移動三維激光掃描系統(tǒng)在地鐵盾構(gòu)隧道管片橢圓度檢測中的應(yīng)用

盛方劍

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司）

1 引言

在南京地鐵土建施工完成以后，地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道附近不可避免的會有改建商業(yè)街、修建道路等需要開挖基坑的施工，在開挖基坑的過程中加大了地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力，從而發(fā)生掉塊、開裂、滲漏水等病害現(xiàn)象[1]。

盾構(gòu)隧道管片根據(jù)綜合系統(tǒng)設(shè)計要求應(yīng)該是圓形，但是因為盾構(gòu)隧道管片在生產(chǎn)加工、拼接安裝等過程里，會產(chǎn)生一定誤差，一般都是使用橢圓度這一參數(shù)來表示這種偏差，橢圓度過大時常伴有管片開裂、掉塊、滲漏水等表觀病害現(xiàn)象，但無法判斷這些表觀病害現(xiàn)象的盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)具體的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)或者受力情況，這就加大了測試工作的困難程度。

本次研究分析里，詳細論述了自由移動型三維立體激光自動掃描體系獲得隧道點云數(shù)據(jù)的原理以及地鐵盾構(gòu)隧道變形分析中常用來分析橢圓度的方法，又結(jié)合南京市實際地鐵安全保護區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)施普查項目，使用徠卡SiTrack：One自由移動型三維立體激光自動掃描體系，針對這類應(yīng)用模式展開了論證。最終結(jié)果說明，相較于舊有傳統(tǒng)類型的橢圓度測試模式，自由移動型三維立體激光自動掃描系統(tǒng)來檢測隧道橢圓度的方法比傳統(tǒng)的橢圓度檢測方法更具高精度、高效率、人為干涉少的優(yōu)勢，在未來南京市地鐵的發(fā)展過程里，具備良好的使用發(fā)展前景。

2 移動式三維激光掃描系統(tǒng)

移動三維立體激光自動掃描體系是以三維立體激光自動掃描儀為感應(yīng)設(shè)備，和搭載應(yīng)用平臺、同步操控管理體系、準確定位定姿體系集中在移動應(yīng)用平臺上，給移動應(yīng)用平臺持續(xù)供應(yīng)具體位置數(shù)據(jù)信息，與此同時獲得三維空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。本次研究分析運用的是徠卡Si-Track：One自由移動型三維立體激光自動掃描體系，這個體系通常包括：三維立體激光自動掃描儀和軌檢小車兩大組成部分。軌檢小車上集中了里程數(shù)計、傾斜感應(yīng)設(shè)備、激光距離測量感應(yīng)設(shè)備及用于操作控制的電腦計算機。小車在運行軌道上不斷前行的時候，掃描儀獲取隧道斷面的表觀形態(tài)與反射率；里程計連續(xù)記錄小車前進里程；傾斜儀測量軌面超高；各傳感器同步采集各種測量參數(shù)，電腦計算機自動接收保存由感應(yīng)設(shè)備自動返回的數(shù)據(jù)信息，并且在這個體系上同步各感應(yīng)設(shè)備的有效時間。該系統(tǒng)內(nèi)部將高精度慣性導(dǎo)航單元與非接觸式激光里程計整合在一起，確保GNSS信號完全失鎖時，也可以持續(xù)獲取高精度的定位信息。

掃描軌檢小車前進時，會發(fā)生車身姿態(tài)的變化，掃描儀與小車因為相對位置固定，所以自動掃描儀姿態(tài)隨著小車的姿態(tài)一起改變。由于自動掃描儀的具體位置和姿態(tài)在迅速改變，因此自動掃描儀分布坐標系的分布坐標處理點云數(shù)據(jù)，需把獲取到的點云數(shù)據(jù)進行坐標交換到同一分布坐標系里[2]，如圖1所示，也就是自動掃描軌檢小車的分布坐標系。

圖1 自動掃描小車分布坐標系

3 橢圓度檢測

隧道的管片按設(shè)計要求為圓形，但因管片在加工、輸運、拼裝及使用過程中都會存在一定偏差，若偏差太大，則會嚴重阻礙管片的正常運用，更有甚者會引起公共道路交通意外事故，因此，運用橢圓度對管片的不圓程度進行量化。該參數(shù)可以對地鐵盾構(gòu)管片的總體彎曲變形實際狀況，展開定量研究分析。隧道盾構(gòu)法項目施工綜合系統(tǒng)設(shè)計、檢測驗收的有關(guān)標準規(guī)范對該參數(shù)也有具體規(guī)定。運算這個系數(shù)的核心關(guān)鍵是運算盾構(gòu)管片的橢圓長半軸與短半軸，參考依據(jù)盾構(gòu)法施工與驗收規(guī)范[3]，圓形隧道管片在襯砌安裝之后，隧道的最大有效直徑和最低有效直徑的有效差值，和隧道實際有效內(nèi)徑設(shè)計數(shù)值的比重，采用千分比代表，也就是：

式中：T為橢圓度；a為橢圓長半軸；b為橢圓短半軸；D為隧道內(nèi)徑設(shè)計值。

全站儀斷面測量法、吊鉛錘法和激光斷面儀法是檢測隧道橢圓度常用方法。全站儀斷面測量法是指在隧道中線上架設(shè)整平全站儀，輸入棱鏡高、儀器高、測站點坐標、后視點坐標等信息，再進行后視。之后，轉(zhuǎn)換全站儀的無棱鏡測量確定方式，促使全站儀根據(jù)設(shè)立應(yīng)用程序依次斷面自動掃描測量確定[4]，再經(jīng)過斷面點分布坐標運算盾構(gòu)管片橢圓度。吊鉛錘法是指通過皮卷尺和吊鉛錘結(jié)合測得盾構(gòu)管片的長短軸，再運算盾構(gòu)管片橢圓度。激光斷面儀法是成立在激光距離測量專業(yè)技術(shù)和精密數(shù)據(jù)測角專業(yè)技術(shù)上，將極分布坐標測量確定模式與電腦計算機視覺感官專業(yè)技術(shù)集合在一起，再結(jié)合有經(jīng)驗的計算機操作控制與圖像全面處理操作應(yīng)用軟件，獲得盾構(gòu)管片的內(nèi)部輪廓線[5]，之后運算隧道橢圓度。國內(nèi)各大型城市的地鐵運行維護壓力，伴隨著地鐵建設(shè)發(fā)展速率的加快而愈發(fā)增大，舊有傳統(tǒng)類型的橢圓度測試模式作業(yè)工作效率低，沒有辦法符合需要。經(jīng)過多年的專業(yè)技術(shù)發(fā)展進步，移動三維立體激光自動掃描專業(yè)技術(shù)促使盾構(gòu)隧道管片的橢圓度測試工作，轉(zhuǎn)變得更為便捷、高效、可靠，是未來地鐵運營管理維護保障專業(yè)技術(shù)的主流發(fā)展進步朝向。

4 應(yīng)用案例

南京市某地鐵線運營管理時期，項目工程工作人員使用夜間地鐵停運時間分布段對這個連接線路區(qū)間左線K17+238～K17+478里程段的盾構(gòu)隧道區(qū)間進行了移動式三維激光掃描，掃描軌檢小車前進速度大約保持在1 m/s。獲得的隧道點云數(shù)據(jù)信息，不僅能夠應(yīng)用在地鐵運營管理彎曲變形實時監(jiān)測，也能夠作為歷史數(shù)據(jù)信息儲存，應(yīng)用在后期新發(fā)地鐵安全保護區(qū)隧道變形監(jiān)測的初始對比數(shù)據(jù)。

該盾構(gòu)區(qū)間全長240m，掃描作業(yè)里程段內(nèi)對應(yīng)管片865環(huán)～1065環(huán)，對該區(qū)段進行橢圓度檢測。對獲取的點云數(shù)據(jù)信息展開了預(yù)先處理、里程數(shù)匹配對應(yīng)、選取組成結(jié)構(gòu)中心對稱線、選取斷面、自動導(dǎo)出橢圓度表等處理。每隔1.2m提取一個斷面，每個斷面點云厚度為2m，共計提取200個斷面。

該區(qū)間采集的點云數(shù)量共2.7億。

把里程數(shù)作為橫分布坐標，將橢圓度作為縱分布坐標，統(tǒng)計分析這個作業(yè)分布區(qū)段橢圓度柱狀統(tǒng)計圖，如圖2所示。

圖2 橢圓度統(tǒng)計圖

依據(jù)規(guī)范，地鐵盾構(gòu)隧道驗收時成型的襯砌結(jié)構(gòu)橢圓度應(yīng)≤6‰[3]。里程為K17+332.1m、K17+339.3m、K17+340.5、K17+341.7m、K17+342.9m的五個斷面橢圓度均大于6‰，分別為6.1‰、9.3‰、11.3‰、8.7‰、8.4‰。

通過運算方法將每一個斷面模擬出橢圓度圖，在其中，K17+380.1里程數(shù)處斷面的橢圓度圖，如圖3所示。

圖3 某斷面的橢圓度分析

5 結(jié)語

根據(jù)南京市實際地鐵安全保護區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)施普查項目，應(yīng)用徠卡Si-Track One自由移動型三維立體激光自動掃描體系獲得隧道點云數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過操作應(yīng)用軟件，全面處理點云數(shù)據(jù)信息測試橢圓度。最終結(jié)果說明，自由移動型三維立體激光自動掃描小車具備準確度高、工作效率高等優(yōu)勢，在未來地鐵迅速發(fā)展進步的態(tài)勢下，具備很大的使用發(fā)展前景。本次研究分析里，僅僅探索討論了自由移動型三維立體激光自動掃描體系在盾構(gòu)隧道橢圓度測試中的檢測效率與檢測可行性，今后還須利用該方法對橢圓度檢測的精度進行進一步對比驗證。