基于移動(dòng)激光掃描的地鐵盾構(gòu)隧道竣工驗(yàn)收測(cè)量

曹久久，陳汭新，劉 昊

(1.佛山市測(cè)繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000；2.同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

地鐵盾構(gòu)隧道竣工測(cè)量包括隧道軸線平面偏差、高程偏差、橢圓度測(cè)量以及縱橫斷面測(cè)量等，以確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)、軸線位置、管片位置等符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)的竣工測(cè)量方法主要為全站儀解析測(cè)量，在隧道貫通后以始發(fā)和工作井內(nèi)的控制點(diǎn)為起算點(diǎn)，對(duì)隧道內(nèi)的導(dǎo)線點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)分別重新組成附和路線或附和網(wǎng)，這種測(cè)量方法存在檢測(cè)手段落后、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低等問(wèn)題[1]。

隨著科技水平的不斷提高，多種新型測(cè)繪技術(shù)發(fā)展迅速，其中激光掃描技術(shù)能獲得物體表面的大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)和激光反射率等信息，快速?gòu)?fù)建物體輪廓，生成物體的灰度或深度圖像等，具有速度快、精度高且受天氣變化影響小等優(yōu)勢(shì)，正逐漸應(yīng)用到大型工程領(lǐng)域[2-3]。

在地鐵隧道投入運(yùn)營(yíng)前進(jìn)行三維激光掃描獲得隧道內(nèi)詳細(xì)的三維信息，目前已經(jīng)逐步得到了各地軌道交通管理部門(mén)的認(rèn)可。三維激光掃描一方面可以為運(yùn)營(yíng)期的變形觀測(cè)提供基準(zhǔn)資料，另一方面可以對(duì)施工期的質(zhì)量進(jìn)行合理的評(píng)定，便于界定建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的相關(guān)責(zé)任[4-7]。移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)作為一種新型綜合測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)逐步應(yīng)用于全國(guó)多個(gè)城市的城市軌道交通竣工驗(yàn)收測(cè)量。王博群等對(duì)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間擬合展開(kāi)了研究，結(jié)合絕對(duì)坐標(biāo)可以準(zhǔn)確的提取斷面中心的三維坐標(biāo)[8]。曹先革等利用全站儀采集的外業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析了三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道斷面測(cè)量中應(yīng)用的可行性[9]。夏春初等將三維激光掃描儀應(yīng)用于地鐵竣工測(cè)量，構(gòu)建了點(diǎn)云三維建模對(duì)地鐵車(chē)站進(jìn)行可視化展示和空間分析[10]。

本文采用自主研發(fā)的隧道移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)——Tlsd隧道移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)，根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》要求，解算獲取隧道逐環(huán)的水平直徑、橢圓度、環(huán)內(nèi)和環(huán)間錯(cuò)臺(tái)、隧道內(nèi)壁影像和表觀病害缺陷等，用于地鐵隧道施工期的監(jiān)控量測(cè)、竣工測(cè)量以及運(yùn)營(yíng)期的監(jiān)護(hù)測(cè)量。

1 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)

1.1 硬件集成

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)的主要硬件包括激光掃描儀、電動(dòng)檢測(cè)車(chē)、控制平板電腦、便攜式鋰電池，該系統(tǒng)可以兼容多種搭載平臺(tái)，如圖1所示。移動(dòng)激光測(cè)量系統(tǒng)中激光掃描儀一般采用二維斷面模式工作，直接獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是二維螺旋線數(shù)據(jù)，如圖2所示。該系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)檢測(cè)車(chē)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，有效提高了外業(yè)檢測(cè)的工作效率。

圖1 移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)硬件圖

圖2 移動(dòng)激光掃描原理圖

三維激光掃描儀的類(lèi)型是Z+F 9012斷面儀，掃描視野為360°，最遠(yuǎn)掃描距離可達(dá)119 m，最高掃描頻率為200 Hz，每秒可采集101.6萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。工業(yè)平板用于系統(tǒng)中儀器的集成控制，具有防水、防震、供電時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，能保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境的高穩(wěn)定性要求。軌檢小車(chē)可根據(jù)掃描環(huán)境和精度要求選擇合適的運(yùn)行速度，配有的遙控器能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(nèi)遠(yuǎn)程控制小車(chē)。

1.2 軟件介紹

Tlsd隧道移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)具有兼容多類(lèi)型掃描儀、并行計(jì)算速度快、適合多種應(yīng)用場(chǎng)景、成果文件開(kāi)放等優(yōu)點(diǎn)，依照現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，可獲得測(cè)量對(duì)象的空間坐標(biāo)、幾何尺寸、正射影像、變形數(shù)據(jù)、漫游視頻等豐富成果，滿足鐵路(地鐵)的隧道、線路、站臺(tái)等快速高效綜合檢測(cè)的需求。該系統(tǒng)適用于單圓盾構(gòu)隧道、馬蹄形、矩形等多種隧道類(lèi)型。軟件可以實(shí)現(xiàn)二/三維點(diǎn)云同步顯示，采用強(qiáng)度、高度等進(jìn)行點(diǎn)云渲染，讓用戶能夠直觀地瀏覽三維場(chǎng)景，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)查看界面

定制開(kāi)發(fā)了地鐵標(biāo)準(zhǔn)限界圖、定距導(dǎo)出高度橫距、報(bào)表生成模板等功能，解算盾構(gòu)環(huán)片的幾何數(shù)據(jù)(橢圓度、水平直徑、橫向凈空等)。

2 檢測(cè)方法與原理

2.1 檢測(cè)方法概述

采用移動(dòng)激光掃描技術(shù)采集目標(biāo)隧道的三維激光點(diǎn)云，經(jīng)里程糾正、正射投影后生成隧道內(nèi)壁正射影像，影像經(jīng)過(guò)人工判讀識(shí)別等處理步驟之后，獲得隧道病害明細(xì)、病害專(zhuān)題影像圖、三維點(diǎn)云以及漫游視頻等檢測(cè)成果，具體流程如圖4所示。

圖4 TLSD系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

2.2 直徑與橢圓度計(jì)算

由于隧道內(nèi)壁已安裝疏散平臺(tái)、線纜、接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，存在較多的內(nèi)壁附著物遮擋。為保證隧道斷面收斂解算的精度、可靠性和與固定測(cè)線成果的一致性，采用如下算法進(jìn)行隧道直徑和橢圓度解算：

(1)輸入管片設(shè)計(jì)分塊數(shù)量和角度，自動(dòng)識(shí)別管片分塊位置，每環(huán)按照均勻間隔取5個(gè)掃描斷面，單獨(dú)進(jìn)行下列步驟計(jì)算。

(2)斷面點(diǎn)云整體擬合圓，利用最小平方中值法獲得一套具有穩(wěn)健性的擬合系數(shù)，從殘差向量中找到異常值，把產(chǎn)生異常值所對(duì)應(yīng)的粗差點(diǎn)剔除，再利用最小平方中值法擬合得到最優(yōu)擬合效果，并求解圓心坐標(biāo)(x0,y0)。

(3)擬合橢圓需要與隧道實(shí)際內(nèi)輪廓貼合，避免因道床遮擋、下部點(diǎn)云過(guò)于密集等造成短軸擬合值過(guò)小，利用最小二乘法對(duì)每個(gè)橫斷面進(jìn)行斷面線的擬合得到橢圓方程的5個(gè)系數(shù)，計(jì)算各斷面對(duì)應(yīng)的橢圓方程各項(xiàng)參數(shù)，包括圓心坐標(biāo)以及橢圓的長(zhǎng)、短半軸，并以橢圓中心為原點(diǎn)，在水平方向上搜索斷面點(diǎn)，并將兩個(gè)斷面點(diǎn)的距離作為該斷面的收斂直徑[11-13]。

(4)隧道斷面的橢圓度能夠表示隧道斷面經(jīng)過(guò)變形之后與橢圓的接近程度，橢圓度越大表示隧道的整體形變?cè)酱骩14-15]。若兩側(cè)弧段擬合時(shí)遇到較多遮擋時(shí)，取圓心水平位置±1.0 m范圍內(nèi)的非粗差點(diǎn)進(jìn)行弧段擬合，然后求取交點(diǎn)作為直徑，此時(shí)根據(jù)遮擋比例計(jì)算可靠度。

(5)完成上述步驟后，若選取的掃描斷面所計(jì)算的直徑差值離散度未超過(guò)限差，則取環(huán)中間位置的掃描斷面求解的橢圓度作為該環(huán)測(cè)值，否則取剔除最大最小值后的中間斷面計(jì)算該環(huán)橢圓度。針對(duì)極少數(shù)因嚴(yán)重遮擋、聯(lián)絡(luò)通道等原因造成的粗差，需要人工檢查復(fù)核取值，并在成果報(bào)表中進(jìn)行備注說(shuō)明。

2.3 限界計(jì)算方法

參照《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》(CJJT96-2018)，檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的建筑限界計(jì)算適用基準(zhǔn)坐標(biāo)系、計(jì)算方法、計(jì)算公式和適用參數(shù)取值定義如下：

(1)基準(zhǔn)坐標(biāo)系(《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》2.1.5，3.3.2)。垂直于直線軌道線路中心線的二維平面直角坐標(biāo)系。橫坐標(biāo)軸(X軸)與軌道中心線垂直，縱坐標(biāo)軸(Y軸)垂直于設(shè)計(jì)軌頂平面，該基準(zhǔn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為軌距中心點(diǎn)。建筑限界的坐標(biāo)系在曲線超高地段應(yīng)采用直線地段的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，不應(yīng)隨超高角旋轉(zhuǎn)。

(2)建筑限界計(jì)算(《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》3.3.1)。建筑限界與設(shè)備限界之間的空間應(yīng)根據(jù)設(shè)備和管線且包含變形預(yù)留值后所需的安裝尺寸、安裝誤差值、測(cè)量誤差值和結(jié)構(gòu)施工允許誤差值確定。任何沿線永久性固定建筑物，包括施工誤差值、測(cè)量誤差值及結(jié)構(gòu)永久變形量在內(nèi)，均不得向內(nèi)侵入。

(3)選擇襯砌環(huán)中間位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，剔除隧道內(nèi)壁附著點(diǎn)等粗差后計(jì)算指定高的左右橫距。根據(jù)百米標(biāo)和環(huán)片寬度推算里程值，導(dǎo)出逐環(huán)中心位置的斷面限界圖，如圖5所示，標(biāo)注4個(gè)高度左右橫距，拱頂至軌道中心高度，以及B1型DC1500V車(chē)直線段標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備限界輪廓。

圖5 盾構(gòu)隧道建筑限界測(cè)斷面標(biāo)注示意圖

3 應(yīng)用案例

采用Tlsd移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)和配套數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)佛山2號(hào)線某區(qū)間進(jìn)行了移動(dòng)式三維激光掃描(圖6)，移動(dòng)采集速度約1.8 km/h，獲取了隧道內(nèi)的橢圓度、收斂直徑以及限界測(cè)量圖。

圖6 隧道內(nèi)作業(yè)圖

以環(huán)號(hào)為橫坐標(biāo)，橢圓度為縱坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)的區(qū)間橢圓度曲線如圖7所示。將兩次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐環(huán)檢測(cè)，通過(guò)將檢測(cè)的橢圓度進(jìn)行逐環(huán)分析可知，區(qū)間內(nèi)橢圓度變化明顯的地方為隧道的出入洞口，與實(shí)際情況較為吻合，初步驗(yàn)證了成果的可靠性。

圖7 隧道逐環(huán)橢圓度圖

以環(huán)號(hào)為橫坐標(biāo)，水平直徑為縱坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)的區(qū)間水平直徑如圖8所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證激光掃描精度，將三維激光掃描得到的水平直徑與設(shè)計(jì)值作比較，對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，水平直徑測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的差值在2 cm以內(nèi)占98.7%，進(jìn)一步驗(yàn)證了移動(dòng)激光掃描的穩(wěn)定性。

圖8 隧道逐環(huán)水平直徑圖

表1 隧道水平直徑與設(shè)計(jì)值差值分布情況表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用自主研發(fā)的隧道移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了移動(dòng)掃描系統(tǒng)的軟硬件組成、檢測(cè)方法與原理，通過(guò)工程實(shí)際案例對(duì)激光測(cè)量的精度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法檢測(cè)信息全面、作業(yè)流程簡(jiǎn)單、測(cè)量效率和精度較高，為城市軌道交通竣工測(cè)量提供了更高效和實(shí)用的方法。