【摘" " 要】：針對傳統(tǒng)地鐵監(jiān)測技術(shù)無法全面反映地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的問題，提出三維激光掃描技術(shù)，通過工程實例驗證三維激光掃描在地鐵運營監(jiān)測中的應(yīng)用，人工數(shù)據(jù)與三維激光掃描數(shù)據(jù)對比分析表明，三維激光掃描在地鐵隧道檢測中具有高精度和可靠性。

【關(guān)鍵詞】：地鐵隧道；三維激光掃描；精度驗證；監(jiān)測

Application of Mobile 3D Laser Scanning Technology in Subway

Operation Monitoring

PEI Qianfan，ZHANG Wenjing，XU Shuai

（China Railway Liuyuan Group Co.Ltd.，Tianjin 300308，China）

【Abstract】：Due to the issue of the traditional subway monitoring technology is unable to fully capture the structural deformation of the subway tunnel， this paper suggests that 3D laser scanning technology， which verifies the application of 3D laser scanning in subway operation monitoring through actual project as an example， compares and analyzes manual data with 3D laser scanning data. It concludes that 3D laser scanning demonstrates high accuracy and reliability in detecting subway tunnel deformations.

【Key words】：subway tunnel; 3D laser scanning; accuracy verification; monitoring

傳統(tǒng)地鐵監(jiān)測技術(shù)方法效率低、耗費人力大、自動化程度低。三維激光掃描技術(shù)具有精度高、效率高、可靠性強等特點，基于三維激光掃描進行隧道漏水、隧道錯臺、隧道收斂等情況檢測，實現(xiàn)了“一次掃描作業(yè)，多項監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取”的目標，提高了整體的生產(chǎn)效率，節(jié)約了作業(yè)成本[1～2]。許誠權(quán)等[3]利用三維激光掃描儀對地鐵隧道進行隧道斷面、隧道橢圓度、隧道病害、接觸網(wǎng)導(dǎo)高及拉出值及限界進行分析，并通過多次檢測，人工觀測等方法來驗證三維激光掃描儀的精度，驗證結(jié)果表明三維激光掃描成果是可靠的；徐濤[4]自主研發(fā)一種三維振鏡式激光掃描系統(tǒng)，基于點云隧道三維建模算法的地鐵隧道形變監(jiān)測，利用實例進行驗證，表明基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道形變監(jiān)測與實際隧道的數(shù)據(jù)相比，橢圓長軸差值為0，橢圓短軸的差值為1 mm，且監(jiān)測所消耗時間最短，該系統(tǒng)性能較高；方立偉[5]介紹了三維激光掃描的工作原理，結(jié)合實例分析了三維激光掃描在隧道病害檢測、橢圓度檢測和水平直徑檢測數(shù)據(jù)，結(jié)果表明隧道漏水62處、結(jié)構(gòu)性開裂258處，管片錯臺最大處6 mm，橢圓度和隧道直徑都受到隧道周圍地質(zhì)和人為的較大干擾；高帥等[6]分析了三維激光掃描在隧道調(diào)線調(diào)坡中的應(yīng)用，驗證了三維激光掃描技術(shù)的高精度、高效率，證實了該方法的可行性和廣闊的應(yīng)用前景。

利用三維激光掃描技術(shù)快速獲取物體表面大量的三維坐標和影響信息，并從坐標和影像信息中獲取漏水、錯臺、隧道橢圓度、隧道直徑等可用信息，分析地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)[7]。本文結(jié)合實例對地鐵隧道運營監(jiān)測期的隧道錯臺、隧道收斂進行監(jiān)測，并對檢測結(jié)果進行了現(xiàn)場檢測，證實了三維激光掃描檢測方法的高精度和可靠性。

1 掃描系統(tǒng)組成及原理

三維激光掃描數(shù)據(jù)采集硬件組成主要有激光掃描儀、里程計、控制系統(tǒng)和激光2D位移傳感器。三維激光掃描儀利用馬達來帶動頭部旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)出激光進行物體檢測，激光經(jīng)過物體反射被系統(tǒng)接收，激光接收器利用激光反射回來的水平向掃描角度a和豎向掃描角度β及激光往返傳播時間t、信號強度等信息，物體與掃描儀的距離S利用往返時間t獲得，再與掃描儀自身位置信息相結(jié)合，獲得物體目標的三維坐標信息和反射強度信息等。在測量時儀器自身就是坐標系原點，X軸與Y軸相互垂直位于水平掃描視場，Z軸垂直于X、Y軸構(gòu)成的平面位于豎向視場。見圖1[8]。

三維激光掃描以“面”的形式對地鐵隧道進行數(shù)據(jù)采集，所發(fā)出的激光測距精度達到亞毫米級。三維激光掃描的作業(yè)流程由外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理組成。外業(yè)將隧道數(shù)據(jù)進行采集，主要采集掃描儀和掃描小車數(shù)據(jù)。內(nèi)業(yè)作業(yè)對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換處理，點云數(shù)據(jù)拼接，點云數(shù)據(jù)融合，點云數(shù)據(jù)降噪，結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。見圖2。

2 作業(yè)流程及數(shù)據(jù)處理

2.1 外業(yè)作業(yè)

外業(yè)工作需要在地鐵停運后開始，準備軌道測量小車、三維激光掃描儀等設(shè)備。在外業(yè)測量過程中，軌道測量小車盡量勻速行駛并且不能停止；在需要停止的情況下，須重新建立新任務(wù)[9]。

2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

將外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到電腦數(shù)據(jù)處理軟件中，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、生成制定間隔的點云、點云格式轉(zhuǎn)換、點云數(shù)據(jù)預(yù)處理（點云去噪）、軌道結(jié)構(gòu)測量與病害檢測軟件、隧道內(nèi)壁高清正攝影像圖（影像鑲嵌）、識別與標注裂縫等病害、成果報告。在數(shù)據(jù)進行處理之前需要核準掃描儀、里程計等各項文件的一致性[10]。

掃描數(shù)據(jù)的展開配準即點云數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換分為兩步。先利用標定的掃描儀與小車的姿態(tài)和位置關(guān)系，確定掃描儀坐標系和小車坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標轉(zhuǎn)換；再利用導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置和姿態(tài)信息，將點云轉(zhuǎn)換至外部坐標系。將設(shè)計隧道的平曲線和豎曲線、起始點里程以及斷面間隔輸入到數(shù)據(jù)處理軟件中，自動計算出每個斷面在隧道中的位置。

誤差來源主要有儀器誤差、目標物體反射面有關(guān)誤差、坐標配準誤差和外界環(huán)境條件。點云去噪就是消除誤差，將水、鏡面等噪點的影響降到最低，甚至消除影響。通過設(shè)置合適的斷面角度微元徑向點云噪點去除閾值。對獲取的隧道幾何結(jié)構(gòu)進行軸向和徑向微元劃分和偏差分析，最后進行依據(jù)閾值進行點云去噪。

2.2.2 掃描點云數(shù)據(jù)

1）掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入。將外業(yè)采集的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理軟件中，生成正射影像灰度圖。

2）接縫提取。自動提取兩個管片間的接縫。接縫位置確定后，選擇分割環(huán)圖片，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)置的接縫位置自動將每一環(huán)的圖片提取出來。見圖3。

3）錯臺計算與輸出。分割環(huán)圖片后，提取每一個接縫位置兩側(cè)100 mm處的點云數(shù)據(jù)，選擇錯臺計算，將所有錯臺成果輸出到Excel報表文件和AutoCAD DXF圖形文件。

4）橢圓擬合。提取環(huán)兩側(cè)點云后，選擇橢圓擬合，系統(tǒng)會根據(jù)接縫位置，提取環(huán)片中間位置的點云擬合橢圓。見圖4。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某市軌道交通2號線一期工程正線全長約18.2 km，出入段線約1.2 km；共設(shè)15個地下車站，1座車輛段。車站多采用明挖法施工，區(qū)間多采用盾構(gòu)法施工。線路運營初期采用精密快速動態(tài)檢測小車進行移動動態(tài)三維掃描，小車集成了徠卡P30激光掃描儀、里程計等。斷面激光掃描精度檢測垂直方向±8″；距離精度1.2 mm + 10-6D km（D為實際測量的距離值）。線掃描視場為290°，為簡化計算，取β=45°。目標物體表面相關(guān)誤差取不利情況±0.5 mm。收斂相對精度優(yōu)于±2 mm。

隧道測量小車行駛速度3～4 km/h，掃描頻率為1 000 kHZ，掃描儀轉(zhuǎn)速為100 r/s，編碼器每轉(zhuǎn)1 000個脈沖。由掃描線每一個點的距離和角度值計算單個掃描線中的點相對于掃描儀自身的坐標值。根據(jù)每個掃描線掃描時間對應(yīng)的定位系統(tǒng)姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)，計算出所有掃描線所有點在外部坐標系中的位置。

3.2 隧道收斂與錯臺檢測

隧道收斂在數(shù)據(jù)采集時以水平直徑表示，軟件數(shù)據(jù)處理時對橢圓中心環(huán)片兩側(cè)點云實際距離解算獲取兩點距離作為收斂值。因掃描、設(shè)備阻擋等問題造成點云數(shù)據(jù)缺失，可以直接利用斷面數(shù)據(jù)進行擬合獲得收斂值。錯臺檢測是指相鄰管片間發(fā)生相對位移，管片錯臺是導(dǎo)致隧道差異沉降的主要原因[11]。

3.3 水平收斂結(jié)果分析

本次共掃描左右線合計30個區(qū)間，其中28個區(qū)間收斂值在70 mm以內(nèi)（本文中水平凈空收斂為水平直徑測量值與設(shè)計值的差值）。

右線第116～136環(huán)、第430環(huán)共22環(huán)收斂值＞70 mm；其中第123環(huán)至第133環(huán)水平收斂＞100 mm，最大值為120 mm，位于第128環(huán)。見圖5。

左線641環(huán)和642環(huán)收斂值＞70 mm，最大值為77 mm，位于第641環(huán)。見圖6。

3.4 錯臺結(jié)果分析

本次共掃描左、右線合計30個區(qū)間，其中29個區(qū)間平均錯臺量均在±20 mm以內(nèi)。入段線管片錯臺超過±20 mm有2環(huán)，第203環(huán)|第202環(huán)平均錯臺量為20.02 mm、第170環(huán)|第169環(huán)平均錯臺量為24.05 mm。見圖7。

3.5 錯臺人工復(fù)核

為了驗證三維激光掃描錯臺結(jié)果的精度，對錯臺量超過20 mm的2個環(huán)號進行了人工復(fù)核，復(fù)核結(jié)果顯示，兩環(huán)的差值分別為1.8、2.6 mm，差值較小，結(jié)果表明三維激光掃描在錯臺檢測中精度較高。

3.6 收斂人工復(fù)核

對1～100環(huán)管片進行人工收斂監(jiān)測，與三維激光掃描數(shù)據(jù)收斂進行對比，結(jié)果顯示：100個數(shù)據(jù)中差值為0的有74個，最大差值為4 mm，差值為±1 mm的有22個，收斂相對精度優(yōu)于±2 mm，三維激光掃描在隧道收斂檢測中與人工數(shù)據(jù)吻合度非常好。見圖8和表1。

4 結(jié)語

本文介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理，內(nèi)外業(yè)的作業(yè)流程，分析了三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道隧道錯臺、隧道收斂中的應(yīng)用，通過人工數(shù)據(jù)與三維激光掃描數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了三維激光掃描數(shù)據(jù)的高精度和可靠性。

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收稿日期：2023-05-15

課題項目：中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司測繪院科技開發(fā)重點項目（CHKY-2022-06）

作者簡介：裴千帆（1994 - ）， 男， 河南洛陽人， 助理工程師， 從事地鐵隧道監(jiān)測與測量工作。