三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道軸線復(fù)測(cè)中的應(yīng)用

唐萬(wàn)銀

（上海市巖土工程檢測(cè)中心，上海200436）

1 引言

盾構(gòu)法施工掘進(jìn)過(guò)程中，及時(shí)對(duì)成型的隧道進(jìn)行軸線復(fù)測(cè)，對(duì)隧道管片收斂進(jìn)行檢測(cè)以及對(duì)洞門(mén)中心進(jìn)行三維坐標(biāo)復(fù)測(cè)等，可以為盾構(gòu)施工提供必要的隧道變形數(shù)據(jù)，保證隧道的施工安全和順利貫通。目前，常規(guī)方法是運(yùn)用全站儀觀測(cè)，具有效率低，人員投入大，成果輸出形式單一等缺點(diǎn)。

2 地鐵隧道軸線復(fù)測(cè)的內(nèi)容和現(xiàn)行技術(shù)方法

2.1 地鐵隧道軸線復(fù)測(cè)內(nèi)容

地鐵隧道軸線復(fù)測(cè)是盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作，是確保盾構(gòu)按設(shè)計(jì)路線準(zhǔn)確推進(jìn)的一種手段，主要復(fù)測(cè)內(nèi)容包括：（1）檢測(cè)已成型的隧道中心平面、高程的偏離情況，及時(shí)通知施工方調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)；（2）對(duì)洞門(mén)中心三維坐標(biāo)精確復(fù)測(cè)，保證盾構(gòu)機(jī)安全、準(zhǔn)確進(jìn)洞；（3）對(duì)隧道管片進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè)，確保隧道的安全穩(wěn)定。

2.2 現(xiàn)行技術(shù)方法

目前，隧道軸線復(fù)測(cè)主要采用傳統(tǒng)的全站儀觀測(cè)的方式，主要確定有以下幾個(gè)方面：（1）人員投入多，每個(gè)組至少需要3人；（2）測(cè)量效率低，隧道內(nèi)環(huán)境較差，加大了儀器整平、對(duì)中、后視等操作的難度，嚴(yán)重影響了觀測(cè)精度和效率；（3）外業(yè)觀測(cè)的數(shù)據(jù)量有限，無(wú)法觀測(cè)到每個(gè)管片，成果分析存在一定的困難。

3 三維激光掃描技術(shù)在軸線復(fù)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描儀采用的是儀器本身的坐標(biāo)系統(tǒng)，原點(diǎn)位于激光發(fā)射處，建立了一套獨(dú)特的右手空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)[1，2]。其測(cè)量原理是通過(guò)內(nèi)置的激光發(fā)射器發(fā)射激光束，接收器接收測(cè)量物體反射的激光束后，計(jì)算掃描儀與被測(cè)物體的距離S，同時(shí)，控制編碼自動(dòng)測(cè)量每束激光的橫向掃描角度和縱向掃描角度，根據(jù)式（1）~式（3）計(jì)算被測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息。

式中，α為橫向掃描角度；β為縱向掃描角度。

3.2 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

3.2.1 獲取的三維數(shù)據(jù)精度高

三維激光掃描儀所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接來(lái)自目標(biāo)體表面，無(wú)須進(jìn)行任何的表面處理，完全是實(shí)物的逆向重建，由此建立的三維模型保證了掃描目標(biāo)的真實(shí)和逼真。

3.2.2 無(wú)需接觸目標(biāo)體

三維激光掃描技術(shù)不需要接觸目標(biāo)體，可以深入一些危險(xiǎn)、復(fù)雜的場(chǎng)景中，采用三維激光掃描儀直接掃描被測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而重構(gòu)待測(cè)目標(biāo)的三維模型等數(shù)據(jù)。

3.2.3 應(yīng)用范圍廣泛

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景豐富，不僅可應(yīng)用于傳統(tǒng)的地形地籍測(cè)繪，更可應(yīng)用于如建筑施工、地質(zhì)災(zāi)害防治、文保修復(fù)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等行業(yè)。

3.2.4 儀器架設(shè)自由度高

三維激光掃描儀架設(shè)相對(duì)傳統(tǒng)的全站儀來(lái)說(shuō)，免去了對(duì)中的步驟，也就消除了對(duì)中誤差的影響。架站靈活，環(huán)境影響較小，三維激光掃描儀可隨意架站，避開(kāi)不利影響。

3.3 三維激光掃描在軸線復(fù)測(cè)中的作業(yè)流程

三維激光掃描的作業(yè)流程，主要包括技術(shù)方案設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成果輸出4個(gè)方面。

3.3.1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

主要考慮隧道內(nèi)測(cè)站及標(biāo)靶布設(shè)的位置，有利于后期的配準(zhǔn)、拼接，減小拼接誤差。常規(guī)布點(diǎn)拼接方案為每站拼接，根據(jù)拖雷提出的一種多站全局的布點(diǎn)方法布設(shè)測(cè)站及標(biāo)靶（見(jiàn)圖1），該方法分為3站一個(gè)區(qū)間，測(cè)站1和測(cè)站3的點(diǎn)云只需一次拼接就可完成，比常規(guī)的拼接方法減少了一次，誤差也隨之減小。

圖1 全局布點(diǎn)方案

3.3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用全站儀導(dǎo)線測(cè)量的方法，通過(guò)地上地下聯(lián)系測(cè)量，將絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)引入隧道內(nèi)，以便于隧道軸線及洞門(mén)數(shù)據(jù)的成果分析。按照技術(shù)方案設(shè)計(jì)的測(cè)站及標(biāo)靶的位置擺放激光掃描儀和標(biāo)靶，設(shè)置掃描儀分辨率等參數(shù)，獲得隧道及洞門(mén)等所需的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)，獲得標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

將外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件，利用現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)好的標(biāo)靶進(jìn)行拼接、配準(zhǔn)等，并進(jìn)行去噪、上色等技術(shù)處理，獲得完整的三維點(diǎn)云模型。

3.3.4 成果輸出

利用已處理好的隧道、洞門(mén)等三維點(diǎn)云模型，通過(guò)切片、擬合、提取等技術(shù)手段，獲得隧道的軸線三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、隧道管片的斷面數(shù)據(jù)及洞門(mén)中心的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，對(duì)生成的數(shù)據(jù)整理后形成成果報(bào)告。

4 工程案例分析

本工程案例選取上海軌道交通某號(hào)線隧道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該段隧道設(shè)計(jì)直徑為5.9m，實(shí)驗(yàn)期間隧道處于盾構(gòu)施工推進(jìn)階段。選用儀器設(shè)備為L(zhǎng)eica P40三維激光掃描儀和Leica TS50全站儀，軟件設(shè)備為L(zhǎng)eica Cyclone和加拿大Polyworks等。對(duì)三維掃描儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)和全站儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了外符合性對(duì)比測(cè)試。

選取某區(qū)間隧道下行線300~660環(huán)和某車(chē)站北洞門(mén)上下行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體掃描參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 三維激光掃描儀參數(shù)設(shè)置

4.1 隧道軸線、斷面掃描對(duì)比分析

外業(yè)每站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)選取50m范圍，共計(jì)觀測(cè)8站，內(nèi)業(yè)采用Leica Cyclone軟件對(duì)隧道掃描數(shù)據(jù)的拼接（拼接精度為1mm）、去噪、上色，獲得完整的某區(qū)間下行線300~660環(huán)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型。

對(duì)隧道待測(cè)區(qū)域點(diǎn)云模型進(jìn)行定位，提取目標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)加拿大Polyworks軟件進(jìn)行擬合分析，獲取隧道的軸線三維坐標(biāo)及橫、豎半徑信息。

將三維掃描擬合的軸線數(shù)據(jù)和斷面數(shù)據(jù)與全站儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，其外符合性精度如表2、表3所示。

表2 隧道軸線對(duì)比表

表3 隧道橫豎徑對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三維掃描方式和全站儀測(cè)量方式觀測(cè)的隧道軸線數(shù)據(jù)差值在±5mm以內(nèi)；隧道橫豎經(jīng)的數(shù)據(jù)差值約為±3mm。完全滿足隧道推進(jìn)時(shí)軸線控制的精度要求。與傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方式相比，三維掃描方法可以大幅提升隧道軸線及收斂的外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，且可以提取任意斷面的掃描數(shù)據(jù)。

4.2 洞門(mén)掃描分析

對(duì)外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、上色，獲得完整的洞門(mén)區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

對(duì)洞門(mén)區(qū)域點(diǎn)云模型進(jìn)行分割（見(jiàn)圖2），提取目標(biāo)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3），通過(guò)加拿大Polyworks軟件進(jìn)行擬合分析，獲取洞門(mén)圓心坐標(biāo)信息（見(jiàn)圖4）。

圖2 洞門(mén)細(xì)部數(shù)據(jù)

擬合后的洞門(mén)中心三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

圖3 提取洞門(mén)環(huán)片點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合

表4 洞門(mén)中心三維坐標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三維掃描方式擬合洞門(mén)坐標(biāo)數(shù)據(jù)和全站儀測(cè)量方式數(shù)據(jù)差值約為±4mm。數(shù)據(jù)精度滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)看，三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于地鐵軸線復(fù)測(cè)，其精度完全滿足工作的需要，較常規(guī)的測(cè)量方法，三維激光掃描可以更加快速、精確提供隧道的軸線數(shù)據(jù)和管片的收斂姿態(tài)，并且極大地節(jié)省人力物力的投入，可以在類(lèi)似項(xiàng)目中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。