張?zhí)N明，馬全明，李丞鵬，耿長良，李 響

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

一、引 言

地鐵隧道收斂監(jiān)測，即地鐵運營過程中，由于受到地面、周邊建筑物負載及土體擾動、隧道周邊工程施工及隧道工程結(jié)構(gòu)施工、地鐵列車運行振動等原因，會對隧道產(chǎn)生綜合影響而造成隧道變形。通過儀器設(shè)備對這種變形量進行監(jiān)測，分析數(shù)據(jù)，以判斷變形是否在允許的范圍內(nèi)，是地鐵隧道安全監(jiān)測工作中非常重要的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的隧道收斂監(jiān)測，一般采用兩種方法：鋼尺收斂計接觸法測量和全站儀非接觸法測量。鋼尺收斂計法就是直接用鋼尺量取隧道直徑，這種方法雖然操作簡單，但是具有明顯的局限性和不利之處：首先是作業(yè)效率低;其次是量測結(jié)果容易受到人為誤差的影響。全站儀非接觸測量即采用全站儀進行坐標傳遞，每個測站都需要對中和量取儀器高，并瞄準斷面上的不同方向點進行觀測。由于地鐵在運營時間內(nèi)不能進行觀測，而只能在晚上3～4 h停運時間內(nèi)進行工作，受到本身的作業(yè)復(fù)雜性和晚上光線環(huán)境因素的影響，這種監(jiān)測方式同樣也不是最好的工作方法。

二、三維激光掃描技術(shù)在隧道收斂監(jiān)測中的工作流程

整個工作流程分為外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、三角網(wǎng)模型建立、隧道斷面截取、成果輸出、對比分析等。

(1)外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜度以及不同儀器本身有效工作范圍的不同，合理的設(shè)置測站和標靶球的位置。標靶球注意不要擺放在一個面內(nèi)，以免影響拼站精度。如果需要將斷面坐標統(tǒng)一到絕對坐標系中，需要用全站儀測出一些標靶球的絕對坐標，作為坐標轉(zhuǎn)換的控制點。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在點云后處理軟件中，根據(jù)測站間共有的標靶球拼接各個測站的點云數(shù)據(jù)。原始的點云數(shù)據(jù)中存在噪聲點及其他無用數(shù)據(jù)，比如工作人員、各類障礙物等，這些都需要在后處理軟件中剔除。

(3)三角網(wǎng)模型建立

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，在專業(yè)的建模軟件中建立三角網(wǎng)模型，建模過程中要注意以真實情況為主，避免大量漏洞的修補。

(4)隧道斷面截取

建立好三角網(wǎng)模型后，在專業(yè)軟件中，確定出隧道的中心線，并沿其法線方向按一定間隔截取隧道的斷面圖。

(5)成果輸出

將截取的斷面圖輸出成 DWG格式文件，在CAD軟件中量取隧道不同方向上的半徑值。

(6)對比分析

將不同間隔的斷面收斂成果數(shù)據(jù)制作成表格和直方圖，進行分析統(tǒng)計。

三、實測案例

由我院負責(zé)的北京地鐵某號線全線隧道收斂監(jiān)測工作中，先前一直采用收斂計配合全站儀的工作模式，為了進行新技術(shù)的推廣，選取了某區(qū)段中一個長約100m的區(qū)域進行了正右線的三維激光掃描方式的隧道收斂監(jiān)測試驗。

1．儀器的選用

儀器選用我院擁有的美國FARO Focus3D掃描儀，如圖1所示。

這款掃描儀每秒最大掃描976 000點，25 m內(nèi)的系統(tǒng)距離誤差不大于±2mm。

2．數(shù)據(jù)采集

(1)掃描參數(shù)設(shè)定

根據(jù)以往的工作經(jīng)驗，整個數(shù)據(jù)采集工作選用中等速度和質(zhì)量進行，分辨率設(shè)為1/5，質(zhì)量設(shè)為4X，一個測站的掃描時間大約為6min 30 s。

圖1 FARO Focus3D掃描儀

(2)儀器設(shè)站及標靶球的擺放

考慮到數(shù)據(jù)采集精度及儀器的有效距離，每個測站間隔大約30m，試驗段區(qū)域左右線一共擺放了6站。在試驗段的兩端分別擺放不同數(shù)量的標靶球，用以辨認測量區(qū)域范圍。在每兩個測站之間，擺放3個以上的標靶球，注意標靶球應(yīng)避免在一個平面內(nèi)，以免影響拼站精度。圖2為掃描工作中標靶球的擺放。

圖2 標靶球的擺放

3．數(shù)據(jù)處理

(1)點云拼接和噪點處理

利用儀器配套的Faro Sense點云后處理軟件進行測站拼接。并在Cyclone軟件中刪除噪點。

(2)三角網(wǎng)模型的建立

在Geomagic軟件選定合適的參數(shù)對處理好的點云數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)模型。隧道的點云視圖和三角網(wǎng)模型視圖分別如圖3、圖4。

圖3 隧道點云視圖

圖4 隧道三角網(wǎng)視圖

(3)中心線提取及斷面輸出

利用RealWorks Survey軟件對隧道模型進行中心線的提取并按每隔2個環(huán)片輸出中心線法線方向的斷面圖，成果為DWG格式，如圖5、圖6所示。

圖5 截取的一組斷面圖

圖6 截取的一個斷面圖

(4)半徑的量取

在CAD軟件中，由斷面圖中心點分別沿正左、左45°、正上、右45°、正右5個方向量取半徑值。如圖7所示。

圖7 斷面半徑值量取

四、成果分析

(1)掃描儀獲取數(shù)據(jù)分析

將不同斷面各個方向的半徑值統(tǒng)計成表格，并生成折線圖?？梢钥闯稣戏降陌霃街得黠@小于其他方向上的半徑值，遵循上下縮小，兩側(cè)擴大的隧道收斂一般規(guī)律。圖8為生成的半徑直線圖。

圖8 左線不同方向上的半徑值折線圖

通過統(tǒng)計圖可以看出，隧道斷面各方向上的平均半徑在2．72m左右，其中頂部方向的半徑值基本上在2．70～2．71 m之間，其他方向上的半徑值在2．72～2．74m之間，結(jié)果滿足隧道收斂測量要求如圖9所示。

圖9 右線不同方向上的半徑值折線圖

(2)掃描儀模式同全站儀模式數(shù)據(jù)比較

選用本次掃描儀測量獲取的數(shù)據(jù)同前期用全站儀測量獲取的數(shù)據(jù)進行比較，由于全站儀獲取的數(shù)據(jù)是按等距離米數(shù)進行隧道斷面切割的，而不是按環(huán)片數(shù)截取的，所以這里只是選取位置接近的地方進行比較。比較成果如下圖所示。

圖10 掃描儀成果同全站儀成果的比較

從比較結(jié)果來看，掃描儀獲取的數(shù)據(jù)和全站儀獲取的數(shù)據(jù)雖然在數(shù)值上會有一些差別，但變化趨勢基本上一致。

五、結(jié)束語

采用三維激光掃描技術(shù)進行隧道的收斂變形監(jiān)測，能夠一次快速、完整、全方位地采集隧道內(nèi)部的表面數(shù)據(jù)，并且從數(shù)據(jù)處理結(jié)果上看，符合隧道收斂變形一般規(guī)律，能夠滿足地鐵隧道收斂變形的測量要求。實踐證明，采用本方法，與傳統(tǒng)的測量方法比較，極大地提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)強度，縮短了變形監(jiān)測周期，對于地鐵隧道等運營間斷時間短的隧道安全檢測是有效的方法。

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