移動(dòng)激光掃描技術(shù)在過(guò)江大盾構(gòu)隧道收斂測(cè)量中的應(yīng)用

田有良

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

在地下工程中，受到巖土層壓力及襯砌限制等因素的共同作用，隧道的斷面不再是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，而是會(huì)發(fā)生微小形變的，隧道斷面的形狀更接近于離心率較小的橢圓。由于盾構(gòu)隧道的斷面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，盾構(gòu)隧道管壁在外力的作用下，出現(xiàn)裂縫、崩角、滲水、破損等病害，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。因此，隧道段的地鐵保護(hù)監(jiān)測(cè)工作要能實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確地反饋數(shù)據(jù)信息，而針對(duì)隧道斷面橫向變形的收斂監(jiān)測(cè)是盾構(gòu)隧道段能安全運(yùn)營(yíng)的重要保障手段之一［1］。

現(xiàn)階段，收斂監(jiān)測(cè)的手段主要有手持激光測(cè)距儀監(jiān)測(cè)、全站儀監(jiān)測(cè)及移動(dòng)三維激光掃描監(jiān)測(cè)。手持激光測(cè)距儀的監(jiān)測(cè)原理簡(jiǎn)單，用于監(jiān)測(cè)隧道段的橫向變形，數(shù)據(jù)精度較高，但因人工監(jiān)測(cè)存在粗差、監(jiān)測(cè)人員激光指錯(cuò)位置、激光測(cè)距儀底部未放到位等問(wèn)題，嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，此作業(yè)形式的效率較低，且因人為因素極易造成監(jiān)測(cè)斷面出現(xiàn)遺漏等。全站儀收斂監(jiān)測(cè)要人工進(jìn)行架站，從而對(duì)隧道腰部位置進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集，單一測(cè)站能監(jiān)測(cè)到的隧道斷面數(shù)據(jù)有限，要由監(jiān)測(cè)人員不停搬動(dòng)監(jiān)測(cè)站，該方法效率較低。移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，移動(dòng)掃描車在隧道內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，將盾構(gòu)隧道段進(jìn)行弧度劃分，并擬合出盾構(gòu)隧道的收斂橫向監(jiān)測(cè)的最優(yōu)監(jiān)測(cè)部位，最終得到準(zhǔn)確的隧道橫向收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［2］。

1 移動(dòng)三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取

移動(dòng)掃描車作為掃描儀器的載體，是獲取數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。由于盾構(gòu)隧道位于地下，信號(hào)受影響，因此移動(dòng)掃描車要裝備里程計(jì)、角度傳感器等外部裝置，從而保證掃描儀能正常工作。盾構(gòu)隧道中的軌道設(shè)有計(jì)軸器，為了不影響運(yùn)營(yíng)地鐵列車的安全，掃描車經(jīng)過(guò)該區(qū)段不可觸碰到計(jì)軸器及其他傳感器。因此，移動(dòng)搭載設(shè)備選取某單位定制研發(fā)的地鐵隧道移動(dòng)掃描車，如圖1所示，可避免對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道產(chǎn)生影響，從而保證自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 隧道移動(dòng)掃描車工作原理示意圖和實(shí)物圖

移動(dòng)三維激光掃描現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)可分為三部分，即作業(yè)前準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、作業(yè)結(jié)束整理。詳細(xì)的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 移動(dòng)三維激光掃描作業(yè)流程示意圖

1.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

因?yàn)樗淼纼?nèi)的鐵軌帶電，而移動(dòng)掃描車架設(shè)在兩側(cè)的鐵軌上，所以要保證掃描車輪絕緣，不能成為導(dǎo)電體。從而避免兩根鐵軌導(dǎo)電引起地鐵車控制報(bào)警，影響列車的安全運(yùn)營(yíng)。軌道車對(duì)盾構(gòu)隧道某個(gè)區(qū)間進(jìn)行掃描時(shí)不能出現(xiàn)間斷，因此要保證軌道掃描車及掃描儀的電池電量能滿足作業(yè)需求。因掃描數(shù)據(jù)量較大，要保證儀器的自身存儲(chǔ)空間足夠，在進(jìn)行掃描前要檢查儀器存儲(chǔ)空間的使用情況。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要安裝好電池和儀器平臺(tái)，檢查掃描儀基座與移動(dòng)掃描車是否安裝牢固，在安裝完儀器后，對(duì)掃描模式、分辨率設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)掃描方向確認(rèn)等進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)軌道掃描車移動(dòng)到合適位置后，設(shè)置前進(jìn)擋位，保證掃描車勻速前進(jìn)，從而保證掃描儀數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。遇到障礙物后要停車，且在障礙物排空后，要將軌道掃描車后退至已掃描的最后一個(gè)斷面，繼續(xù)進(jìn)行掃描。

1.3 作業(yè)結(jié)束后整理工作

在完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)后，要及時(shí)關(guān)閉掃描儀，將關(guān)機(jī)后的掃描儀放于儀器箱中，掃描車拆解后放于儀器箱中，檢查作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，要做到工完料清，保證列車的運(yùn)營(yíng)環(huán)境安全，待撤離作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)后，要及時(shí)將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出保存，從而避免數(shù)據(jù)的丟失［3］。

2 數(shù)據(jù)處理

隧道移動(dòng)掃描數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示。先導(dǎo)入原始掃描數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)場(chǎng)掃描的環(huán)境數(shù)據(jù)及特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)生成定位文件，并進(jìn)行成果結(jié)算。

圖3 隧道移動(dòng)掃描數(shù)據(jù)處理流程示意圖

大盾構(gòu)直徑隧道因中隔墻的存在，要根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行弧左、弧右劃分，分別計(jì)算出左右水平橫徑，并加上隔墻厚度，即為大盾構(gòu)隧道水平直徑的收斂值。本研究分別使用全站儀及三維激光掃描對(duì)同區(qū)間的大盾構(gòu)隧道直徑收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行比對(duì)。

2.1 全站儀

直徑量測(cè)采用全站儀極坐標(biāo)法，左線瞄準(zhǔn)直徑點(diǎn)H點(diǎn)和D點(diǎn)，一測(cè)回盤左坐標(biāo)為（X Hl，YHl，ZHl）、（X Dl，Y Dl，ZD l），盤右坐標(biāo)為（XH r，YH r，Z Hr）、（XD r，YDr，ZD r）。盤左、盤右分別計(jì)算H點(diǎn)和D點(diǎn)的空間直線距離，較差小于2 mm時(shí)，取兩者的平均值作為實(shí)測(cè)左線橫徑R。大盾構(gòu)收斂監(jiān)測(cè)示意，如圖4所示。

圖4 大盾構(gòu)收斂監(jiān)測(cè)示意圖（單位：mm）

相關(guān)計(jì)算公式見式（1）、式（2）。

式中：R L為全站儀盤左監(jiān)測(cè)的左線橫徑值；R R為全站儀盤右監(jiān)測(cè)的左線橫徑值。

計(jì)算出盤左和盤右兩組空間的直線距離，取其平均值，即為左線橫徑的實(shí)測(cè)值，見式（3）。

式中：R左線為大盾構(gòu)隧道左線橫徑值。

同理可得，在右線用全站儀無(wú)棱鏡極坐標(biāo)法，左線瞄準(zhǔn)直徑點(diǎn)H＇點(diǎn)、D＇點(diǎn)，分別計(jì)算出盤左盤右監(jiān)測(cè)的兩點(diǎn)之間的直徑R＇L、R＇R，取其平均值，即為右線橫徑實(shí)測(cè)值，見式（4）。

式中：R＇L為全站儀盤左監(jiān)測(cè)的左線橫徑值；R＇R為全站儀盤右監(jiān)測(cè)的左線橫徑值；R右線為大盾構(gòu)隧道右線橫徑值。

左線橫徑和右線橫徑相加，再加上隔墻厚度，即為水平直徑的實(shí)測(cè)值，見式（5）。

式中：R水平直徑為大盾構(gòu)隧道直徑的收斂值；R左線為大盾構(gòu)隧道左線的橫徑值；R右線為大盾構(gòu)隧道右線的橫徑值；D隔墻為大盾構(gòu)隧道隔墻的厚度。

2.2 三維激光掃描儀

利用大直徑盾構(gòu)隧道錯(cuò)縫拼裝施工工藝，以掃描車前進(jìn)方向及中隔墻為基準(zhǔn)，將盾構(gòu)隧道劃分為弧左、弧右兩部分，弧左及弧右同環(huán)同斷面均劃分為4個(gè)弧段，進(jìn)而擬合出各自的圓心，取極角為90°和270°兩個(gè)方向值為弧左及弧右的水平徑值，分別記為R L、R R，中隔墻厚度為R隔墻，則三維激光解算大盾構(gòu)水平直徑見式（6），大盾構(gòu)直徑解算示意，如圖5所示。

圖5 大盾構(gòu)直徑解算示意圖

3 工程實(shí)例

3號(hào)線柳州東站-上元門站區(qū)間是大直徑的盾構(gòu)隧道，采用雙面楔形環(huán)錯(cuò)縫拼裝，在進(jìn)行曲線模擬和施工糾偏時(shí)分別旋轉(zhuǎn)32.727 6°、130.909 2°、229.090 8°、327.2724°，從而實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫拼裝。此區(qū)段長(zhǎng)為3.4 km，共布設(shè)224個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，平均每隔20 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

為了解該區(qū)段三維激光掃描解算水平直徑的精度，對(duì)使用人工手持激光測(cè)距儀、全站儀監(jiān)測(cè)方法三維激光掃描解算的水平直徑收斂值進(jìn)行對(duì)比，得出的結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 三種監(jiān)測(cè)方式數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖7 全站儀、三維激光掃描分別與激光測(cè)距儀收斂值對(duì)比圖

由圖6和圖7可知，三維移動(dòng)激光掃描解算的水平直徑收斂與人工測(cè)距儀及全站儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差值分布在-2.5～2.5 mm，外符合精度為1.9 mm。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)介紹移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在過(guò)江大盾構(gòu)隧道中的水平直徑解算，并將解算值與人工激光測(cè)距儀及全站儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)果與人工監(jiān)測(cè)到的水平直徑值吻合。其作業(yè)效率較傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法有大幅度提升，具有一定的實(shí)用價(jià)值。