基于三維激光的隧道變形監(jiān)測方法探究

施濤，高飛，葉周潤 （合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230000）

1 研究背景

地鐵隧道常常采用全站儀或測量機器人進行變形監(jiān)測，這種監(jiān)測方法只能在地鐵隧道斷面上選擇有限點位進行測量，隧道變形監(jiān)測的結(jié)果受到點位選取位置的影響很大。因此，需要選擇更有效的監(jiān)測方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。

采用三維激光掃描技術(shù)對地鐵隧道進行監(jiān)測，可以得到整個隧道的坐標信息，采集數(shù)據(jù)的過程更加快捷，節(jié)省人力，數(shù)據(jù)處理過程對點云數(shù)據(jù)的利用更加充分與合理，利用CloudCompare（下文簡稱CC）、PCL點云庫的功能，可以快速提取隧道點云并計算其變形。

本文采用CC與PCL軟件結(jié)合進行點云處理，利用MATLAB進行隧道斷面的擬合并計算各點到圓心的距離與隧道設(shè)計半徑進行比較，得出隧道的變形量。

2 項目施測方案

2.1 項目介紹

合肥地鐵四號線工程潛口路站位于徽州大道與高鐵路交叉口西側(cè)，高鐵路與規(guī)劃中的凌大塘路交口。該車站作為潛口路站—高鐵站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)站，盾構(gòu)施工過程中要穿越多個風險源。該區(qū)間隧道斷面直徑5.4m，項目位置如圖1所示。

圖1 項目區(qū)域

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.2.1 掃描數(shù)據(jù)

本次掃描采用的是Trimble SX10三維激光掃描儀。SX10用于測量密集的3D掃描數(shù)據(jù)，每秒可測高達26，600個點的高精度數(shù)據(jù)，測程可達600m。用Trimble SX10能夠捕獲點云數(shù)據(jù)，然后自動配準，每站的掃描時間僅需3～5min。

實驗選取潛口路至高鐵站方向右幅的一段隧道（約120m）分三個測站進行掃描。掃描所得數(shù)據(jù)如下圖2所示。

圖2 掃描數(shù)據(jù)

圖3 點云壓縮

2.2.2 點云降噪與壓縮

選取掃描所得的第一測站數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中，隧道底部一定角度范圍內(nèi)存在未清理的散落混凝土和一些小型施工器械，這些不利因素利用CC軟件剔除。與此同時，也使用CC對個別的孤點進行剔除，完成了初步的處理。然后進行點云重采樣對點云數(shù)量壓縮。結(jié)果如圖3所示。

2.2.3 精度分析

為了驗證三維激光掃描儀的測量精度，本實驗選取隧道內(nèi)某一斷面布設(shè)5處標靶紙，用激光掃描儀與徠卡TS300全站儀同時測量坐標。結(jié)果如表1、表2和表3所示。

三維激光掃描儀與全站儀在三個方向的差值最大為3.7mm，其中誤差滿足《城市軌道交通工程測量規(guī)范》的要求。因此，采用三維激光的方法是可行的。

標靶的X坐標 表1

標靶的Y坐標 表2

標靶的Z坐標 表3

2.2.4 斷面圓心擬合

采用Realworks軟件對隧道點云等間距斷面采集，間距為2.5m，斷面采集的厚度設(shè)為4cm。采集結(jié)果如圖4。

圖4 斷面采集

利用PCL點云庫將所得到的斷面投影到XOZ平面。對隧道斷面運用MATLAB軟件進行擬合得到斷面的圓心坐標。如圖5所示。

2.2.5 變形分析

圖5 斷面擬合

擬合得到的圓心坐標 表4

隧道監(jiān)測利用PCL點云庫編程，可選取同一隧道斷面內(nèi)的任意N處位置（本實驗選取 0°、45°、90°、135°、180°五處）鄰域內(nèi)的點進行擬合并計算至圓心的距離。表5為1號斷面不同方向的半徑情況（單位：m）。

1號斷面不同方向的半徑 表5

將擬合半徑與設(shè)計半徑(2.7m)對比分析可以得到隧道的變形量，如表6所示（單位：mm）。

隧道不同位置變形量 表6

選取部分斷面的數(shù)據(jù)與全站儀測得變形數(shù)據(jù)進行對比得到表7（單位:mm）。

兩種方式測得隧道變形的差值 表7

兩種方法得到的變形量的最大差值為3.93mm，因此，采用三維激光掃描的方法進行變形監(jiān)測是可靠的。

分析表6的數(shù)據(jù)可知，隧道的變形整體上表現(xiàn)為頂部沉降，兩側(cè)擴張，其中頂部沉降最大值為11.92mm，兩側(cè)擴張最大為23.88mm。

3 結(jié)語

本文通過三維激光掃描的手段采集地鐵隧道的海量點云數(shù)據(jù)處理分析得到隧道的變形值，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)采集效率低下的問題，采集得到的隧道信息更加全面，數(shù)據(jù)處理手段更加多樣。采用PCL點云庫結(jié)合MATLAB處理隧道變形問題驗證可行，為隧道變形分析提供了一套科學可行的解決方法。