三维激光扫描技术在隧道收敛监测中的应用

陶钧，刘胜男

（1.常州市武进规划勘测设计院，江苏 常州 213159；2.江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213147）

1 引言

随着国民经济飞速发展以及城市化脚步的加快，我国城市轨道交通也在迅猛发展。城市轨道交通具有运输能力强、速度快、环保等优点，能极大地满足人们日益增长的出行需求[1]。但是城市轨道交通绝大部分修建在地面以下（人们俗称“地铁”），轨道交通事故也频繁发生，其安全性和稳定性成为了社会普遍关注的新问题。城市轨道变形监测作为保证其安全、稳定运营的一项工作显得十分重要[2]。

目前传统的变形监测方法主要运用GNSS、全站仪、水准仪等设备来监测一些关键点位的变化，不仅需要多名专业人员的配合，而且变形分析均有“以点代面”的局限性，不能全面细致地反映变形的过程与趋势。三维激光扫描技术能够克服传统监测方法的弊端，节省大量人工和时间成本，利用激光及时、准确和清晰地展现在轨道交通的变形情况，提高轨道交通变形监测的数据管理能力及数据处理效率，为监测单位、咨询单位、业主单位等轨道交通建设者服务，加快城市轨道交通的数字化、智慧化建设的进程。

2 项目情况

2.1 测区情况

某轨道交通35km至36km的区间，已经进入轨道安装和设备调试阶段，预计在2019年底进行试运行。地下轨道交通全部采用盾构方法进行施工，隧道内径设计值为7.700m，两端为两个地铁站，便于测量。同时轨道交通施工方仍然用常规方法进行整体收敛监测，其成果可用来与三维激光扫描的成果来进行比较。

2.2 监测周期与方法

从2019年5月10日至2019年8月30日，每隔十天测量一次，共测12期数据。

2.3 监测内容

对全线轨道线路进行整体收敛监测，测定隧道结构的各个方向的位置距离以及变化速度，进而分析主体结构的变形情况。

2.4 监测预警值

隧道结构沉降预警值

3 数据采集

3.1 控制网的建立

35km至36km的区间在施工建设阶段已经布设了10对（20个）CPⅢ控制点，并且保存完好，经事前复测，精度满足控制网的要求。为了保证获取高质量点云数据，在复测时又用靶标加密了11个控制点A0～A10，共同组成控制网。

图1 测区控制网示意图

3.2 数据采集参数设置

为了保证数据质量，整个扫描过程采用天宝TX8的二档扫描，30m处点间隔1mm。控制点到扫描目标距离控制在60m以内使用。

3.3 采集数据

架站静态扫描时采用的方法是把靶标架设在控制点上，扫描仪任意架站，每相邻的两站有相同的3个靶球作为同名点，扫描结束后，利用RealWorks数据处理软件，将控制点坐标加入到靶标中心上，采用空间坐标七参数转换关系，将测站点坐标地理化。

架站式扫描外业观测需用时2.5h，内业数据处理约8h。

4 数据处理

根据不同测量方式得到的测段点云数据中包括路过的行人、“飞点”噪声以及其他不可预知的事物出现，为了避免影响后期数据处理效率和成果精度，对数据进行预处理。

①点云拼接与抽稀：静态扫描时单一测站扫描无法获得完整的形态，因此需要多个测站来对其进行扫描，并将多测站的数据进行拼接。由于扫描的点云数据量巨大，为减轻后期数据处理，按3mm的间隔进行抽稀。

②点云地理化：利用CPⅢ控制点将整体点云进行坐标地理化，统一坐标系后可以与以往的监测资料做比较。

③点云分割：由于只需对隧道本身进行分析，而无需周围的多余点云，因此先删除周围多余数据，以减少数据量，加快数据处理速度。

④点云去噪：对分割后剩下的监测对象去除“飞点”等噪声，以提高成果精度。

图2 实验测段整体点云图

5 提取与分析

该测段中原有7个收敛监测环（见图3），建设方委托有资质的测绘中介服务机构运用测量机器人，自隧道贯通后就开始进行收敛监测，运用激光扫描技术，仍然对这7个监测环进行收敛监测分析，方便后续对比。

图3 七个监测环示意图

利用隧道内表面的点云数据，在每个环片的相同位置切断面，通过最小二乘法拟合椭圆，获取逐环管片水平收敛数据，计算通过圆心的长短半轴，利用公式计算得到每个环的椭圆度，将12期的水平直径和椭圆度的变化，逐期做差计算后统计成图4和图5。测量结果显示水平收敛值单次不超过5mm，累计也未达到70mm；椭圆度单次不超过0.002°，累计也未达到0.025°。同时段建设方委托有资质的测绘中介服务机构，运用测量机器人进行观测的结果（水平收敛值单次最大3.8mm，椭圆度单次最大0.0018°）与激光监测结果基本一致。

图4 七个监测环12期水平直径监测成果图

图5 七个监测环12期椭圆度监测成果图

6 结语

针对基于三维激光扫描的轨道交通整体收敛监测技术，以某地铁隧道项目为例，取得了预想的效果。

①基于三维激光扫描的变形监测技术，可以用于隧道整体收敛监测，还可以在限界监测、错台监测和病害识别等方面有良好的应用。

②通过数据证明三维激光扫描技术能够实现毫米级的变形监测，在效率、完整度、可复制性等方面具有优越性。