三维激光扫描技术在地铁隧道收敛监测中的应用

张蕴明，马全明，李丞鹏，耿长良，李 响

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101)

一、引 言

地铁隧道收敛监测，即地铁运营过程中，由于受到地面、周边建筑物负载及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工、地铁列车运行振动等原因，会对隧道产生综合影响而造成隧道变形。通过仪器设备对这种变形量进行监测，分析数据，以判断变形是否在允许的范围内，是地铁隧道安全监测工作中非常重要的环节。

传统的隧道收敛监测，一般采用两种方法：钢尺收敛计接触法测量和全站仪非接触法测量。钢尺收敛计法就是直接用钢尺量取隧道直径，这种方法虽然操作简单，但是具有明显的局限性和不利之处：首先是作业效率低;其次是量测结果容易受到人为误差的影响。全站仪非接触测量即采用全站仪进行坐标传递，每个测站都需要对中和量取仪器高，并瞄准断面上的不同方向点进行观测。由于地铁在运营时间内不能进行观测，而只能在晚上3～4 h停运时间内进行工作，受到本身的作业复杂性和晚上光线环境因素的影响，这种监测方式同样也不是最好的工作方法。

二、三维激光扫描技术在隧道收敛监测中的工作流程

整个工作流程分为外业数据采集、数据预处理、三角网模型建立、隧道断面截取、成果输出、对比分析等。

(1)外业数据采集

根据现场环境复杂度以及不同仪器本身有效工作范围的不同，合理的设置测站和标靶球的位置。标靶球注意不要摆放在一个面内，以免影响拼站精度。如果需要将断面坐标统一到绝对坐标系中，需要用全站仪测出一些标靶球的绝对坐标，作为坐标转换的控制点。

(2)数据预处理

在点云后处理软件中，根据测站间共有的标靶球拼接各个测站的点云数据。原始的点云数据中存在噪声点及其他无用数据，比如工作人员、各类障碍物等，这些都需要在后处理软件中剔除。

(3)三角网模型建立

点云数据经过预处理后，在专业的建模软件中建立三角网模型，建模过程中要注意以真实情况为主，避免大量漏洞的修补。

(4)隧道断面截取

建立好三角网模型后，在专业软件中，确定出隧道的中心线，并沿其法线方向按一定间隔截取隧道的断面图。

(5)成果输出

将截取的断面图输出成 DWG格式文件，在CAD软件中量取隧道不同方向上的半径值。

(6)对比分析

将不同间隔的断面收敛成果数据制作成表格和直方图，进行分析统计。

三、实测案例

由我院负责的北京地铁某号线全线隧道收敛监测工作中，先前一直采用收敛计配合全站仪的工作模式，为了进行新技术的推广，选取了某区段中一个长约100m的区域进行了正右线的三维激光扫描方式的隧道收敛监测试验。

1．仪器的选用

仪器选用我院拥有的美国FARO Focus3D扫描仪，如图1所示。

这款扫描仪每秒最大扫描976 000点，25 m内的系统距离误差不大于±2mm。

2．数据采集

(1)扫描参数设定

根据以往的工作经验，整个数据采集工作选用中等速度和质量进行，分辨率设为1/5，质量设为4X，一个测站的扫描时间大约为6min 30 s。

图1 FARO Focus3D扫描仪

(2)仪器设站及标靶球的摆放

考虑到数据采集精度及仪器的有效距离，每个测站间隔大约30m，试验段区域左右线一共摆放了6站。在试验段的两端分别摆放不同数量的标靶球，用以辨认测量区域范围。在每两个测站之间，摆放3个以上的标靶球，注意标靶球应避免在一个平面内，以免影响拼站精度。图2为扫描工作中标靶球的摆放。

图2 标靶球的摆放

3．数据处理

(1)点云拼接和噪点处理

利用仪器配套的Faro Sense点云后处理软件进行测站拼接。并在Cyclone软件中删除噪点。

(2)三角网模型的建立

在Geomagic软件选定合适的参数对处理好的点云数据建立三角网模型。隧道的点云视图和三角网模型视图分别如图3、图4。

图3 隧道点云视图

图4 隧道三角网视图

(3)中心线提取及断面输出

利用RealWorks Survey软件对隧道模型进行中心线的提取并按每隔2个环片输出中心线法线方向的断面图，成果为DWG格式，如图5、图6所示。

图5 截取的一组断面图

图6 截取的一个断面图

(4)半径的量取

在CAD软件中，由断面图中心点分别沿正左、左45°、正上、右45°、正右5个方向量取半径值。如图7所示。

图7 断面半径值量取

四、成果分析

(1)扫描仪获取数据分析

将不同断面各个方向的半径值统计成表格，并生成折线图。可以看出正上方的半径值明显小于其他方向上的半径值，遵循上下缩小，两侧扩大的隧道收敛一般规律。图8为生成的半径直线图。

图8 左线不同方向上的半径值折线图

通过统计图可以看出，隧道断面各方向上的平均半径在2．72m左右，其中顶部方向的半径值基本上在2．70～2．71 m之间，其他方向上的半径值在2．72～2．74m之间，结果满足隧道收敛测量要求如图9所示。

图9 右线不同方向上的半径值折线图

(2)扫描仪模式同全站仪模式数据比较

选用本次扫描仪测量获取的数据同前期用全站仪测量获取的数据进行比较，由于全站仪获取的数据是按等距离米数进行隧道断面切割的，而不是按环片数截取的，所以这里只是选取位置接近的地方进行比较。比较成果如下图所示。

图10 扫描仪成果同全站仪成果的比较

从比较结果来看，扫描仪获取的数据和全站仪获取的数据虽然在数值上会有一些差别，但变化趋势基本上一致。

五、结束语

采用三维激光扫描技术进行隧道的收敛变形监测，能够一次快速、完整、全方位地采集隧道内部的表面数据，并且从数据处理结果上看，符合隧道收敛变形一般规律，能够满足地铁隧道收敛变形的测量要求。实践证明，采用本方法，与传统的测量方法比较，极大地提高了作业效率，降低了作业强度，缩短了变形监测周期，对于地铁隧道等运营间断时间短的隧道安全检测是有效的方法。

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