三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用研究

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三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中的应用研究

毕俊 冯琰 顾星晔 林正庆 (上海市测绘院，上海 200063)

摘要

三维激光扫描技术已在文物保护、地面模型建立等方面获得应用，该技术应用面越来越广，而

本文描述的是利用这种技术对地铁隧道收敛变形监测所作的技术研究，从地铁隧道数据采集、三维模型建立、数据处理、成果输出等几个方面加以分析，阐述快速获得隧道管片变形量的一种方法。 关键词

测绘工程 三维激光扫描 收敛变形监测 三维数据处理

三维激光扫描技术应用于测绘也就是近几年出现的新型技术，除了机载Lidar技术用于大范围地面模型和城市三维模型数据快速获取与建立外，越来越多的地面三维激光扫描技术也大量用于文物保护数据采集与复原等。本文描述的是利用地面三维激光扫描技术对地铁隧道的收敛变形监测进行的研究，从地铁隧道数据采集、三维模型建立、数据处理、成果输出等几个方面分析，认为该方法是一种高效的地铁隧道收敛变形监测的手段之一。

1 地铁隧道收敛变形

所谓地铁隧道收敛变形，是指地铁隧道在营运过程中，由于受到地面、周边建筑物负载及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工、地铁列车运行振动等，对隧道产生综合影响而造成的隧道变形。对于上海属于软土质地区的地铁隧道，在隧道盾构施工的同时采用水泥预制管片进行加固、注浆，一般这种隧道变形通过观测隧道管片一周各点的变化量来监测。由于受力影响，圆形隧道变形一般是左右（0°、180°方向）两边水平横向变形大，顶部（90°方向）垂直竖向变形大。地铁隧道收敛变形量必须保持在设计范围内，否则需要采取措施，防止灾难事故发生。

上海地铁隧道管片一般宽度1.2米左右，一圈由多个管片拼装而成。传统方法采用布设导线传递坐标，在一圈管片均匀布设多个观测点，通过全站仪观测各点获得数据进行变形分析，也有收敛计测量系统、安装传感器进行监测等方法。由于观测一圈管片观测点速度慢（约30分钟/圈），成本太高，不能每个管片都能观测到，因此一般情况下采取每隔10米（或10个管片）左右观测一圈管片，即使这样，一个车站段（一般1公里左右）单隧道单向也要观测100个管片左右，而地铁营运期间一般在晚上只有3-4小时可以利用的观测时间，因此传统观测方法一个车站段双向要1个月左右才能完成观测。像收敛计测量系统、传感器测量系统等，由于成本、周期和操作安全等因素都不能规模化实施。目前上海已建和正在建的地铁有近400公里，近400座车站，因此传统方法很难满足大规模的数据采集任务，更无法及时获得成果指导地铁隧道结构的养护。

2 三维激光扫描技术在地铁隧道收敛变形监测中应用的基本思路

采用激光扫描技术对隧道收敛变形测量的关键是数据处理，因此本文侧重对数据处理研究介绍。

整个过程以如下技术路线进行： 2.1

数据采集

设计导线与水准测量方案，根据激光扫描仪性能参数及现场环境设计扫描站间距、扫描点密度，保证具有一定的扫描重叠度。

隧道内导线及水准测量，，传递三维坐标。传递方式采用标靶进行，在导线及水准测量的同时观测标靶。

同步进行隧道三维激光扫描，获得隧道管壁三维点云数据，同时也获得标靶点云数据。 2.2

数据预处理

标靶三维坐标计算：通过导线及水准测量成果，计算标靶的三维坐标。

点云数据三维坐标归算：根据标靶三维坐标将每站的点云数据归算到统一的三维坐标系统。

剔除噪音数据：根据隧道设计数据（如圆隧道的直径及轴线空间位置），剔除管壁外的噪音数据。噪音数据主要是预制管片的连接螺栓孔、螺帽、注浆孔及电缆、照明设备和其他附着在管壁上的设施。

提取必要的管壁点云数据：由于扫描角度、距离等因素，管壁点云密度并不均匀，站附近的点密度大。为便于下一步处理，去掉点密度大的区域中不必要的大量冗余点，按照一定的密度提取点云数据，提高后续数据处理速度。 2.3

三维模型建立

根据预处理后的点云数据生成地铁隧道内壁三维模型。 2.4

成果输出

按照地铁隧道收敛变形测量要求，对指定管片（或每个管片、或一定间隔的管片）截取三维模型断面，对断面数据进行高次样条（多项式）曲线拟合，与设计断面（圆）理论值比较，求出管片一周的变化量曲线，并输出特征点（如变形最大的上、左、右或等角度处[如每隔5°]）的变形量差值。

输出每管片一周收敛变形报告。 2.5

成果管理

成果管理是指对大量的断面数据及多次测量成果进行有效管理。为了提高管理效率，建立地铁隧道收敛测量成果管理系统，建立数据库管理每个管片测量成果，同时建立成果浏览与分析系统。主要目的：

本次测量成果浏览：用于浏览每个管片断面的变化量曲线及变形量差值。

本次测量成果沿中轴线方向地铁隧道的变形影响态势，用于发现变形量大的区段。 建立地铁隧道历次成果比较模型（历史数据），用于发现同一区段的变形趋势。 按照变形限值，建立预警分析模型，指导隧道维护。

3 实测示例

为了验证该方法在地铁隧道收敛变形监测中的有效性，有针对性地开发了数据处理软件，并对上海一在建的地铁隧道进行了施测试验。

施测基本情况如下：

1.

试验区段隧道处于在建阶段，圆形隧道，隧道内壁直径5.5米，已部分铺设轨道，

未架设受电网，每段管片宽度1.2米。施测单向约800米。

2.

激光扫描仪：徕卡HDS6000超高速三维激光扫描仪。

主要指标： 单点测量精度：

项目 距离

精度

6mm 10mm

距离 ≤4mm

≤5mm ≤5mm ≤6mm

形成模型表面精度：

精度

2mm 4mm 3mm 7mm

标靶获取精度：2mm

激光扫描系统扫描模式主要指标1：

扫描模式 预览

中速（4倍） 高速（8倍） 特高速（16倍） 点数/360°角 1250 5000 10000 20000 扫描时间（全方位） 25秒

1分40秒 3分22秒 6分44秒 范围

1m-25m扫描范围 50m扫描范围

扫描范围25m以内，90%反射率 扫描范围25m以内，18%反射率 扫描范围50m以内，90%反射率 扫描范围50m以内，18%反射率

范围

扫描距离25m

扫描距离50m，90%反射率 扫描距离25m

扫描距离50m，18%反射率

扫描模式 预览

中速（4倍） 高速（8倍） 特高速（16倍） 点间距/10m距离 50.6*50.6mm 12.6*12.6mm 6.3*6.3mm 3.1*3.1mm 1.6*1.6mm

点间距/50m距离 250*250mm 62*62mm 31.4*31.4mm 15.8*15.8mm 7.9*7.9mm

1. 密度越稀。

2.

测站数及间距：激光扫描共设28个测站，每站间距大约在20米至30米，距车

站洞口两测站间距约20米，其他测站间距约30米，平均每站施测时间小于10分钟。

3.

点云坐标数据传递方式：每测站获得激光扫描点云数据后，其点云坐标归算到统

一的城市坐标系统（高程采用吴淞高程）。隧道内采用导线施测标靶坐标，激光扫描时同步扫描标靶，然后以点云数据中标靶坐标归算传递。

4.

数据量：总数据量超过40GB。

图1 传递坐标的标靶

图2 徕卡HDS6000三维激光扫描仪

数据处理： 1.

从一个车站隧道入口出开始，利用三维模型每间隔2.4米（也就是二段管片的长

度）截取断面计算，获得断面变形差值曲线。下图所示某一断面的变形差值“M”形曲线。从数据处理的结果来看，隧道断面的变形基本遵循两侧扩大，上下缩小的规律，形成一个扁平椭圆的结构。该曲线与传统全站仪测量方法获得的形态吻合。

图3 某一断面的变形曲线（0°为左侧、90°为上部、180°为右侧）

图4 隧道点云视图及三维模型（未铺轨段）

2. 整个试验数据获得断面277个。下面是沿隧道走向最大变形值的变化曲线情况（包括左、上、右三处）。

图5 沿隧道左侧（0°）变形量

图6 沿隧道上部（90°）变形量

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