單洞雙線中隔墻馬蹄形隧道成型質(zhì)量分析

牛延平

摘? 要：單洞雙線區(qū)間單管隧道由于防災(zāi)送風(fēng)排煙通道，中間隔離墻和疏散通道施工時存在諸多偏差（因現(xiàn)場定位、澆筑脹模等）、隧道霧氣嚴(yán)重（控制點間距較遠(yuǎn)，無法定向），內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面潮濕（激光無法反射）等諸多因素影響，采用常規(guī)全站儀單點測量無法實現(xiàn)斷面數(shù)據(jù)采集，基于三維激光掃描技術(shù)的大直徑盾構(gòu)法單洞雙線、有中隔墻馬蹄形隧道斷面處理技術(shù)，采用三維激光掃描儀獲取二襯結(jié)構(gòu)海量點云數(shù)據(jù)，借助cyclone、HDS、CAD多種處理手段相融合，分析隧道內(nèi)斷面變形、隧道收斂、施工偏差等情況。

關(guān)鍵詞：三維激光；海量點云；多手段融合；單洞雙線；中隔墻

中圖分類號：U455.43? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0160-04

Abstract： Due to the disaster prevention air supply and smoke exhaust passage， there are many deviations in the construction of the middle separation wall and evacuation passage （due to on-site positioning， pouring formwork， etc.）， and there is serious fog in the tunnel （the distance between the control points is far apart， unable to orient）. The surface of the internal structure is wet （laser can not be reflected） and many other factors， so the cross-section data collection can not be realized by using conventional total station single-point measurement. Based on the three-dimensional laser scanning technology， the large-diameter shield single-hole， double-line， horseshoe-shaped tunnel section processing technology， this paper proposes using three-dimensional laser scanner to obtain the massive point cloud data of the second lining structure， with the help of the integration of cyclone， HDS， CAD processing methods， so as to analyze the tunnel cross-section deformation， tunnel convergence， construction deviation and so on.

Keywords： 3D laser; massive point cloud; multi-means fusion; single hole and double line; partition wall

目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道主要有單洞雙線、單洞單線2種形式。其中單洞雙線區(qū)間采用單管隧道作為行車隧道，將隧道分為上中下3層， 其中上層作為防災(zāi)送風(fēng)排煙通道，中間設(shè)置隔離墻和疏散通道，隧道下層為排水溝。

由于防災(zāi)送風(fēng)排煙通道，中間隔離墻和疏散通道施工時存在諸多偏差（因現(xiàn)場定位、澆筑脹模等）、隧道霧氣嚴(yán)重（控制點間距較遠(yuǎn)，無法定向），內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面潮濕（激光無法反射）等因素影響。常規(guī)全站儀極坐標(biāo)法斷面數(shù)據(jù)采集手段已無法完成區(qū)間斷面數(shù)據(jù)采集，且耗時耗力，不能精準(zhǔn)、高效地把握隧道成型質(zhì)量。

通過三維激光掃描技術(shù)獲取海量點云數(shù)據(jù)，擬合實測斷面成果（圖1）和與設(shè)計斷面對比，可以分析隧道內(nèi)斷面變形、隧道收斂等情況。

1? 技術(shù)特點

其一，區(qū)間防災(zāi)送風(fēng)排煙通道，中間隔離墻和疏散通道施工時存在諸多偏差（因現(xiàn)場定位、澆筑脹模等）。本次目標(biāo)物數(shù)據(jù)采集采用3.1 mm@10 m的分辨完成掃描，可反映異型隧道任意部位細(xì)部特征。

其二，因部分隧道設(shè)計線路中涉及長、短鏈、減震道床過渡段，以及部分管廊隧道線型的特殊性，各地方地鐵斷面成果資料匯交的不同要求，需借助徠卡cyclone及HDS變形分析工具與CAD三者結(jié)合，合理繪制點位分布圖及凈空分析位置圖，確定其斷面、凈空分析時所規(guī)定的點位要求，實現(xiàn)了過渡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性銜接，提高數(shù)據(jù)可靠性，得到一套完整的三維激光掃描儀隧道斷面凈空測量的數(shù)據(jù)處理方法。

其三，盾構(gòu)隧道數(shù)據(jù)采集過程中至少保證4個及以上標(biāo)靶架設(shè)在施工控制點上，量取并記錄目標(biāo)高度，得到標(biāo)靶的三維坐標(biāo)，且提高自由設(shè)站所得點云數(shù)據(jù)與施工坐標(biāo)系的統(tǒng)一精度，解決了盾構(gòu)隧道點云拼接的精度、點云絕對坐標(biāo)的精度高的要求，提高了外業(yè)三維掃描數(shù)據(jù)采集的效率。

其四，異型隧道參考特征點位置特殊，復(fù)測位置需按設(shè)計里程實地放樣，該里程對應(yīng)斷面參考點放樣困難，三維激光掃描儀的使用，不受隧道內(nèi)旁折光、視距、人員專業(yè)素養(yǎng)和現(xiàn)場經(jīng)驗等限制，可以快速的完成外業(yè)工作。省時高效，節(jié)省項目成本，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

2? 適用范圍

區(qū)間采用單管隧道作為行車隧道，將隧道分為上中下3層， 其中上層作為防災(zāi)送風(fēng)排煙通道，中間設(shè)置隔離墻和疏散通道的異型隧道（單洞雙線斷面、有中隔墻馬蹄形隧道斷面）及常規(guī)單圓形盾構(gòu)法隧道或其他異型隧道。

3? 技術(shù)原理

外業(yè)掃描數(shù)據(jù)精度往往在外業(yè)施測的各個環(huán)節(jié)中受不同因素的影響。如掃描目標(biāo)物的物理特性、掃描視場的局限性等都會產(chǎn)生掃描盲區(qū)，以至于部分點云數(shù)據(jù)無法獲取；如儀器設(shè)備和標(biāo)靶的對點誤差、測量誤差等導(dǎo)致點云數(shù)據(jù)的微位移。目標(biāo)物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)獲取原理，采用激光光束，測定斜距S，水平角ψ，豎直角θ。得三維坐標(biāo)（x，y，z）

多站點云數(shù)據(jù)是采用相互獨立空間直角坐標(biāo)系。一般以掃描儀中心作為坐標(biāo)原點O，儀器初始化時固定方向為Y軸，豎直上，并且垂直于Y軸的為Z軸。由于在實際測量中，測距和測角誤差不可避免，并且儀器設(shè)備和標(biāo)靶的對點誤差，都會導(dǎo)致坐標(biāo)原點O發(fā)生位移，必然使得x，y，z的精度各不相同。

解算關(guān)系如下

其中

旋轉(zhuǎn)矩陣

式中：ωx、ωy、ωz為坐標(biāo)軸X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)角度，Δx、Δy、Δz為坐標(biāo)軸X、Y、Z方向的坐標(biāo)增量，點云配準(zhǔn)誤差即為數(shù)據(jù)矩陣的解算誤差。采用標(biāo)靶配準(zhǔn)時，要求解上述未知數(shù)，必須兩站之間共用3個及以上公共標(biāo)靶（圖2）。

4? 技術(shù)流程圖

基于三維激光掃描技術(shù)的大直徑盾構(gòu)法單洞雙線、有中隔墻馬蹄形隧道斷面處理技術(shù)流程（圖3）。

5? 技術(shù)操作要點

5.1? 異形隧道外業(yè)數(shù)據(jù)采集

區(qū)間采用單洞雙線中隔墻馬蹄形隧道，二襯結(jié)構(gòu)將其分為左、右線，共架設(shè)XX站，采用3.1 mm@10 m的分辨完成掃描，特殊區(qū)域調(diào)整分辨率，提高效率。

5.2? 掃描點云拼接去燥

利用已提供的標(biāo)靶中心測量數(shù)據(jù)，可依照標(biāo)靶拼接的原理進行高精度的控制坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，幫助用戶控制拼接誤差。通過拼接報告顯示，在約束條件下每站的整體誤差及在各方向上的誤差均在1 cm以內(nèi)。

5.3? 點云抽稀處理

基于拼接好的異型隧道點云模型中對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，選擇在統(tǒng)一化過程中對點云進行等比例抽稀以減少數(shù)據(jù)冗余。平均點云間距設(shè)置時不宜過大，否則影響后續(xù)提取斷面質(zhì)量。

5.4? 左、右線設(shè)計中心線設(shè)置

盾構(gòu)區(qū)間中，曲線段因線路中心線與隧道中心線不重合，底板和頂板高程均為實際盾構(gòu)內(nèi)壁最低點和最高點高程，并非線路中心線處上下內(nèi)壁高程。左右橫距以線路中心線為基準(zhǔn)向盾構(gòu)左右內(nèi)壁測量距離。所有橫斷面的測量基準(zhǔn)均以線路中心線為測量基準(zhǔn)。

5.5? 左、右線設(shè)計斷面設(shè)置

設(shè)計斷面即為隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面，在進行隧道對比或凈空計算時應(yīng)將獲取的斷面與標(biāo)準(zhǔn)斷面對比。根據(jù)斷面要求，采用CAD設(shè)計建立異型隧道橫斷面坐標(biāo)系（圖4）。

5.6? 點云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換傳輸

將完成拼接、去燥、抽稀的點云數(shù)據(jù)輸出為.PTS或 .XYZ格式，作為后處理軟件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.7? 基于設(shè)計中線切割橫斷面

一般地鐵隧道斷面測量要求斷面測量間距，沿里程增加方向，直線段每隔6 m、曲線段每隔5 m測量一個斷面。起始里程與結(jié)束里程指的是中心線長度而非實際里程。

5.7.1? 橫斷面密度

①測量基本密度。直線地段每隔6 m、曲線地段每隔5 m測量一處橫斷面。不論何種類型的斷面結(jié)構(gòu)，除上述基本密度外，還應(yīng)在如下位置加測橫斷面：線路起點、線路終點、曲線五大要素控制點（ZH、HY、QZ、YH、HZ、或ZY、QZ、YZ）；②特殊點橫斷面。結(jié)構(gòu)橫斷面變化點（測同一位置的2種橫斷面）；人防隔斷門門框兩側(cè)、區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兩邊緣、道岔中心位置、區(qū)間射流風(fēng)機處、站臺、區(qū)間、配線地段線路兩側(cè)的立柱；橫斷面的里程誤差應(yīng)在±50 mm以內(nèi)。

5.7.2? 橫斷面測點分布

斷面上測點位置均應(yīng)為限界控制點。①測點位置的定位要求。為應(yīng)對施工誤差較大時對左、右測點影響，本次調(diào)線調(diào)坡測量中左右測點的定位（測點高度）均以該斷面的設(shè)計標(biāo)高為基準(zhǔn)推算而確定；②測點位置的允許偏差。為控制限界及方便施測，實際左、右測點位置與設(shè)計位置可有±50 mm的偏差。

5.8? 特征點提取及斷面對比、凈空分析

5.8.1? 橫斷面對比

將提取的橫斷面與設(shè)計斷面進行進行對比，分別選擇需要對比分析的2個橫斷面，并根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)扇形點數(shù)和中心偏移，選擇取點方法，設(shè)置完畢后，即可開始進行橫斷面對比。分析結(jié)果的隧道斷面圖視圖，查看超欠挖具體數(shù)值。

5.8.2? 凈空分析

以施工圖的設(shè)計線路中心線為測量基準(zhǔn)線，測點距基準(zhǔn)線的橫距是指軌頂設(shè)計高程以上規(guī)定高度位置由基準(zhǔn)線至隧道內(nèi)壁的距離（橫偏距）；頂部測點是設(shè)計線路中心線在隧道頂部內(nèi)壁的投影點，底部測點是設(shè)計線路中心線在隧道底部內(nèi)壁的投影點，均以高程表示（或高差：縱偏距）。隧道凈空測量如圖5所示。

5.8.3? 圓形隧道橢圓度分析與成果展示

擬合橢圓采用剔除粗差后點云并通過空間分布定權(quán)方法，保證擬合橢圓盡量與隧道實際內(nèi)輪廓貼合，避免因道床遮擋、下部點云過于密集原因會造成短軸擬合值過小，因腰部位置線纜、管片錯臺等會造成長軸大于實際隧道內(nèi)輪廓。

橢圓度計算公式為scale=（ra-rb）/d，其中scale為橢圓度，ra為長軸，rb短軸，d為設(shè)計圓內(nèi)徑。

橢圓度分析如圖6所示。右線橢圓度分布概況見表1。

區(qū)間三維激光掃描成果具有可靠性，其測量方式可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量方法，數(shù)據(jù)采集快捷方便，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理自動化，成果可靠。

參考文獻：

[1] 齊建偉，紀(jì)勇.地面3D激光掃描儀反射標(biāo)靶中心求取方法研究[J].測繪信息與工程，2011（2）：37-39.

[2] 魯鐵定，周世健，張立亭，等.基于整體最小二乘的地面激光掃描標(biāo)靶球定位方法[J].大地測量與地球動力學(xué)，2009，29（4）：102-105.

[3] 王曉峰.三維激光掃描技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用[D].上海：同濟大學(xué)，2009.

[4] 朱磊，王健，畢京學(xué).三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].北京測繪，2014（5）：78-82.

[5] 葉曉婷.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)用分析[J].城市測繪，2014（4）：8-11.

[6] 蘇曉蓓，郝剛.地面三維激光掃描標(biāo)靶中心識別算法研究[J].城市勘測，2010（3）：68-70，76.

[7] 代世威，孫洋洋.淺談地面三維激光掃描儀誤差[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013（11）：1-3.

[8] 冒愛泉，朱益虎，郝思寶，等.地面三維激光掃描儀精度測評方法和誤差改正模型研究[J].測繪通報，2014（2）：72-75.

[9] 激光掃描歐洲.激光掃描儀參考球體套裝（標(biāo)準(zhǔn)）FARO激光掃描儀和Trimble TX5[EB/OL].（2013-8-3）.http：//shop.laserscanning-europe.com/Laser-Scanner-ReferenceSphere-Set-Standard-for-FARO-Laser-Scanner-and-Trimble-TX5.

[10] 羅德安，朱光，陸立，等.基于3維激光影像掃描技術(shù)的整體變形監(jiān)測[J].測繪通報，2005（7）：40-42.

[11] 馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[12] 吳杭彬，劉春.三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的空間壓縮[J].遙感信息，2006（2）：22-24，28.