移動(dòng)掃描技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

楊勇 侯忠山

中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300000

在我國大中型城市中，地鐵已成為解決城市交通擁堵的重要手段，大部分城市都已建設(shè)起規(guī)模相當(dāng)龐大的地鐵工程[1]。但同時(shí)，因地鐵工程建立在地下，為保證其隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，令地鐵得以安全運(yùn)營，必須運(yùn)用現(xiàn)代測繪技術(shù)對(duì)其進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測。傳統(tǒng)地鐵隧道監(jiān)測手段監(jiān)測過程極為復(fù)雜且周期較長，為解決這一問題，移動(dòng)掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在操作難度、監(jiān)測精度方面都有了長足進(jìn)步。

1 移動(dòng)掃描技術(shù)定義與特點(diǎn)

1.1 定義

移動(dòng)掃描技術(shù)也稱為三維激光掃描技術(shù)，在各種工程建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用十分廣泛，在地鐵隧道建設(shè)工程中，主要用于隧道變形情況的監(jiān)測。在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)，應(yīng)先布置好監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)，并每隔一段距離設(shè)置起激光反饋觀測點(diǎn)，再利用激光掃描裝置對(duì)隧道進(jìn)行系統(tǒng)而快速的掃描，同時(shí)將所得數(shù)據(jù)整理分析后，建立起關(guān)于地鐵隧道的三維模型以便工作人員進(jìn)行綜合分析。移動(dòng)掃描技術(shù)相比于傳統(tǒng)測繪技術(shù)具有很大優(yōu)勢，科技含量很高，在地鐵隧道監(jiān)測工作中采用非接觸式高速激光測量能夠獲得更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1.2 移動(dòng)掃描技術(shù)特點(diǎn)

移動(dòng)掃描技術(shù)在監(jiān)測地鐵隧道工作中主要有以下優(yōu)勢：

一是效率高。傳統(tǒng)地鐵隧道監(jiān)測手段如全站儀監(jiān)測方法用時(shí)相對(duì)較長，而移動(dòng)掃描技術(shù)所用時(shí)間僅是傳統(tǒng)監(jiān)測方法的幾十分之一，且雖然該技術(shù)耗時(shí)短卻不會(huì)影響到其測量精度。尤其是在地形結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的區(qū)域，移動(dòng)掃描技術(shù)監(jiān)測優(yōu)勢更為明顯。

二是三維可視化。利用移動(dòng)掃描技術(shù)監(jiān)測地鐵隧道，能夠快速獲得隧道內(nèi)部精確信息，再利用系統(tǒng)軟件將信息轉(zhuǎn)化為三維圖像，這樣一來，就能夠更加充分地反映隧道本身特點(diǎn)，令工作人員觀測起來更加便捷。

三是測量安全穩(wěn)定，精度均勻。移動(dòng)掃描技術(shù)在應(yīng)用過程中一般是用掃描儀進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，而對(duì)操作人員依賴較小，這就大大降低了人為因素在測量過程中造成的誤差，令測量精準(zhǔn)度更高。且移動(dòng)掃描技術(shù)獲取數(shù)據(jù)密度較大，這令其構(gòu)建的三維立體模型完整性與連貫性都較強(qiáng)。

四是監(jiān)測數(shù)據(jù)更加全面。鑒于移動(dòng)掃描技術(shù)優(yōu)勢，能夠?qū)Φ罔F隧道內(nèi)部每一區(qū)域的沉降及結(jié)構(gòu)變形等情況進(jìn)行詳細(xì)、直觀的了解，而不至于漏掉任何細(xì)微之處，這樣就可使獲得的數(shù)據(jù)信息更加全面。

2 移動(dòng)掃描技術(shù)在地鐵隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)科學(xué)測量方案

移動(dòng)掃描技術(shù)需要進(jìn)行分測站測量，因此，工作人員應(yīng)測量高程與平面控制兩方面的數(shù)據(jù)，再以此為基礎(chǔ)開展平差計(jì)算工作，這樣就可獲取更加準(zhǔn)確的控制點(diǎn)坐標(biāo)。且應(yīng)在測量過程中靈活布設(shè)測量導(dǎo)線位置，并令觀測點(diǎn)均勻分布在導(dǎo)線周邊，應(yīng)使觀測點(diǎn)保持一定密度以提高測量精確性。此外，在高程測量中以二等水準(zhǔn)測量方法為主且應(yīng)注意觀測順序，一般來說，偶數(shù)站以前—后—后—前順序進(jìn)行觀測，而奇數(shù)站以后—前—前—后為佳。

2.2 外業(yè)掃描作業(yè)

在進(jìn)行地鐵隧道移動(dòng)掃描監(jiān)測工作時(shí)，應(yīng)選用APM法進(jìn)行定位，一般應(yīng)在隧道中間位置設(shè)置掃描儀，并在掃描儀左右5-6m處設(shè)置球棱鏡，同時(shí)設(shè)定科學(xué)參數(shù)再展開掃描工作。隨后相關(guān)人員再分別對(duì)掃描儀與球棱鏡進(jìn)行測量，以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)定位及定向工作。在掃描過程中為減小誤差應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①掃描儀必須居于隧道中間位置，并距離地面1.6m以上，且保證測站間距在30m左右；②在設(shè)置掃描儀操作面板時(shí)，應(yīng)保證各個(gè)測站的面板方向一致，這樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)才能夠更加精準(zhǔn)。③設(shè)置統(tǒng)一的掃描儀參數(shù)，質(zhì)量4×，分辨率為1/5，同時(shí)關(guān)閉傾角儀傳感器。

2.3 應(yīng)用于隧道建模工作中

運(yùn)用移動(dòng)掃描技術(shù)對(duì)地鐵隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測完畢后，還需要進(jìn)行曲面重構(gòu)工作。利用移動(dòng)掃描技術(shù)能夠獲得地鐵隧道工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用相關(guān)軟件清除數(shù)據(jù)中一些影響較小的點(diǎn)，同時(shí)完成去除噪聲工作，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行著色與渲染以及對(duì)齊精簡等操作，精簡程序?qū)?yīng)的是沒有處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)每n個(gè)點(diǎn)中僅保留一個(gè)即可，然后按照規(guī)定距離對(duì)其進(jìn)行精簡。在這一環(huán)節(jié)，因掃描儀給出的坐標(biāo)只是一個(gè)相對(duì)坐標(biāo)，故需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，令其與地理坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，將隧道中心點(diǎn)設(shè)置為隧道零點(diǎn)，完成上述一系列操作后，就可著手進(jìn)行隧道工程建模工作[2]。

2.4 移動(dòng)掃描技術(shù)影響地鐵隧道施工質(zhì)量與進(jìn)度

因地鐵隧道施工位于地下，若是采用傳統(tǒng)全站儀測量法，會(huì)令監(jiān)測過程較為復(fù)雜，該方法也無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)。而三維激光掃描儀體積小攜帶起來極為方便，且可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)監(jiān)測隧道施工環(huán)境這一目標(biāo)。合理應(yīng)用這一技術(shù)令地鐵隧道監(jiān)測工程監(jiān)測手段更加多樣化，監(jiān)測效率也得以大大提高，在監(jiān)測時(shí)間方面耗時(shí)很短，為科學(xué)施工提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)支撐，為提高地鐵隧道工程施工質(zhì)量與進(jìn)度奠定了良好基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段，地鐵是我國城市交通必不可少的一員，保證地鐵安全、快速運(yùn)營是事關(guān)民生的基礎(chǔ)工程[3]。因此，相關(guān)人員必須運(yùn)用科學(xué)手段在地鐵設(shè)計(jì)及施工階段及時(shí)獲取隧道施工的相關(guān)數(shù)據(jù)，而移動(dòng)掃描技術(shù)因操作方便快捷、測量精度高等優(yōu)勢必然會(huì)成為未來一段時(shí)間主流測繪技術(shù)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行更深入的研究，以便為地鐵隧道監(jiān)測提供必要數(shù)據(jù)支持。