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(diǎn)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(diǎn)測量無法實(shí)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(diǎn)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(diǎn)云；多手段融合；單洞雙線；中隔墻

中圖分類號：U455.43? ? ? 文獻(xiàn)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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，擬合實(shí)測斷面成果（圖1）和與設(shè)計(jì)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(diǎn)

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(jì)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(diǎn)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(diǎn)位要求，實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)云拼接的精度、點(diǎn)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(diǎn)位置特殊，復(fù)測位置需按設(shè)計(jì)里程實(shí)地放樣，該里程對應(yīng)斷面參考點(diǎn)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(yàn)等限制，可以快速的完成外業(yè)工作。省時高效，節(jié)省項(xiàng)目成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)無法獲??；如儀器設(shè)備和標(biāo)靶的對點(diǎn)誤差、測量誤差等導(dǎo)致點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)是采用相互獨(dú)立空間直角坐標(biāo)系。一般以掃描儀中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)O，儀器初始化時固定方向?yàn)閅軸，豎直上，并且垂直于Y軸的為Z軸。由于在實(shí)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(diǎn)誤差，都會導(dǎo)致坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)

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(diǎn)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(jìn)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(bào)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(diǎn)云抽稀處理

基于拼接好的異型隧道點(diǎn)云模型中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇在統(tǒng)一化過程中對點(diǎn)云進(jìn)行等比例抽稀以減少數(shù)據(jù)冗余。平均點(diǎn)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(jì)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(shí)際盾構(gòu)內(nèi)壁最低點(diǎn)和最高點(diǎn)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(jì)斷面設(shè)置

設(shè)計(jì)斷面即為隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面，在進(jìn)行隧道對比或凈空計(jì)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(jì)建立異型隧道橫斷面坐標(biāo)系（圖4）。

5.6? 點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換傳輸

將完成拼接、去燥、抽稀的點(diǎn)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(jì)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(shí)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(diǎn)、線路終點(diǎn)、曲線五大要素控制點(diǎn)（ZH、HY、QZ、YH、HZ、或ZY、QZ、YZ）；②特殊點(diǎn)橫斷面。結(jié)構(gòu)橫斷面變化點(diǎn)（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(jī)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(diǎn)分布

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

5.8? 特征點(diǎn)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(jì)斷面進(jìn)行進(jìn)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(diǎn)數(shù)和中心偏移，選擇取點(diǎn)方法，設(shè)置完畢后，即可開始進(jìn)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(jì)線路中心線為測量基準(zhǔn)線，測點(diǎn)距基準(zhǔn)線的橫距是指軌頂設(shè)計(jì)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(diǎn)是設(shè)計(jì)線路中心線在隧道頂部內(nèi)壁的投影點(diǎn)，底部測點(diǎn)是設(shè)計(jì)線路中心線在隧道底部內(nèi)壁的投影點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)際內(nèi)輪廓貼合，避免因道床遮擋、下部點(diǎn)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(shí)際隧道內(nèi)輪廓。

橢圓度計(jì)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(jì)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。

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