隧道区间3D扫描测量技术研究及应用

■ 中铁十一局集团电务工程有限公司 万传建

引言

现阶段，轨道交通包含大量隧内施工，隧内供电等专业均需经过大量的隧道打孔作业才能开始安装，受地下条件的限制，地下隧道的空间定位测量一直是一个重难点工序。供电专业的安装与轨道密切相关，传统的供电测量方法主要以轨道线路中心线为基准，在轨道完成后通过DJJ-8测量仪的方法在区间里进行隔段抽样测量单个支架，传统测量方法需要进行大量人工抽样测量，并且需要在铺轨完成后才可以实施，这就严格限制了物资订货和进场施工的进度，要求其也必须在轨道完成后进行。本文针对供电工程施工受站前单位制约的情况，提出利用3D扫描与BIM技术结合的方法，以解决供电隧道施工中定测的问题，在隧道贯通后即进场测量，为材料加工节约时间，缩短施工周期，统筹各专业测量施工，提高效率，节约项目成本[1]-[2]。

1.基于3D扫描的隧道接触网测量

轨道交通接触网悬挂分为刚性和柔性两种，刚性接触网主要用于地铁隧道内机车供电；柔性悬挂主要用于地铁车场、隧道外、国铁等机车供电。在施工和维护中需要对接触网导高、拉出值、定位器坡度等进行反复测量，以保证电力机车平稳受流，安全运行。

目前，国内外接触网参数测量主要以光学手持式测量仪器和车载式测量仪器为主。在测量过程中，前者只是数据测量的显示，不能实现数据存储记录；后者为车辆式光学测量，具备人工操作数据记录功能，记录位置准确性有偏差，过程监控主要为图片形式，只能测量接触网中导线的数据参数，不具备接触网全参数测量功能。本文主要针对接触网参数的采集及应用进行研究，利用3D扫描设备实时动态测量接触网各项参数。针对不同类型的接触网，可以准确测出接触网的导高、拉出值、定位器坡度，具备同步里程、杆号记录、侧面限界等记录功能，完成特定位置的测量，实现数据的同步保存、导出，为接触网施工管理、运营维护等提供有效的数据支撑。

2.3D扫描技术实施分析

3D扫描技术被称作“真实场景复制技术”，又称“高清测量技术”，通过高速激光扫描测量，建立扫描对象的三维坐标，达到场景按比例复制的效果[3]。三维激光扫描技术通常采用高分辨率图像采集系统，结合测距传感器和高精度角度传感器，获得被测对象的距离、角度等三维数据，并根据输入初始点实现准确定位。目前，三维激光扫描仪可实现1km以内，扫描精度达2.5mm，可满足当前轨道交通测量误差的需求。

2.1 3D扫描数据的获取

3D扫描设备可以直接扫描被测物体或区段，获得对应真实点云数据[4]，并通过软件提取出轨道中心线、疏散平台、环网安装高程线、接触网相关参数等数据以及需要避开的孔缝数据，为接触网安装调整、快速建模软件计算提供数据基础。

（1）现场扫描

扫描前，需踏勘现场，清除隧道两侧杂物，并保证无其他作业人员。在区间起终点，CPIII基准点处设置靶标，记录对应的坐标信息，便于后期数据融合及坐标系建立。采用RMMS移动测量仪或地面站式扫描仪作为主要扫描设备，采集盾构截面点云数据，点云数据与贯通测量数据在同一坐标系。以调线调坡数据为基础，通过自主研发的BIM插件建立1:1轨道模型线，模型线数据与贯通测量数据在同一坐标系。

扫描时，需保证设备平稳、匀速前进，设备前方设置安全员检查钢轨实时情况，避免设备颠簸，并在扫描完成后保存现场检查数据。图1为现场扫描图，图2为扫描所得点云模型图。

图1 现场扫描

图2 扫描所得点云模型

（2）点云数据处理

将多个测站扫描的点云数据拼接到同一坐标下，从而显示隧道区间完成的点云信息[5]-[6]。在隧道扫描中，主要依据靶标数据将扫描点云数据按照区间融合拼接，进一步做精度优化处理。在隧道区间引入靶标数据，通过坐标变换实现多片点云数据的拼接。多片点云数据的拼接主要依托点云软件自动融合，图3为点云软件融合流程。

图3 点云软件融合流程

（3）隧道几何特征线提取

隧道几何特征线包括沿隧道纵向的中心线和垂直于中心线的截面轮廓线，是准确描述隧道几何形状的关键结构线。隧道几何特征线的提取可采用断面外推的自动算法实现[7]。针对构建的点云数据，通过设置可自动跟踪隧道中轴线并同步截取等间隔隧道横截面的方法，获取隧道几何特征线。在点云数据中获取点云法向并建立描述法向分布的单位高斯球，在高斯球上确定最显著大圆，逐步确定隧道中心处中轴线方向，利用局部点云数据精确隧道横截面方向，与截面断面点形成闭合的轮廓线[8]。根据中轴线防线走势预测下一截面位置，根据下一区段点云数据重新调整新的断面截面和轮廓线，从而获取至扫描区段所有截面，同时获取精准的断面轮廓线，完成隧道中轴线的提取。根据各专业需要提取的隧道特征线，为下一步获取所需数据提供数据基础。图4为隧道中心线提取图，图5为盾构缝提取图。

图4 隧道中心线提取

图5 盾构缝提取

2.2 3D扫描数据的应用

通过高精度车载RMMS移动测量系统平台，获得高密集、高精度的激光点云数据。根据各专业施工要求，提取隧道点云特征线，导出Revit所能识别的点云模型，完成3D快速建模，从而实现铁路隧道施工测量、材料统计、接触网、电力施工指导及城市轨道交通材料统计及施工管理，如图6、图7所示，提高现场安装效率，缩短工期[9]-[10]。

图6 接触网悬挂

图7 疏散平台支架

（1）快速建立三维模型

利用获取的精准点云数据，结合快速建模插件，导入轨面中心线坐标、隧道中心线坐标、隧道区间材料型号数据，结合准备的构件、专业设备及相关材料参数化族（图8），完成隧道区间三维模型的建立（图9）。通过查看校对断面检查安装点位置，判定其是否满足设计要求，如距离孔缝的位置，对不符合要求处重新修改定位点。

图8 支架参数化族

图9 计算建模

（2）模型参数导出

三维模型建立调整后，采用构件编码作为数据库与三维模型的交互纽带，明确需要导出的主要参数，并将主要性能参数放置于数据库中，按照数据属性导出所需数据[11]。接触网刚性悬挂导入超高点坐标文件、股道数据文件、刚性悬挂族、拉出值数据、选择汇流排长度，软件自动导出悬挂点跨距、左右侧锚栓选型长度、偏移后的刚性悬挂BIM模型。图10为数据导出图，图11为模型导出图。

图10 数据导出

图11 模型导出

3.应用效果

隧道区间3D扫描测量技术，利用3D激光扫描仪、CCD相机、多传感器同步控制单元搭建了一套具有快速、高精度、密集点云采集、里程同步等功能的高精度移动测量系统。该技术基于坐标系变换理论，快速实现数字测量，准确高效采集隧道区间的模型数据，通过快速建模插件，成功构建隧道区间模型。该技术提出的三维激光测量、双向构建BIM模型的组合式数据获取方式，能够有效解决传统隧道测量采用的卷尺、手持式激光测距仪的测量方法，有效避免因轨道调整造成测量的误差。

现以杭州地铁5号线隧道施工为例，将3D扫描快速建模方法与传统隧道测量方法进行对比研究，其主要发现包括以下几个方面：一是传统接触网刚性悬挂施工定制精准材料需要全线测量4次，在打孔后的精准测量才能得出满足需求的锚栓订货数据，而3D扫描测量技术实现提前测量，减少现场工序的制约，缩短工期；二是传统施工各专业均有各自测量工作，3D扫描测量技术一次即可得出各专业（电力、通信）数据，且扫描速度快（目前约为4.5km/h），大幅减少现场测量工作；三是采用3D扫描测量技术，电力照明支架订货选型准确率达98%，角度误差＜1°，刚性悬挂锚栓选型准确率97%，各专业锚栓定位可满足施工要求。

综上所述，3D扫描测量技术能够实现隧道项目的快速建模，实现接触网、疏散平台、电力、通信专业的模拟安装，从而完成现场施工方案的模拟、优化，准确高效完成材料统计，减少现场测量次数，提前开展工序，提高现场安装准确率，减少返工，缩短工期。

4.结语

本文介绍了可用于隧道区间快速扫描测量的3D扫描技术，为隧道区间测量提供了一种安全高效的测量方法。该技术运用高精度车载RMMS移动测量系统平台，获得高密集、高精度的激光点云数据，以BIM模型为载体，利用3D扫描和快速建模软件，快速形成BIM模型数据库，对模型进行调整、编码，实现测量数据的共享，准确高效完成隧道区间供电专业测量定位、材料统计，缩短施工周期；利用3D扫描技术，可以快速完成隧道数据的测量和隧道模型的重构，一次性获得各专业所需数据，大幅度减少现场测量工作，提高材料统计和材料预制的效率和准确度，同时，该技术为隧道区间施工提供有效参数，在刚性悬挂、疏散平台、环网施工效率和精度等各方面都取得了良好的效果。在项目管理中，有效借助接触网全参数完成接触网的精调、消缺整改，为联调联试提供技术保障，也为实现接触网数字化、精准化管理提供了数据支撑，有利于进一步保障机车的运行安全。