三維激光掃描技術(shù)在成型地鐵隧道中的應(yīng)用

白雄 劉五杰 周志強(qiáng)

（1.西咸新區(qū)軌道交通投資建設(shè)有限公司，陜西西安 710000；2.中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1.三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期激光應(yīng)用研究的又一項重大突破，它被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”[1]。三維激光掃描系統(tǒng)可以非接觸、快速獲取地物目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理（影像）數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以及三維建模，構(gòu)建掃描對象的真三維數(shù)字模型，為空間信息數(shù)據(jù)庫提供豐富的數(shù)據(jù)源。和傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法相比，具有快捷、數(shù)字化、測量方式靈活、不接觸等特點(diǎn)。目前，三維激光掃描技術(shù)已在文物數(shù)字化保護(hù)、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠及大型結(jié)構(gòu)測量、飛機(jī)船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)測量手段，主要具有以下特點(diǎn)與優(yōu)勢：（1）主動、非接觸工作方式。三維激光掃描儀是主動式探測系統(tǒng)，可以對目標(biāo)進(jìn)行非接觸式掃描，不受掃描環(huán)境空間和時間的約束便可以獲取真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)采集速率高，點(diǎn)云密度高。三維激光掃描儀能在短時間內(nèi)獲取目標(biāo)的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一些基于相位式的掃描儀，其掃描速度已經(jīng)達(dá)到120萬pts/s，掃描點(diǎn)間隔達(dá)到了1mm左右。（3）數(shù)據(jù)精度高，信息豐富。地面三維激光掃描儀的測距精度可達(dá)到2mm（100m處，一次單點(diǎn)掃描），模型表面的精度可達(dá)2mm。這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含激光反射強(qiáng)度信息，系統(tǒng)攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)同時獲取了掃描對象的彩色紋理影像，為目標(biāo)的分類、識別和建模提供真實(shí)可靠的信息。（4）掃描對象信息完整。三維激光掃描儀就可以獲取目標(biāo)物的完整信息，不存在傳統(tǒng)測繪中的漏測問題，從而降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)約了資金，提高了工作效率。（5）數(shù)字化采集，兼容性好。三維激光掃描儀直接獲取目標(biāo)物的三維坐標(biāo)和紋理信息，易于后期處理、輸出和保存。

2.三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀通過測距系統(tǒng)測得掃描物體與儀器間的距離、水平角和垂直角，通過對返回的激光信號進(jìn)行回收，解算后獲得目標(biāo)物體表面海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀在進(jìn)行掃描測量時，首先利用測距系統(tǒng)量測掃描儀中心與目標(biāo)物體的間距S，再量測出縱橫向掃描角。掃描儀坐標(biāo)系是自定義的，掃描儀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X、Y軸相互垂直，Z軸與X、Y所在平面垂直，測量原理如圖2所示。

圖2 測量點(diǎn)坐標(biāo)計算

利用兩個角度元素a和q，一個距離元素S就能計算出測點(diǎn)的三維坐標(biāo),其坐標(biāo)計算公式為[2]：

三維激光掃描儀具有先天性優(yōu)勢，在大幅提高工作效率的同時還能保證高精度。

3.項目實(shí)例

本次以西安地鐵5號線二期某盾構(gòu)區(qū)間為例，此區(qū)間左線623環(huán)，右線621環(huán)，左右線長度約2.0km。

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

（1）硬件系統(tǒng)調(diào)試。到達(dá)現(xiàn)場后，進(jìn)行硬件設(shè)備的檢查、超高計和里程計的校準(zhǔn)等；（2）采集儀器設(shè)備。本次采用Leica P40搬站式對地鐵隧道進(jìn)行掃描。采樣參數(shù)按10240點(diǎn)/360°進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)定；（3）采集作業(yè)操作流程。1）設(shè)備組裝；2）掃描作業(yè)；3）回收設(shè)備：作業(yè)完成后，先關(guān)閉掃描儀和主機(jī)，斷開電源，將設(shè)備移動到安全區(qū)域拆卸、裝箱。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及掃描項目成果輸出

數(shù)據(jù)的處理及成果的輸出。本次數(shù)據(jù)處理使用“Tlsd隧道激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件”（以下簡稱“Tlsd軟件”），盾構(gòu)隧道逐環(huán)解算獲取隧道病害、激光影像、直徑收斂、錯臺變形等成果。盾構(gòu)圓形盾構(gòu)隧道通常由6個管片構(gòu)成（1個楔形塊、2個標(biāo)準(zhǔn)塊、3個鄰接塊），以楔形塊為基準(zhǔn)位置按照順時針順序排列。

（1）環(huán)號與里程。環(huán)號以隧道現(xiàn)場實(shí)際噴涂的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)號為準(zhǔn)，盾構(gòu)段里程按“里程=起始百米標(biāo)+固定環(huán)寬×環(huán)數(shù)”推算里程，礦山法或矩形隧道段按現(xiàn)場百米標(biāo)確定里程。（2）斷面解算和滲漏水調(diào)查。掃描數(shù)據(jù)經(jīng)灰度糾正和插值處理后，生成隧道激光掃描影像并進(jìn)行斷面解算（水平直徑、橢圓度、環(huán)間錯臺）。提交成果按照里程從小到大升序排列，繪圖時統(tǒng)一面向大里程方向。（3）環(huán)間錯臺。環(huán)間錯臺為環(huán)片之間的錯開量。為便于識別較大的環(huán)間錯臺，本次掃描僅提取環(huán)間錯臺量大于 15mm且錯臺弧長超過100cm的環(huán)間錯臺量，并輸出錯臺發(fā)生的位置。（4）掃描成果。掃描數(shù)據(jù)經(jīng)解算和判讀識別后，生成一組成果數(shù)據(jù)、Excel表格、TIFF影像和斷面DXF文件，使用Tlsd軟件進(jìn)行查看和統(tǒng)計分析。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 橢圓度

傳統(tǒng)的隧道橢圓度檢測方法通常是利用全站儀、斷面儀等進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的隧道檢測技術(shù)屬于抽樣檢查的“點(diǎn)型”測繪，測點(diǎn)密度不夠且無法全面測量到隧道壁上所有的凹點(diǎn)和凸點(diǎn)。本次使用三維激光掃描儀，按10240點(diǎn)/360°采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)定進(jìn)行現(xiàn)場采集，獲取全覆蓋、高精度的掃描數(shù)據(jù)。

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取每個盾構(gòu)環(huán)片的長軸、短軸，根據(jù)計算公式“橢圓度=(長軸-短軸)/標(biāo)準(zhǔn)軸”得到環(huán)片的橢圓度信息。本區(qū)間右線橢圓度最大值16.8‰，位于621環(huán)；左線橢圓度最大值21.3‰，位于619環(huán)。

3.3.2 直徑收斂

盾構(gòu)區(qū)間對所有環(huán)片進(jìn)行掃描，并根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取逐環(huán)水平直徑以及與標(biāo)準(zhǔn)值的差值。本區(qū)間右線最大直徑變形位于619環(huán)，最大直徑=5.446m；本區(qū)間左線最大直徑變形位于618環(huán)，最大直徑=5.466m。

3.3.3 環(huán)間錯臺

在環(huán)間接縫處兩側(cè)各5cm位置截取斷面，提取隧道內(nèi)的環(huán)間錯臺數(shù)據(jù)及報告，并按小于等于15mm和大于15mm進(jìn)行分類提交錯臺的區(qū)域位置。

3.3.4 滲漏水

因三維激光掃描時地鐵未運(yùn)營，隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)施未開啟，其中右線有6處道床積水；左線有1處排水溝有積水，7處道床積水。

4.結(jié)語

通過對運(yùn)營前線路的成型隧道三維激光掃描，可以得到運(yùn)營前隧道成型的原始狀態(tài)的橢圓度、水平直徑、管片錯臺、滲漏水等情況，可以有針對性的對區(qū)間進(jìn)行病害進(jìn)行分析研究，制定每環(huán)的處理措施，為后期運(yùn)營提供真實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。開展三維掃描技術(shù)在城市軌道交通工程中應(yīng)用研究可以為地鐵建設(shè)提供詳細(xì)的施工成型隧道的數(shù)據(jù)以及為運(yùn)營及試運(yùn)營提供隧道病害治理新技術(shù)方法，同時開展隧道三維掃描系統(tǒng)的研究可以順應(yīng)數(shù)字化地鐵建設(shè)的未來趨勢。