三维激光扫描技术在成型地铁隧道中的应用

白雄 刘五杰 周志强

（1.西咸新区轨道交通投资建设有限公司，陕西西安 710000；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1.三维激光扫描技术特点及优势

三维激光扫描技术是20世纪90年代中期激光应用研究的又一项重大突破，它被誉为“继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命”[1]。三维激光扫描系统可以非接触、快速获取地物目标的三维点云数据和纹理（影像）数据，经过数据处理以及三维建模，构建扫描对象的真三维数字模型，为空间信息数据库提供丰富的数据源。和传统的单点测量方法相比，具有快捷、数字化、测量方式灵活、不接触等特点。目前，三维激光扫描技术已在文物数字化保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂及大型结构测量、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域有广泛的应用。

与传统测量手段，主要具有以下特点与优势：（1）主动、非接触工作方式。三维激光扫描仪是主动式探测系统，可以对目标进行非接触式扫描，不受扫描环境空间和时间的约束便可以获取真实可靠的数据。（2）数据采集速率高，点云密度高。三维激光扫描仪能在短时间内获取目标的海量点云数据，一些基于相位式的扫描仪，其扫描速度已经达到120万pts/s，扫描点间隔达到了1mm左右。（3）数据精度高，信息丰富。地面三维激光扫描仪的测距精度可达到2mm（100m处，一次单点扫描），模型表面的精度可达2mm。这些点云数据包含激光反射强度信息，系统携带的高分辨率数码相机同时获取了扫描对象的彩色纹理影像，为目标的分类、识别和建模提供真实可靠的信息。（4）扫描对象信息完整。三维激光扫描仪就可以获取目标物的完整信息，不存在传统测绘中的漏测问题，从而降低了劳动强度，节约了资金，提高了工作效率。（5）数字化采集，兼容性好。三维激光扫描仪直接获取目标物的三维坐标和纹理信息，易于后期处理、输出和保存。

2.三维激光扫描技术原理

三维激光扫描仪通过测距系统测得扫描物体与仪器间的距离、水平角和垂直角，通过对返回的激光信号进行回收，解算后获得目标物体表面海量的点云数据。工作原理如图1所示。

图1 三维激光扫描仪的工作原理

三维激光扫描仪在进行扫描测量时，首先利用测距系统量测扫描仪中心与目标物体的间距S，再量测出纵横向扫描角。扫描仪坐标系是自定义的，扫描仪中心为坐标原点，X、Y轴相互垂直，Z轴与X、Y所在平面垂直，测量原理如图2所示。

图2 测量点坐标计算

利用两个角度元素a和q，一个距离元素S就能计算出测点的三维坐标,其坐标计算公式为[2]：

三维激光扫描仪具有先天性优势，在大幅提高工作效率的同时还能保证高精度。

3.项目实例

本次以西安地铁5号线二期某盾构区间为例，此区间左线623环，右线621环，左右线长度约2.0km。

3.1 外业数据采集

（1）硬件系统调试。到达现场后，进行硬件设备的检查、超高计和里程计的校准等；（2）采集仪器设备。本次采用Leica P40搬站式对地铁隧道进行扫描。采样参数按10240点/360°进行现场设定；（3）采集作业操作流程。1）设备组装；2）扫描作业；3）回收设备：作业完成后，先关闭扫描仪和主机，断开电源，将设备移动到安全区域拆卸、装箱。

3.2 内业数据处理及扫描项目成果输出

数据的处理及成果的输出。本次数据处理使用“Tlsd隧道激光扫描数据处理软件”（以下简称“Tlsd软件”），盾构隧道逐环解算获取隧道病害、激光影像、直径收敛、错台变形等成果。盾构圆形盾构隧道通常由6个管片构成（1个楔形块、2个标准块、3个邻接块），以楔形块为基准位置按照顺时针顺序排列。

（1）环号与里程。环号以隧道现场实际喷涂的标准环号为准，盾构段里程按“里程=起始百米标+固定环宽×环数”推算里程，矿山法或矩形隧道段按现场百米标确定里程。（2）断面解算和渗漏水调查。扫描数据经灰度纠正和插值处理后，生成隧道激光扫描影像并进行断面解算（水平直径、椭圆度、环间错台）。提交成果按照里程从小到大升序排列，绘图时统一面向大里程方向。（3）环间错台。环间错台为环片之间的错开量。为便于识别较大的环间错台，本次扫描仅提取环间错台量大于 15mm且错台弧长超过100cm的环间错台量，并输出错台发生的位置。（4）扫描成果。扫描数据经解算和判读识别后，生成一组成果数据、Excel表格、TIFF影像和断面DXF文件，使用Tlsd软件进行查看和统计分析。

3.3 数据分析

3.3.1 椭圆度

传统的隧道椭圆度检测方法通常是利用全站仪、断面仪等进行检测。传统的隧道检测技术属于抽样检查的“点型”测绘，测点密度不够且无法全面测量到隧道壁上所有的凹点和凸点。本次使用三维激光扫描仪，按10240点/360°采样参数进行设定进行现场采集，获取全覆盖、高精度的扫描数据。

根据点云数据提取每个盾构环片的长轴、短轴，根据计算公式“椭圆度=(长轴-短轴)/标准轴”得到环片的椭圆度信息。本区间右线椭圆度最大值16.8‰，位于621环；左线椭圆度最大值21.3‰，位于619环。

3.3.2 直径收敛

盾构区间对所有环片进行扫描，并根据三维点云数据提取逐环水平直径以及与标准值的差值。本区间右线最大直径变形位于619环，最大直径=5.446m；本区间左线最大直径变形位于618环，最大直径=5.466m。

3.3.3 环间错台

在环间接缝处两侧各5cm位置截取断面，提取隧道内的环间错台数据及报告，并按小于等于15mm和大于15mm进行分类提交错台的区域位置。

3.3.4 渗漏水

因三维激光扫描时地铁未运营，隧道内通风设施未开启，其中右线有6处道床积水；左线有1处排水沟有积水，7处道床积水。

4.结语

通过对运营前线路的成型隧道三维激光扫描，可以得到运营前隧道成型的原始状态的椭圆度、水平直径、管片错台、渗漏水等情况，可以有针对性的对区间进行病害进行分析研究，制定每环的处理措施，为后期运营提供真实的基础数据。开展三维扫描技术在城市轨道交通工程中应用研究可以为地铁建设提供详细的施工成型隧道的数据以及为运营及试运营提供隧道病害治理新技术方法，同时开展隧道三维扫描系统的研究可以顺应数字化地铁建设的未来趋势。