諸多配套設(shè)備如電燈、電線(xiàn)、螺栓等，因此點(diǎn)云成果中存在大量的噪點(diǎn)[14-16]。為了保證環(huán)片橢圓度檢測(cè)的真實(shí)性，必須對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行剔除。橢圓度檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程主要有3個(gè)部分：噪點(diǎn)剔除、橢圓擬合、橢圓度計(jì)算。

2.2.1 噪點(diǎn)剔除

噪點(diǎn)剔除的方法有很多種，如高斯濾波、半徑濾波、雙邊濾波等。通過(guò)一定的點(diǎn)云濾波方法，剔除明顯不屬于環(huán)片壁的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)定不同的閾值通過(guò)不斷迭代提高點(diǎn)云的可靠性。然后利用得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行橢圓擬合。

2.2.2 橢圓擬合

本文橢圓擬合基本方法是利用最小二乘法，把去噪后的點(diǎn)云坐標(biāo)代入橢圓方程(式(2))，由于點(diǎn)云不是嚴(yán)格橢圓會(huì)存在偏差，偏差公式為式(3)。

Ax2+B2+Cxy+Dx+Ey+1=0

(2)

(3)

根據(jù)式(3)采用最小二乘原理代入斷面點(diǎn)云坐標(biāo)，即可求得橢圓的一般參數(shù)(A、B、C、D、E),將橢圓的一般參數(shù)代入式(2)得到與斷面點(diǎn)云最佳擬合的橢圓。

2.2.3 橢圓度計(jì)算

根據(jù)橢圓擬合獲取橢圓方程，進(jìn)一步求出橢圓的長(zhǎng)短半軸a和b，再利用式(1)即可求出管片橢圓度。

該系統(tǒng)不僅可以快速連續(xù)獲取大量的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且利用本文的橢圓擬合方法進(jìn)行大量點(diǎn)云迭代計(jì)算，可輕松實(shí)現(xiàn)隧道橢圓度的逐環(huán)快速檢測(cè)，大大提高了橢圓度的檢測(cè)速度和準(zhǔn)確度。

3 項(xiàng)目案例與分析

3.1 項(xiàng)目概況

我國(guó)中部某城市地鐵公司要求在該市某條地鐵線(xiàn)路兩個(gè)區(qū)間從2018年6月至2019年4月配合運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行為期兩次的橢圓度監(jiān)測(cè)。區(qū)間1(右線(xiàn))里程從K20+727.095至K21+504.579，共517個(gè)環(huán)片；區(qū)間2(右線(xiàn))里程從K14+409.545至K15+169.473，共504個(gè)環(huán)片。

3.2 成果分析

采用自主研發(fā)的自動(dòng)化點(diǎn)云處理方法將外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)，利用本文橢圓度監(jiān)測(cè)方法對(duì)隧道盾構(gòu)環(huán)片進(jìn)行逐環(huán)檢測(cè)，并將該環(huán)片的擬合橢圓，長(zhǎng)短半軸，水平直徑，偏轉(zhuǎn)角(長(zhǎng)軸與水平方向夾角)、橢圓度等信息進(jìn)行輸出。以區(qū)間1里程K20+889.816處109環(huán)進(jìn)行示意說(shuō)明。圖2為環(huán)片斷面示意圖及檢測(cè)成果表。

將兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐環(huán)檢測(cè)，并將兩次檢測(cè)的橢圓度進(jìn)行疊加分析，對(duì)比兩次檢測(cè)橢圓度變化情況，對(duì)比分析結(jié)果如圖3所示,通過(guò)對(duì)比可知區(qū)間1和區(qū)間2在兩次掃描檢測(cè)期內(nèi)環(huán)片橢圓度變化不大，該時(shí)間段內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，同一區(qū)間內(nèi)橢圓度值較大位置多為隧道的洞口，由此可知隧道洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不如隧道內(nèi)部。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文引入新型移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)，分析了該技術(shù)在隧道橢圓度檢測(cè)中的原理與方法，介紹了橢圓度檢測(cè)的基本流程，通過(guò)工程案例進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，該方法檢測(cè)信息全面，作業(yè)效率快，提高了橢圓度檢測(cè)的可靠性，更加符合未來(lái)隧道管片檢測(cè)的需求。