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基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法

謝雄耀1，盧曉智1，田海洋1，季倩倩2，李攀1

(1. 同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092； 2. 上海長江隧橋建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 201209)

在隧道工程中變形測量是必不可少的，工程師可根據(jù)測量結(jié)果評價隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

地面三維激光掃描技術(shù)(terrestrial laser scanning)是一種以激光測距方式快速獲取大量測點三維坐標(biāo)的測量技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，從而獲取更加全面的隧道變形信息。

一、基于點云的隧道三維建模算法與變形分析

本文提出一種基于點云的隧道三維建模算法，用于獲取隧道的相對變形。算法的流程如圖1所示。下文將以一條圓形隧道為例介紹該算法，該隧道采用頂管法施工，內(nèi)徑2.7 m，管節(jié)寬度2 m。

圖2所示的點云仍無法直觀表示隧道的相對變形，本文通過建立橢圓柱面三維模型，使隧道變形可視化。

對圖2所示的點云進行三維建模和變形分析，結(jié)果如圖3所示。

二、激光掃描儀與全站儀在隧道變形測量中的精度比較試驗

本次試驗采用Leica C10激光掃描儀與Leica TS30全站儀，其廠家標(biāo)稱精度見表1。本試驗在上海市浦東新區(qū)某污水隧道進行，該隧道采用頂管法施工，隧道內(nèi)徑4 m，管節(jié)寬度2 m，如圖4所示。采用C10激光掃描儀與TS30全站儀對圖4所示的一段隧道管節(jié)進行變形測量。

表1　TS30全站儀和C10激光掃描儀的廠家標(biāo)稱精度

圖4　頂管隧道的一段管節(jié)

本試驗結(jié)果表明(見表2)，采用基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道變形測量方法，得到的隧道相對變形與全站儀的測量結(jié)果相差在2 mm以內(nèi)。

表2TS30全站儀與C10激光掃描儀數(shù)據(jù)的橢圓擬合結(jié)果比較

參數(shù)模型TS30全站儀C10激光掃描儀相差值橢圓長軸/mm400540061橢圓短軸/mm400440022長軸與水平方向夾角(逆時針方向為正)/(°)-12315

三、應(yīng)用案例

在多空間隧道中，由于混凝土板墻的阻隔，單個測站無法獲取隧道的全斷面點云，因此需要合理地布設(shè)測站及標(biāo)靶。下面以一條多空間隧道為例介紹測站及標(biāo)靶的布設(shè)方法。

上海市長江西路公路隧道越江段采用盾構(gòu)法施工，外徑15 m，內(nèi)徑13.7 m，管片寬度2 m。橫斷面被煙道板、車道板及隔墻分割成5部分，屬于多空間隧道。采用Leica C10激光掃描儀在該隧道進行數(shù)據(jù)采集，一共布設(shè)了6個測站和12個標(biāo)靶。利用風(fēng)機預(yù)留孔和逃生通道作為通視條件，將6個測站的點云拼接起來。通過Cyclone軟件完成拼接，形成隧道的全斷面點云，如圖5所示。

圖5　大斷面多空間公路隧道掃描測量實例

四、結(jié)論

本文研究了基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道相對變形測量方法，主要結(jié)論如下：

1) 進行了激光掃描儀與全站儀的精度比較試驗。試驗表明，采用本文所提出的三維建模分析方法對隧道點云進行處理，得到的隧道相對變形結(jié)果與全站儀的測量結(jié)果相差在2 mm以內(nèi)。

2) 介紹了兩個應(yīng)用案例，將本文所提出的方法應(yīng)用到單空間隧道中，獲得了隧道的相對變形；介紹了多空間隧道的測站和標(biāo)靶布設(shè)方法，獲取了隧道的全斷面點云。

3) 本文所提出的三維建模算法假定整條隧道的相對變形可用若干個幾何形態(tài)各異的橢圓柱面表示，顯然這個假定只適用于變形較小的圓形隧道。在接近破壞極限時隧道會產(chǎn)生較大的變形，則上述假定不再適用。因此在使用本文所提出的方法進行隧道三維建模時，建議將擬合結(jié)果與原始點云進行比較，若擬合殘差過大，則說明該方法不再適用。

4) 對于變形較大的圓形隧道及非圓形斷面的隧道，需要通過新的數(shù)據(jù)處理方法獲取隧道的相對變形。今后的研究思路應(yīng)著重于尋找合適的數(shù)學(xué)函數(shù)(如二次曲面、NURBS曲面等)來描述隧道變形后的空間幾何形態(tài)。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)