三维激光扫描技术在地铁隧道中的应用

江济强，张慧娟，曹千红

(1. 广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500； 2. 武汉天宝耐特科技有限公司，湖北 武汉 430000； 3. 湖北省国土资源研究院，湖北 武汉 430000)

近年来，施工单位加强了在隧道施工环节的质量管理，高效获取现场海量真实数据是摆在施工单位面前的一道难题。传统作业方式使用断面仪或全站仪进行隧道初支、二衬前后的隧道测量，但外业作业效率低，内业数据处理烦琐，而且全站仪或断面仪点位间隔与断面间隔都较大。这种以点概面的作业模式，很容易使数据成果出现误差，极有可能超欠挖部分在设站间隔内，测量数据无法及时体现，而单凭测量人员肉眼查看现场，既没有直观有效的现场数据，也容易受现场人员的经验程度、主观意愿所限制，最终导致检查结果的不准确性，出现较大的施工隐患。

海量的隧道现场点云数据可完美解决上述问题。如何高效、高质量地获取不同施工阶段现场点云数据，是目前隧道施工单位需要解决的主要问题。

本项目采用Trimble SX10进行作业，能够快速高效地获取高质量点云数据，配合后续TBC内业处理软件，能够快速生成成果报告。

1 项目及设备介绍

本次项目位于广州市某地铁隧道，成果主要有纵断面信息、超欠挖分析和隧道竣工报告。隧道总长1.5 km，由于SX10本身具备1″级机器人全站仪所有功能，其作业模式为全站仪作业模式，现场测量人员可直接上手操作，共设站5站，架设完成后即可自动开始扫描。SX10影像扫描仪隧道扫描方案主要由两部分组成：硬件SX10、软件TBC，如图1所示。

Trimble SX10影像扫描仪集成了天宝全新扫描技术——“闪电”扫描技术，能同时实现扫描速度与扫描精度的完全匹配。

2 项目实施

2.1 现场作业

本项目为正在施工的设计时速为320 km/h的铁路客运专线，项目标段主要位于广东省。其中该标段有长短隧道十余座，最长隧道接近10 km，穿越的地层结构复杂，涉及隧道的围岩等级为2～5级，而且大部分为5级围岩，施工难度大，技术指标要求高，工期短。

隧道现场已进行了初支处理，约有80 m的隧道初支面需要进行超欠挖断面测量。

现场将SX10架设在距离掌子面100 m处的已知点上，采用全站仪已知点架站模式进行仪器设站。设站完成后，在控制器手簿视窗内用多边形扫描法对掘进方向进行扫描，同时设置相关参数，如图2所示。

2.2 数据处理

外业文件直接拖到TBC中即可进行数据处理，无需进行点云拼接。在TBC软件中将现场人员、通风管、台车等噪点进行半自动化剔除，如图3所示。

在TBC中设置超欠挖限差、起止里程，软件自动生成相关报告，简单高效，如图4所示。

3 成果展示

3.1 隧道超欠挖报告

将现场扫描点云与设计隧道模型进行对比，软件自动生成超欠挖报告；基于现场海量点云数据，可以在后期生成任意间隔断面竣工报告。针对确实存在问题的里程区间，可以生成间隔10 cm的断面报告。断面上用不同颜色与数值显示超欠挖点位分布，如图5、图6所示。

3.2 超欠挖面积、体积报告

根据设计模板与点云，TBC软件可根据项目需要一键式生成每个断面的超欠挖面积报告和里程区间内的超欠挖体积报告。这样可以在项目初支完成后，计算二衬完成预期使用的混凝土方量，方便施工单位进行项目精细化管理与质量管理，如图7所示。

3.3 模型制作成果

将隧道噪点去除后，使用TBC软件对扫描的隧道点云进行一键式模型重构，如图8所示。

3.4 初支与二衬设计模型对比

使用TBC软件将隧道定线与隧道模板进行定义后，一键生成二衬设计模型，之后将其与隧道扫描初支点云进行对比，如图9所示。

3.5 现场全景照片

SX10高清影像功能可将现场进行360°实景还原，不在现场也能看到现场真实环境，同时叠加点云数据，完美呈现现场环境与测量数据结合，如图10所示。

4 结 语

针对本文项目隧道情况，Trimble SX10具有以下优势：

(1) 扫描距离长：经过实际数据测试，Trimble SX10单站有效扫描范围高达200 m。

(2) 单站效率高：Trimble SX10扫描作业时间为10 min，即可获取200 m数据。

(3) 独有的选区扫描模式：在现场可以任意选择扫描区域，大大增加了作业灵活度，同时减少了内业冗余数据。

(4) 高清影像：Trimble SX10拥有4款500万像素相机，能够获取现场细节。

(5) 作业简单：全站仪式操作流程，现场测量人员无额外学习负担。

(6) 内业自动化：全部数据处理、竣工报告生成均为软件自动化进行。

(7) 报告符合规范：软件自动导出的报告格式，完全符合竣工验收要求。

(8) 应用场景多：Trimble SX10不仅能用于隧道作业，还可利用于其他传统测绘领域，如导线测量、精确土方计算、高速路路面沉降观测、地形测量、高精度边坡监测、建筑结构检测等。