移動(dòng)三維激光掃描在運(yùn)營地鐵維保中的應(yīng)用

許詩旋

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著我國軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，運(yùn)營監(jiān)測作為保障地鐵健康運(yùn)營的一大基礎(chǔ)內(nèi)容，越來越受到重視。截至2019年底，我國已有40個(gè)城市開通了軌道交通，線路運(yùn)營總里程超過6 700 km。地鐵隧道斷面監(jiān)測是保證地鐵安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要監(jiān)測內(nèi)容[1]，也是隧道維保工作的基礎(chǔ)。地鐵盾構(gòu)隧道的斷面監(jiān)測面臨著諸多難題，其中最突出的問題為：①傳統(tǒng)的斷面監(jiān)測方法得到的是特定位置的非連續(xù)性數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)高密度采集，無法得到隧道內(nèi)部的整體變化情況； ②運(yùn)營期監(jiān)測作業(yè)時(shí)間嚴(yán)格受天窗點(diǎn)約束，必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成大量的測量工作，對監(jiān)測手段采集速度提出了更高的要求。鑒于此，傳統(tǒng)的全站儀測量法、激光隧道斷面儀測量法、站式三維激光掃描法的作業(yè)量大、周期長，已不能適應(yīng)運(yùn)營期盾構(gòu)隧道的斷面監(jiān)測工作，本文提出了利用移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道維保監(jiān)測的方法，并介紹了該方法在某運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道維保監(jiān)測中的成功應(yīng)用。

1 運(yùn)營地鐵隧道病害整治

1.1 病害成因

在列車長期運(yùn)行振動(dòng)和周邊工程施工擾動(dòng)等因素的作用下，地鐵盾構(gòu)隧道在運(yùn)營期將不可避免地出現(xiàn)一系列病害現(xiàn)象，這將影響到地鐵運(yùn)營的安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性[2]。地鐵盾構(gòu)隧道在整個(gè)運(yùn)營期間的橫截面，理論上要求是圓形且空間位置穩(wěn)定的[3]，但由于隧道運(yùn)營過程中列車行駛環(huán)境、地質(zhì)以及其他基建活動(dòng)的影響，地鐵隧道底部空間位置和自身物理形態(tài)均會(huì)發(fā)生偏差和變化。隧道的維保監(jiān)測就是對上述偏差和變化進(jìn)行監(jiān)控的過程。盾構(gòu)隧道內(nèi)部變形問題常見的病害成因往往與隧道下部地層的地質(zhì)條件有關(guān)，當(dāng)隧道處于淤泥質(zhì)地層中時(shí)，隧道通常易下沉、側(cè)向抗力較低、易產(chǎn)生橢變。同時(shí)，列車長期循環(huán)作用將引起下部土體累積變形，進(jìn)而產(chǎn)生沉降；列車荷載引起土體累積孔壓消散，產(chǎn)生再固結(jié)沉降；當(dāng)隧道發(fā)生不均勻沉降時(shí)，盾構(gòu)隧道管片也易產(chǎn)生橢變。

1.2 維保監(jiān)測的常用方法

運(yùn)營地鐵隧道的運(yùn)營性質(zhì)極大地限制了維保監(jiān)測過程，隧道內(nèi)實(shí)際監(jiān)測作業(yè)的時(shí)間窗口和空間測量條件均受到較大約束。運(yùn)營隧道維保監(jiān)測的常用方法包括：①全站儀測量法[4]，其單點(diǎn)測量精度較高，但受工作效率限制只能采用較小的采樣密度，易產(chǎn)生錯(cuò)漏，且需大量人工成本，采集效率低；②激光隧道斷面 儀[5]可快速測量隧道斷面，但精度和執(zhí)行度不穩(wěn)定，也無法實(shí)現(xiàn)高密度采集[6]；③站式三維激光掃描解決了全面獲取隧道內(nèi)部點(diǎn)云數(shù)據(jù)的問題，但需每隔一段距離設(shè)站一次，并對不同站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，存在測量速度慢、點(diǎn)云密度不均勻、重疊部分有大量數(shù)據(jù)冗余的問題，不能滿足運(yùn)營期地鐵監(jiān)測天窗作業(yè)時(shí)間短的需求[7]。移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)[8]操作簡單，同時(shí)具備極高的隧道作業(yè)效率，不僅解決了傳統(tǒng)測量方式在運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道斷面監(jiān)測中監(jiān)測信息不全的問題，而且其快速、高效、便捷的測量方式也能滿足運(yùn)營期監(jiān)測快速測量的需要。其主要測量和分析工作在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，因此在運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道維保監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢。

2 移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作原理

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)是針對軌道交通運(yùn)維管理研發(fā)的信息化快速檢測裝備。系統(tǒng)將高精度、高頻率、智能化的傳感器安裝在軌道小車上，采用人工推行的方式，快速采集軌道及其周圍環(huán)境內(nèi)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對軌道的高精度全方位快速檢測[9]。

系統(tǒng)將激光器固定在軌道小車上，由移動(dòng)平臺(tái)向目標(biāo)物體發(fā)射高頻激光束，感測器接收物體返回的激光信號并記錄時(shí)間差（相位差），從而得到目標(biāo)物體與激光器的距離。

目標(biāo)到激光器的距離可表示為R=ct/2，其中t=φ/ω，則有：

式中，φ為信號往返一次的總相位延遲；ω為調(diào)制信號的角頻率，ω=2πf；U為1/4調(diào)制波長；N為測線包含的半波長個(gè)數(shù)；Δφ為信號往返一次產(chǎn)生的不足π的相位延遲；ΔN=Δφ/ω。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件和給定調(diào)制頻率下，R=c/4πf是一個(gè)固定值，激光器到目標(biāo)的距離就轉(zhuǎn)換為測線包含的半波長個(gè)數(shù)和不足半波長的部分[10]，再根據(jù)傳播時(shí)間即可得到對地距離。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供了精密動(dòng)態(tài)定位（在隧道內(nèi)部僅提供精確授時(shí)），慣性測量單元（IMU）能獲取慣性姿態(tài)向量。系統(tǒng)將每次掃描建立為從激光器到目標(biāo)反射點(diǎn)間的空間向量，結(jié)合激光器的高度和掃描角度信息計(jì)算得到目標(biāo)物體相對于激光器的三維坐標(biāo)，再結(jié)合IMU推算激光器的位置，最終得到目標(biāo)物體精確的坐標(biāo)位置[11]。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)主要由Z+F 9012激光斷面掃描儀、高精度IMU、雙頻三星GNSS板卡（含天線）、車輪編碼器與安裝組件、多傳感器同步控制電路與存儲(chǔ)單元、電源管理與保護(hù)模塊、平板計(jì)算機(jī)/筆記本電腦等硬件集成，如圖2所示。

圖2 移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的硬件外觀

1）Z+F 9012激光斷面掃描儀。測量頻率為100 萬點(diǎn)/s，掃描頻率為200 圈/s，測距精度≤1 mm，測角精度≤ 0.02e，最小測量距離≤0.5 m，滿足移動(dòng)三維激光 掃描系統(tǒng)在人工推行工況下，點(diǎn)云測量mm級精度的需求。

2）定位定姿模塊。由IMU32激光慣導(dǎo)和車輪編碼器組成定位定姿模塊，用以提供位姿信息。車輪編碼器分辨率高于1 000 PPR，誤差低于0.5‰，以保證系統(tǒng)在20 min無控條件下，定位定姿精度滿足要求。

3）同步控制器。系統(tǒng)通過秒脈沖信號PPS實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間與世界時(shí)間的統(tǒng)一，通過內(nèi)部晶振計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部時(shí)間的穩(wěn)定。系統(tǒng)的時(shí)間同步精度優(yōu)于0.05 ms，時(shí)間系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于10-8s。

4）其他附屬設(shè)備。系統(tǒng)還集成了數(shù)據(jù)預(yù)處理與存儲(chǔ)模塊、GNSS定位模塊、供電與保護(hù)模塊等附屬設(shè)備模塊，以支撐數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

2.3 隧道環(huán)片橢圓擬合

由于盾構(gòu)隧道由預(yù)制管片拼裝并由螺栓連接而成，大量的結(jié)構(gòu)接縫使得隧道抵抗變形的能力較弱，外荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為斷面橢圓化變 形[12]。常見的橢圓擬合[13]包括最小二乘法、Hough變換、最小子集橢圓擬合法等。本文采用隨機(jī)抽樣一致性（RANSAC）算法[14]與最小二乘法相結(jié)合的方法，對隧道斷面進(jìn)行橢圓擬合。RANSAC算法是一種能在包含異常數(shù)據(jù)的樣本集中，通過數(shù)學(xué)模型得到有效樣本的數(shù)據(jù)算法，可用于查找與隧道輪廓最接近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而有效過濾掉其他噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高擬合效果。RANSAC算法擬合斷面橢圓詳見參考文獻(xiàn)[15]。

橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程可表示為：

式中，A、B、C、D、E為橢圓參數(shù)。

實(shí)際隧道斷面由于拼裝誤差和運(yùn)營過程中的變化會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)橢圓存在差異，將點(diǎn)云中P點(diǎn)坐標(biāo)代入橢圓標(biāo)準(zhǔn)方程將產(chǎn)生偏差VP，即

將三維激光掃描點(diǎn)云坐標(biāo)代入式（3），根據(jù)最小二乘法原理，可得到橢圓參數(shù)。

將橢圓參數(shù)代入式（4）～（8），即可得到擬合橢圓及其長半軸a、短半軸b、圓心坐標(biāo)（x0,y0）和偏轉(zhuǎn)角α。隧道橢圓度是指隧道橫斷面上最大外徑與最小外徑之差[16]，可表示為：

式中，L為隧道設(shè)計(jì)直徑。

過擬合橢圓圓心的水平線與擬合橢圓相交，由 式（10）可得到兩個(gè)交點(diǎn)（x1,y0）、（x2,y0），交點(diǎn)間的距離，即擬合橢圓水平直徑可表示為：

計(jì)算得到的擬合橢圓及其幾何參數(shù)信息如圖3所示，可以看出，利用RANSAC算法有效剔除了噪聲點(diǎn)的影響，很好地?cái)M合了隧道輪廓橢圓，可用于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形分析。

圖3 斷面橢圓擬合結(jié)果

3 案例研究

3.1 案例概況

根據(jù)運(yùn)營監(jiān)測資料的各區(qū)間累計(jì)沉降量成果 （圖4），某地鐵出段線區(qū)間2 a內(nèi)累計(jì)下沉明顯。現(xiàn)場巡視確認(rèn)區(qū)間存在隧道變形、道床離縫、管片掉塊與破損、管片滲透水等病害（圖5），因此將出段線確認(rèn)為本次維保區(qū)域。

圖4 各區(qū)間累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)圖

圖5 出段線內(nèi)管片病害現(xiàn)狀

3.2 維保整治原則

根據(jù)現(xiàn)場情況，分情況制定病害處理原則：對道床離縫進(jìn)行填縫處理；采取注漿止水或嵌填密封等方式及時(shí)封堵隧道滲漏水；對于破損管片，腰部以上的裸露鋼筋采取涂料防腐處理，腰部以下的裸露鋼筋采用環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行修補(bǔ)；在沉降量明顯區(qū)域，從洞內(nèi)對隧道底部進(jìn)行微擾動(dòng)注漿；對隧道直徑變形超 70 mm的管片采用地面微擾動(dòng)注漿+鋼環(huán)加固處理，對隧道直徑變形超50 mm的管片進(jìn)行地面微擾動(dòng)注漿加固，以提高隧道兩側(cè)淤泥質(zhì)土的地層抗力和地層參數(shù)。

3.3 移動(dòng)三維激光掃描實(shí)施

為掌握維保區(qū)域結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，2018年7月對該區(qū)間進(jìn)行第一次移動(dòng)三維激光掃描，區(qū)間長度約為600 m，人工推行速度為2 km/h，掃描環(huán)境如圖6所示。以環(huán)片為單位，將點(diǎn)云進(jìn)行逐環(huán)橢圓擬合，并計(jì)算橢圓長軸、短軸、偏轉(zhuǎn)角、擬合水平直徑、橢圓度，部分成果如表1所示。

表1 維保區(qū)域橢圓擬合成果（部分）

圖6 現(xiàn)場掃描圖

針對維保整治中最關(guān)心的盾構(gòu)管片水平直徑問題，本文將擬合成果與標(biāo)準(zhǔn)管片直徑（5.50 m）、微擾動(dòng)注漿處理控制值（5.55 m）、微擾動(dòng)注漿+鋼環(huán)加固處理控制值（5.57 m）進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示，可以看出，維保區(qū)域內(nèi)隧道環(huán)片變形明顯，根據(jù)維保整治原則，50環(huán)以上需進(jìn)行病害處理。

圖7 整治前維保區(qū)域擬合水平直徑/m

3.4 維保整治過程數(shù)據(jù)分析

在病害整治過程中，為了掌握隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況、協(xié)助調(diào)整治理方案、優(yōu)化整治效果，又對維保區(qū)域進(jìn)行了多次移動(dòng)三維激光掃描，并將其擬合的水平直徑與前期進(jìn)行對比。

微擾動(dòng)注漿完成后，對區(qū)間進(jìn)行第二次移動(dòng)三維激光掃描。將其擬合的水平直徑與第一次成果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其環(huán)片水平直徑雖有小幅外擴(kuò)的現(xiàn)象，但整體保持穩(wěn)定，在微擾動(dòng)注漿范圍，水平直徑明顯減小，說明微擾動(dòng)注漿對隧道管片有明顯的擠壓作用。鋼環(huán)加固完成后，對區(qū)間進(jìn)行第三次移動(dòng)三維激光掃描。將其擬合的水平直徑與第二次成果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其環(huán)片水平直徑仍有小幅增長，但整體保持穩(wěn)定，微擾動(dòng)注漿范圍也保持穩(wěn)定。至此，該區(qū)間整治工程全部結(jié)束。

在維保整治結(jié)束半年后，為了解區(qū)間內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀和整治工程效果，對區(qū)間進(jìn)行了第四次移動(dòng)三維激光掃描，結(jié)果如圖8所示。將其擬合的水平直徑與第三次成果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其環(huán)片水平直徑基本保持穩(wěn)定，未見明顯管片變形。通過本次工作，可認(rèn)為采取地面微擾動(dòng)注漿+鋼環(huán)加固處理的方式控制隧道管片變形的效果良好，且移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的速度和精度均能滿足運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道病害整治的技術(shù)要求。

圖8 整治結(jié)束半年后維保區(qū)域擬合水平直徑/m（部分）

4 結(jié) 語

本文通過案例研究證明，移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)可在運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道病害整治中起到重要作用；其作業(yè)的成果有效反映了隧道病害的真實(shí)狀態(tài)，多次掃描成果綜合分析可得到病害在出現(xiàn)、發(fā)展、治理和維保過程中的隧道狀態(tài)變化情況，從而解決運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道病害整治中遇到的問題。通過對移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在滿足運(yùn)營地鐵監(jiān)測天窗作業(yè)時(shí)間短的需求下，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)必要信息的有效收集和處理，足以滿足運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道病害整治的需求，適宜大規(guī)模推廣。