三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道形變檢測中的應(yīng)用

李丞鵬 張?zhí)N明

(北京中天路通工程勘測有限公司, 北京 100124)

1 引言

地鐵建設(shè)或運(yùn)營過程中,地面、周邊建筑物負(fù)載及土體擾動(dòng)、隧道周邊工程施工等因素會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生綜合影響從而造成隧道結(jié)構(gòu)變形[1]。

華東某條地鐵區(qū)間工程建設(shè)過程中,該區(qū)間地面上堆放了大量渣土,在荷載壓力持續(xù)作用下,致使該區(qū)域隧道頂部管片出現(xiàn)了裂縫,嚴(yán)重的地方有滲漏水現(xiàn)象。

災(zāi)害出現(xiàn)后,有兩個(gè)急需解決的問題：一是準(zhǔn)確檢測出隧道形變量大小;二是在形變量大的地方加支護(hù),防止其進(jìn)一步形變。

項(xiàng)目組應(yīng)用傳統(tǒng)全站儀測量方式[2]進(jìn)行隧道形變檢測時(shí)遇到了以下問題：

(1)測量斷面密度問題：整個(gè)檢測區(qū)域約300 m,設(shè)計(jì)方要求2 m采集一個(gè)斷面,全站儀測量工作量大。

(2)數(shù)據(jù)全面性、準(zhǔn)確性問題：全站儀是以離散點(diǎn)的形式進(jìn)行斷面采集,用這些離散點(diǎn)擬合的斷面形態(tài)相比真實(shí)形態(tài)有較大誤差。

2 三維激光掃描技術(shù)及隧道應(yīng)用難點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)[3]。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法,具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),它通過高速激光掃描測量的方法,大面積、高分辨率的快速獲取被測對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[4-7]。可以快速、大量的采集空間點(diǎn)位信息,為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術(shù)手段。

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道工程掃描和處理工作,面臨著以下三方面難點(diǎn)：

(1)隧道內(nèi)整體特征點(diǎn)不明顯,不利于多測站拼接工作;

(2)隧道為狹長形結(jié)構(gòu),受掃描入射角的限制,為了得到高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),每個(gè)測站掃描范圍不宜過大;

(3)市場上隧道點(diǎn)云專用處理軟件很少,價(jià)格昂貴。

以下為針對(duì)引言中具體項(xiàng)目,實(shí)際工作中克服了以上難點(diǎn),最終完成隧道形變檢測工作。

3 作業(yè)流程及項(xiàng)目實(shí)踐

3.1 儀器設(shè)備

本項(xiàng)目投入的設(shè)備有FARO FOCUS 3D掃描儀、徠卡TM30全站儀等。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)流程

整個(gè)項(xiàng)目分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、成果提交3個(gè)部分,技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

為了驗(yàn)證掃描成果的精度與準(zhǔn)確性,對(duì)該段隧道區(qū)域掃描的同時(shí),進(jìn)行了傳統(tǒng)的全站儀免棱鏡斷面測量,每個(gè)斷面測量8個(gè)特征點(diǎn),斷面間隔6 m。

3.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

掃描儀獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系是以儀器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng),在工程應(yīng)用中需要將點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為與隧道施工坐標(biāo)系一致的坐標(biāo)系統(tǒng)。

本項(xiàng)目點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集引進(jìn)了國外較為領(lǐng)先的“快速絕對(duì)(APM)定位法”。這種方式的原理是在掃描儀的底座上安裝了兩個(gè)棱鏡(圖2),另外還有一個(gè)球形棱鏡作為定向標(biāo)靶(圖3)。掃描的過程中,由全站儀測量獲取三個(gè)棱鏡的絕對(duì)坐標(biāo),三個(gè)棱鏡的相對(duì)坐標(biāo)由掃描儀與底座的幾何關(guān)系推算，在點(diǎn)云中識(shí)別獲取(掃描儀底座上的兩個(gè)棱鏡由儀器幾何中心直接算出,定向標(biāo)靶坐標(biāo)在點(diǎn)云中識(shí)別獲取),這樣就得到了空間三個(gè)點(diǎn)在兩套坐標(biāo)系中的坐標(biāo),從而進(jìn)行點(diǎn)云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖2 FARO掃描儀+底座棱鏡

圖3 定向標(biāo)靶

采用APM定位法,項(xiàng)目組投入3人,耗時(shí)2 h,共采集了300 m的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場掃描情景

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、隧道斷面提取與分析及隧道模型建立等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括點(diǎn)云去噪、抽稀等,該項(xiàng)工作相對(duì)簡單,可以利用常見的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)了隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)軟件,重點(diǎn)解決了以下問題。

3.4.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)統(tǒng)一

因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中采用了“APM定位法”,每個(gè)測站均得到了3個(gè)點(diǎn)在相對(duì)坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)兩套坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),所以可以求取兩套坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過將每個(gè)測站的原始點(diǎn)云坐標(biāo)分別旋轉(zhuǎn)和平移,最終得到整個(gè)區(qū)域一致的施工坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.4.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與里程標(biāo)定

點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為施工坐標(biāo)系后,能夠與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行套合。軟件支持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(平曲線、縱曲線和斷面圖)的導(dǎo)入功能,如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)中導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后的效果

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入后,經(jīng)過軟件的標(biāo)定,點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有了里程信息,以便進(jìn)行點(diǎn)云截取與任意里程斷面切割。

3.4.3點(diǎn)云截取

受制于掃描入射角和距離的限制,離掃描儀越遠(yuǎn),點(diǎn)云精度越差。利用軟件點(diǎn)云截取功能,通過相鄰測站精確的里程標(biāo)定,去除里程范圍外多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并做到相鄰測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)不重疊。圖6為多個(gè)測站拼接后的點(diǎn)云視圖。

圖6 多個(gè)測站拼接后的點(diǎn)云視圖

3.4.4斷面切割

通過輸入起始里程范圍和斷面間隔,程序可自動(dòng)生成沿設(shè)計(jì)曲線法線方向切割的點(diǎn)云斷面。

3.4.5形變分析

將每個(gè)斷面的離散點(diǎn)進(jìn)行樣條曲線擬合[8-10]并與設(shè)計(jì)斷面套合比對(duì)分析,形成1 m間隔的隧道斷面形變分析圖和表格成果(受軌面、疏散平臺(tái)、線纜等影響,圖7中不規(guī)則線為點(diǎn)云擬合的樣條曲線,規(guī)則圓為設(shè)計(jì)斷面)。圖7為隧道部分?jǐn)嗝嫘巫兎治鰣D,可以看到,隧道頂部出現(xiàn)了一定程度的下沉,斷面呈現(xiàn)出細(xì)微的扁平化特征。

圖7 隧道斷面形變分析圖(單位：m)

4 精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三維激光掃描法測量斷面的精度[8],采用全站儀免棱鏡測量法對(duì)一定范圍內(nèi)相同斷面進(jìn)行了測量,每個(gè)斷面均勻設(shè)置8個(gè)測量點(diǎn)。表1是部分?jǐn)嗝娴膱A心擬合坐標(biāo)比對(duì),其中X,Y,Z為圓心在施工坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo),單位為m;水平差、高程差單位為mm。

表1 掃描儀測量與全站儀測量相同斷面圓心擬合坐標(biāo)對(duì)比

由于全站儀免棱鏡測量本身精度不高,經(jīng)計(jì)算水平差標(biāo)準(zhǔn)差18.891 mm,高程差標(biāo)準(zhǔn)差12.343 mm。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用三維激光掃描法進(jìn)行隧道形變檢測，與傳統(tǒng)全站儀法相比,呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)點(diǎn)云法相對(duì)于全站儀法,能獲取到更加密集的斷面數(shù)據(jù)。

(2)通過比對(duì)兩種方法在同一里程處獲取的斷面圓心坐標(biāo)可以看出,由于儀器及人員操作不同,兩種方法呈現(xiàn)出一定誤差,處于合理范圍。由于掃描法獲取的每個(gè)斷面是由上百個(gè)點(diǎn)擬合而成,故認(rèn)為點(diǎn)云擬合的斷面相對(duì)于全站儀法應(yīng)該更加準(zhǔn)確。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)不同,一次采集后可以有多種不同的應(yīng)用：可以通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)斷面切割,進(jìn)行隧道的形變檢測;利用其灰度信息得到隧道的影像,進(jìn)行隧道裂縫的提取與檢測;根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立隧道的真實(shí)三維模型,可作為地鐵應(yīng)急搶險(xiǎn)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)該段隧道區(qū)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集及處理,對(duì)隧道的形變情況進(jìn)行了分析,通過提供真實(shí)的隧道斷面圖,為隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)提供了參考。實(shí)踐證明,三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道工程中具有良好的適用性。