高宇

摘 要 3D激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)收集采樣率較高，其在地鐵隧道的斷面收斂測量過程當(dāng)中能夠提供更加全面、可靠的精確數(shù)據(jù)，從而為地鐵工程的施工方與運營方提供更加詳細(xì)的判斷數(shù)據(jù)，其所具備的數(shù)據(jù)測量優(yōu)勢是傳統(tǒng)方法所難以企及的。本文將主要就3D激光掃描同傳統(tǒng)方法的對比，分析其所具備的優(yōu)勢特性，而后就3D激光掃描的具體應(yīng)用并結(jié)合相關(guān)的工程案例，來展開具體的分析與探討，并測試其內(nèi)、外兩方面的符合性。

關(guān)鍵詞 地鐵隧道；斷面收斂測量；3D 激光掃描技術(shù)

中圖分類號 U23

文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 1674-6708（2016） 154-0052-03

在地鐵工程項目的施工作業(yè)與日常運營維護工作當(dāng)中，主要的內(nèi)容之一便是斷面收斂測量，它將直接影響到地鐵隧道的整體穩(wěn)定與安全。傳統(tǒng)所采用的全站儀法當(dāng)中，僅能夠選擇性的測量一部分隧道斷面數(shù)據(jù)信息，無法完整性的反映出地鐵隧道的實際問題狀況。而采用3D激光掃描技術(shù)則能夠通過借助于采樣率高的特性，為地鐵隧道斷面的收斂測量提供更加全面、精確的數(shù)據(jù)信息，從而使地鐵隧道工程項目的施工與日常運營，能夠具備有更加準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)判斷。

1 地鐵隧道斷面收斂測量

在地鐵隧道的施工及日常運營當(dāng)中，往往會受到周邊的地面及建筑物的擾動影響，以及在地鐵隧道周邊所開展的建筑工程施工與地鐵隧道的內(nèi)部施工、地鐵列車在運行過程當(dāng)中所產(chǎn)生的振動等各方面的綜合作用，并最終致使地鐵隧道產(chǎn)生收斂變形。

1.1 傳統(tǒng)方法的缺陷

在地鐵隧道斷面收斂測量中，傳統(tǒng)的測量方法主要是通過布設(shè)導(dǎo)線進行坐標(biāo)的傳遞在一個隧道管片之中分布安置數(shù)個觀測站點，采用全站儀對各個觀測站點的數(shù)據(jù)采取形變分析，其中也包括了收斂測量系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測等多種方法。但是此種方法卻也存在一些缺陷漏洞以及不足之處，具體表現(xiàn)為：

第一，在觀測點的布設(shè)、測量當(dāng)中，不能夠精確的確保上下行測量站點與檢核點處于同一水平線上，并且也不能夠保障兩者位于同一個平面當(dāng)中，因而也就無法確保在地鐵隧道斷面收斂測量當(dāng)中，上下行的測量站點處于同一個橫斷面當(dāng)中。

第二，全站儀法的隧道斷面收斂測量速度較慢，且成本支出較高，同時也無法將所有的管片進行有效的測量。

第三，在測量的實際效果與分析當(dāng)中也具有一定的局限性，傳統(tǒng)地鐵隧道的斷面收斂測量，其數(shù)據(jù)內(nèi)容往往以獨立的單個站點進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，而在雙測量站點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計當(dāng)中，及加設(shè)有隔離墻的地鐵隧道斷面測量當(dāng)中，其不可控制的因素較多，導(dǎo)致了實際測量結(jié)果的精確性與可靠性大打折扣。

1.2 3D激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢

3D激光掃描技術(shù)亦可稱之為“實景復(fù)制技術(shù)”，其能夠?qū)τ谳^為復(fù)雜的環(huán)境與其所在空間進行三維立體信息數(shù)據(jù)的采集，并且能夠?qū)⑺杉降臄?shù)據(jù)信息快速的掃描，構(gòu)建出立體空間模型，并最終實現(xiàn)對于客觀事物的真實再現(xiàn)。

第一，在當(dāng)今的建筑工程領(lǐng)域當(dāng)中，采用3D激光掃描技術(shù)能夠快速的采集到建筑的立體數(shù)據(jù)內(nèi)容，其不僅能夠在很大程度上提升建筑立體模型的展示效果，同時在立體圖形當(dāng)中的任意一個位置上均具備3D坐標(biāo)，能夠為建筑的設(shè)計施工提供真實、詳細(xì)的模擬圖形，也給建筑工程的檢測與分析創(chuàng)造了新的方式。

第二，3D掃描技術(shù)對于掃描目標(biāo)的數(shù)據(jù)收集手段，并非直接性的接觸因此其能夠顯著的降低在傳統(tǒng)以往的數(shù)據(jù)測量當(dāng)中對于數(shù)據(jù)采集目標(biāo)的損傷與破壞，并最終加強對于數(shù)據(jù)采集目標(biāo)的保護，以及為其具體的施工提供更加精確、詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，使技術(shù)手段能夠發(fā)揮出其應(yīng)有的實際效用。

2 3D 激光掃描的具體應(yīng)用

在地鐵隧道的斷面收斂測量當(dāng)中3D掃描儀的實例應(yīng)用相對較少，因此要確保其測量結(jié)果的精確性，并使其能夠發(fā)揮出立體掃描的技術(shù)優(yōu)勢，無論是在業(yè)外數(shù)據(jù)的收集獲取中，還是在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的處理過程當(dāng)中，均應(yīng)當(dāng)制定出詳細(xì)、完備的測量實施方案，將在測量過程以及數(shù)據(jù)信息內(nèi)容的實際處理誤差值，控制在合理的范圍之內(nèi)。據(jù)此本文將主要依據(jù)3D激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢特征，以及地鐵隧道當(dāng)中斷面收斂測量的實際需求，對整個測量過程現(xiàn)作出如下規(guī)劃。

2.1 測站點的布設(shè)與標(biāo)志球控制

為了確保更加有效的將地鐵隧道斷面收斂測量的誤差值控制在合理范圍之內(nèi)，在具體的測量工作實施過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)將3D掃描儀的布設(shè)與標(biāo)志球的位置進行固定，引進在高鐵測量項目當(dāng)中的CPIII布設(shè)法進行標(biāo)志球的布設(shè)，所布設(shè)的所有測量點均應(yīng)當(dāng)為強制歸心，并且所采用的標(biāo)志球型號、大小等應(yīng)當(dāng)完全一致，在正常狀況下標(biāo)志球的中心點大致也是相對穩(wěn)固的；此外還要考慮到3D掃描儀的實際測量視角，確保其對于每一個標(biāo)志球的檢測準(zhǔn)確性誤差要低于Imm，并且還應(yīng)當(dāng)考慮到其分辨率同標(biāo)志球的識別率之間所存在的重疊性問題，因此通常將3D掃描儀在每一個測量站點之中其距離確定為40m左右，前后兩側(cè)各大致約為20m左右，以保障其相鄰的標(biāo)志球之間掃描儀的間距在20左右。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采用3D掃描技術(shù)在進行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格依據(jù)所布設(shè)完成的測量站點，以及各標(biāo)志球之間的實際位置狀況來安放掃描儀器與標(biāo)志球，在布設(shè)完成后第一時間檢查其位置是否準(zhǔn)確、合理，將進行3D掃描作業(yè)的所有技術(shù)設(shè)備進行統(tǒng)一的調(diào)試，使其分辨率能夠達到完全一致，在取得地鐵隧道管壁之上的三維點云數(shù)據(jù)時，也能夠取得標(biāo)志球位置的點云數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.3 數(shù)據(jù)拼接處理

在地鐵隧道斷面收斂外業(yè)數(shù)據(jù)的收集工作結(jié)束后，同時將所測量的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸?shù)絪cen之中實行拼接處理，在此過程當(dāng)中要依據(jù)布設(shè)完成后的標(biāo)志球采取拼接作業(yè)，同時還要確保不同的標(biāo)志球只取準(zhǔn)確性低于1mm，在每一個測量站點當(dāng)中安放的標(biāo)志球數(shù)量應(yīng)當(dāng)不低于6個，通過計算機工程軟件的自動拼接，同時進行人工檢查，對于識取準(zhǔn)確性不足的標(biāo)志球應(yīng)當(dāng)重新布設(shè)。

2.4 軸線生成與擬合半徑

在標(biāo)志球布設(shè)安放完成后需要將已完成拼接的測量數(shù)據(jù)內(nèi)容，傳輸入XOR工程系統(tǒng)軟件當(dāng)中，進而實現(xiàn)對于軸線生成與半徑擬合，而后依據(jù)所形成的地鐵隧道斷面軸線及其所制定的公式數(shù)據(jù)，通過工程系統(tǒng)軟件將擬合半徑轉(zhuǎn)化為圓柱體。

2.5 斷面數(shù)據(jù)生成

最后將所形成的圓柱體以及地鐵隧道管壁當(dāng)中的三維點云數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絏OR工程系統(tǒng)軟件當(dāng)中生成相應(yīng)的地鐵隧道斷面與圖表，能夠?qū)崿F(xiàn)等間距離的斷面生成，亦或是任何距離的斷面生成，再或是只對于超出限定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)片位置生成相應(yīng)的隧道斷面，而后對于所有生成的斷面內(nèi)容實行總結(jié)與歸納，并形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報告。

3 工程案例

在天津地鐵軌道交通當(dāng)中的某號線路當(dāng)中，同傳統(tǒng)以往所常采用的上下并行模式所不同的是，此條線路采用了上下合用的大直徑隧道，中間用隔離墻分割，管片的寬度約為1.5m，且由數(shù)個管片所組裝而成。

在本項工程項目當(dāng)中運用3D激光掃描技術(shù)對于內(nèi)、外的符合性進行了測試。

3.1 內(nèi)符合性測試

在內(nèi)符合性測試當(dāng)中選取了350m的盾構(gòu)隧道段進行了測試，并且進行了二次掃描。內(nèi)符合性的測試內(nèi)容主要包括了對于相同環(huán)片下，各測量站點的隧道斷面趨勢、極值、擬合半徑，及其二次掃描接合后相同環(huán)片當(dāng)中的趨勢、極值以及擬合半徑進行了掃描。為了去除掉由于接合所課程產(chǎn)生的誤差，在本次研究中對于同一環(huán)片當(dāng)中的兩個測量點數(shù)據(jù)內(nèi)容，在進行對比分析之時選用了在入口處沒有隔離的部分進行了對比分析。在對其中一環(huán)進行二次掃描后，共得到了4組數(shù)據(jù)，其擬合半徑依次為：5.2125m、5.2122m、5.2108m、5.2111m，其實際的軸線移動數(shù)值位于Imm～2mm之內(nèi)，為了確保所測量的數(shù)據(jù)內(nèi)容具有一定的可比性，因而在趨勢圖形制定的過程中采用了5.2145m的半徑值。

3.2 外符合性測試

在外符合性的測試當(dāng)中通常所采用的隧道斷面收斂測量方法為全站儀法，將其所測得的隧道斷面數(shù)據(jù)信息同3D掃描儀所測得的數(shù)據(jù)信息進行對比分析，通常對比斷面的趨勢以及所產(chǎn)生的扇形面積。以隧道斷面收斂測量當(dāng)中的第258環(huán)及364環(huán)為例，采用3D掃描其擬合半徑值均為5.2145m，全站儀方法的擬合半徑值為5.2245m。3D掃描技術(shù)在水平方向上逆時針轉(zhuǎn)動進行測量，全站儀方法在天頂方面上同樣也是逆時針轉(zhuǎn)動，因此兩類隧道斷面的收斂測量在進行變化趨勢的對比當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)借助于鏡像對比。

在趨勢變化數(shù)據(jù)圖像的對比當(dāng)中，此兩種方法的變化趨勢大致相當(dāng)，全站儀法的半徑值較之3D掃描而言略微有所增大，特別是在對于地鐵隧道當(dāng)中的轉(zhuǎn)彎及一些有坡度的斷面在進行測量時，其所表現(xiàn)出的差異性會更加明顯。而所發(fā)生誤差性的關(guān)鍵因素即為傳統(tǒng)隧道斷面收斂測量的全站儀法在水平狀況下，其在每一個測量點所測得的半徑數(shù)值同隧道的橫截面數(shù)值，不能夠保持為90?。的夾角；而采用3D掃描技術(shù)其所測得的半徑數(shù)值則相對較為固定，實際的測量差異也會被控制在5mm以下。在全站儀法當(dāng)中也會表現(xiàn)出結(jié)合不完整的誤差，其擬合半徑的準(zhǔn)確性相對較低，其中第258環(huán)當(dāng)中沒有隔離，364環(huán)有隔離，其半徑間的差值大約為2cm～3cm。在地鐵隧道當(dāng)中的拐彎處或有坡度的位置，其誤差值則會更大。

采用扇形度數(shù)的面積將兩種隧道斷面收斂測量法進行對比分析，并且將兩項測量數(shù)據(jù)內(nèi)容拓展延伸到CAD當(dāng)中，能夠促使所取得的結(jié)果數(shù)值具有更高的可對比性，將數(shù)值依據(jù)扇形面積的大小進行統(tǒng)計分析。

采用傳統(tǒng)的全站儀法所測得的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所生成的扇形面積不同的測量環(huán)之間其數(shù)值差異較大，而采用3D掃描儀技術(shù)所測得的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所生成的測量環(huán)之間數(shù)值差異較小。258環(huán)當(dāng)中未設(shè)置隔離，兩種隧道斷面收斂測量方法所生成的面積較為相近，在364環(huán)當(dāng)中設(shè)置有隔離，兩種隧道斷面收斂測量方法所生成的面積則差距甚遠。此結(jié)論同上文當(dāng)中關(guān)于擬合半徑以及趨勢演化對比所產(chǎn)生出的結(jié)論大致相同。

總而言之，在地鐵隧道斷面收斂測量當(dāng)中，運用3D掃描儀技術(shù)在內(nèi)、外符合的準(zhǔn)確性上均能夠較為良好的滿足其實際測量的需求，并且在內(nèi)符合的隧道斷面收斂測量當(dāng)中其準(zhǔn)確性要顯著由于傳統(tǒng)的全站儀方法。

4 工程展望

在地鐵隧道斷面當(dāng)中應(yīng)用3D激光掃描技術(shù)，還能夠在3D建模與軸線的變化及趨勢預(yù)測方面取得更加優(yōu)秀的應(yīng)用效果。

4.1 3D建模

依據(jù)在數(shù)據(jù)預(yù)先處理之后所產(chǎn)生的云端數(shù)據(jù)內(nèi)容，能夠通過計算機工程軟件的計算處理得到相應(yīng)的地鐵隧道內(nèi)壁三維模型，即使是對于已投入實際運營的地鐵項目工程，亦可將其當(dāng)前所有的相關(guān)設(shè)施內(nèi)容均納入到三維立體模型當(dāng)中，從而為今后的地鐵隧道施工與維護提供更加詳實的數(shù)據(jù)資料。

4.2 軸線變化及趨勢預(yù)測

如若將標(biāo)志球的實際位置通過三維坐標(biāo)系表示出來，那么所模擬出來的隧道軸線即為實際的隧道，將軸線的三維立體模型同初始設(shè)計圖紙的數(shù)據(jù)參數(shù)進行對比，能夠判斷出其地鐵隧道軸線的整體位置改變狀況，及對其所可能會發(fā)生的移動趨勢作出相應(yīng)的預(yù)測，從而將其應(yīng)用于緊急狀況下的地鐵調(diào)度與實際運行管理當(dāng)中。

5 結(jié)論

在地鐵隧道斷面收斂測量中應(yīng)用3D激光掃描技術(shù)，其所測量的數(shù)值精度要顯著優(yōu)于一般的常規(guī)性測量方式，其具備有快捷、高效、成本低等顯著優(yōu)勢，能夠保障在地鐵隧道斷面收斂測量當(dāng)中檢測保護及施工維護，所需要的各項數(shù)據(jù)信息更加準(zhǔn)確、可靠。3D激光掃描技術(shù)在實際的應(yīng)用過程當(dāng)中，主要包括了測站點的布設(shè)與標(biāo)志球控制、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)拼接處理、軸線生成與擬合半徑、斷面數(shù)據(jù)生成等五個方面的內(nèi)容。最終希望通過本文的研究內(nèi)容能夠為相關(guān)的地鐵隧道斷面收斂測量，提供一些可供參考的內(nèi)容與方法。