三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的应用

蔡志杰

摘 要：现阶段，地铁隧道的安全问题是人们关注的重点问题之一。本文分析了传统地铁隧道变形监测方法的不足与三维激光扫描在地铁隧道变形监测中应用的优势，提出了利用三维激光扫描点云截取隧道横断面，并对截取的断面拟合椭圆的变形监测方法，实现了三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用。

关键词：三维激光扫描；地铁隧道；变形监测；方法

对于地铁隧道来说，隧道变形监测对隧道施工及运营中的安全具有十分重要的意义。目前，现有的监测方法主要是在隧道壁上埋点，利用全站仪、断面仪、收敛仪等进行监测。但是这些方法既费时、费力，还无法实现对隧道的整体、实时以及自动监测。随着三维激光扫描仪测量精度的不断提高，其应用范围逐渐扩展到形变监测领域。在地铁隧道的形变监测中，三维激光扫描获得的点云数据可以将目前基于点的形变监测发展为基于面的形变监测，与现有监测方法相比具有巨大的优势。

1传统地铁隧道变形监测方法的不足

随着城市的不断发展，地铁建设的规模逐渐扩大，受多种因素的影响，地铁隧道变形的问题愈加严重，所以对其进行监测十分必要。在传统的地铁隧道监测中，通常需要大量的监测人员，而地铁隧道的线路较长，其监测项目多且数据量大，这就给监测工作带来了极大的困难，具体表现为：第一，监测点的数量被限制。由于地铁隧道变形的监测点数量比较多，就使得工作量增大，监测周期加长，进而无法很好的反映地铁的变形情况。如果减少监测点的话，就不能正确反映出地铁的变形趋势，从而使地铁隧道结构的变形荷载分析受到限制，很难进行相应的测量工作；第二，传统的监测方法无法使用高效和机动的测量手段，这会导致某些范围内交通运输的中断；第三，地铁隧道设施复杂的环境易对安全监测产生干扰。因此需要研究一种高效、经济实用的新型监测技术。

2.三维激光扫描在地铁变形监测中应用的优势

与传统的监测手段相比，利用三维激光技术对地铁变形情况进行监测具有诸多的优势，具体表现为：第一，三维激光扫描在地铁变形监测中的应用不仅可以提高监测精度，还能够快速完成地铁隧道结构变形的监测，缩短监测周期；第二，所使用的传感器经济且耐用；第三，数据采集和处理一体化，具有人工智能和实时处理的功能，最大限度减少人工参与。

3.如何进行地铁隧道变形的检测

在隧道点的云中提取出中轴线，再沿着隧道的中轴线之间的间隔，对隧道的断面进行连续的截取，同时将截取的断面拟合成椭圆，对拟合形成的短半轴、长，和设计半径之间的差异进行详细的分析研究，最终根据具有加大差异的断面，找出一个形变量相对较大的点位。

3.1中轴线的提取

隧道点的特征是云带状分布，所以我们可以根据方位角最值搜索算法提取边缘点，以此来进行隧道中轴线的拟合。随后，可以把原始点云投影到水平面上，同时将其进行旋转，使隧道同X轴呈相同的走向。隧道的中轴线可以通过上、下两条边缘线得到，在对上边缘点搜索的时候，Y轴可以定为方位角的起始方向，在对下边缘进行搜索的时候，Y轴相反的方向可以定为方位角的起始方向。在隧道点中可以选出任意一个种子点，并且设定搜索半径为r，通过公式将半径内的各点与种子点的方位角计算出来，提取出最大和最小的两个搜索点，当做下一次搜索的种子点，如果把最小方位角設定为搜索条件，则可以视为向右侧进行搜索，如果把最大方位角设定为搜索条件，则视为向左侧搜索，两个方向共同搜索的点集，就形成了一条十分完美的边缘线。

3.2断面的连续截取

正如图1所示，顺着拟合的隧道中轴线，以同等间隔设立分割点，并且将分割点之间的间距定为d，通过公式（1）计算出各分割点处的法平面，随后对距离各法平面小于d0的扫描点进行搜索，最终实现各分割点处对于段面的连续截取。

， （1）

3.3关于断面的拟合以及形变的分析

通过隧道盾构环片的作用，隧道的两侧将会渐渐扩张、顶部出现沉隆，而隧道的盾构环片形状也会由圆形变为椭圆。这时候就要我们队截取出来的断面进行分别的拟合，把拟合出来的长半轴和短半轴与设计的圆形半径进行详细的比较分析，最终能够知道隧道平面在水平和垂直方向上的形变量，并在形变量最大的断面中，找到形变量最大的点位。

经过转换后的隧道平面会与YOZ平面保持平行，所以随意椭圆的拟合方程便为：

（2）

4地铁隧道变形监测发展趋势

现阶段，随着隧道及地下工程修建技术水平的不断提高，信息化施工已经逐渐成为地下工程发展的必然趋势，此时工程的实时监测也将发挥更大的作用。这种情况下，人们对监控量测提出了更高的要求，实时监测技术必将会得到很大的发展，其发展趋势如下：

4.1遥控化的监控量测

由于计算机技术及通信技术的不断发展，远程监控已经变成了现实，遥控化的监控测量不但节省了大量的人力和物力，还可以对多项的内容同时进行监测，这便在很大程度上避免了同施工之间发生的各种冲突，加快了信息采集与反馈效率的提升效率。

4.2实时化的监控测量

对于一些例如隧道这样的地下工程来讲，对施工环节的要求很高，这需要必须及时反馈监测信息，并且可以对施工现场的信息进行实时的掌握控制，最终可以对施工的方法进行及时优化和完善。

4.3加强采集的精确度

在进行城市地下工程的监测中，特别是对已经竣工的结构运营阶段进行的监测过程中，监测数据的变化并不是很明显，这就要求监测的精度必须非常高。自动化的监测不仅能够确保监测数据的正确性和及时性，而且当监测数据超出了预警范围值，系统还可以报警提示。

4.4自动化的后处理

后处理也属于监测内容的一部分，我国目前应用较多的还是人工后处理的方法，面对复杂的监测数据，这种方法的效率明显较低，这便会直接对检测的实时性产生影响。所以，我们必须通过计算机软件对监测数据实行自动化的处理和分析，并对最终结果进行反馈。

在电子科技不断发展的带动下，要求隧道的发展必须实现自动化和系统化。面对着隧道以及地下工程的需要，以及我国目前自动化监测的现状，国家高技术研究发展计划“863”计划及交通部已经立项，并且已经把对于这方面的研究工作列入了重点的工作范围。

5.结 语

针对地铁隧道的形状特征，本文提出了利用中轴线截取断面进行形变分析的方法，包括提取中轴线、连续截取断面以及断面拟合，实现了三维激光扫描技术在地铁变形监测中的应用，希望对日后的地铁隧道变形监测工作有所裨益。

参考文献：

[1]朱宁宁.三维激光扫描在地铁隧道形变监测中的应用[J].测绘工程，2015，05：63-68.

[2]托雷.基于三维激光扫描数据的地铁隧道变形监测[D].中国地质大学（北京），2012.