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基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法

謝雄耀1，盧曉智1，田海洋1，季倩倩2，李攀1

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092； 2. 上海長江隧橋建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 201209)

在隧道工程中變形測量是必不可少的，工程師可根據(jù)測量結(jié)果評價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

地面三維激光掃描技術(shù)(terrestrial laser scanning)是一種以激光測距方式快速獲取大量測點(diǎn)三維坐標(biāo)的測量技術(shù)，能夠克服傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，從而獲取更加全面的隧道變形信息。

一、基于點(diǎn)云的隧道三維建模算法與變形分析

本文提出一種基于點(diǎn)云的隧道三維建模算法，用于獲取隧道的相對變形。算法的流程如圖1所示。下文將以一條圓形隧道為例介紹該算法，該隧道采用頂管法施工，內(nèi)徑2.7 m，管節(jié)寬度2 m。

圖2所示的點(diǎn)云仍無法直觀表示隧道的相對變形，本文通過建立橢圓柱面三維模型，使隧道變形可視化。

對圖2所示的點(diǎn)云進(jìn)行三維建模和變形分析，結(jié)果如圖3所示。

二、激光掃描儀與全站儀在隧道變形測量中的精度比較試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用Leica C10激光掃描儀與Leica TS30全站儀，其廠家標(biāo)稱精度見表1。本試驗(yàn)在上海市浦東新區(qū)某污水隧道進(jìn)行，該隧道采用頂管法施工，隧道內(nèi)徑4 m，管節(jié)寬度2 m，如圖4所示。采用C10激光掃描儀與TS30全站儀對圖4所示的一段隧道管節(jié)進(jìn)行變形測量。

表1　TS30全站儀和C10激光掃描儀的廠家標(biāo)稱精度

圖4　頂管隧道的一段管節(jié)

本試驗(yàn)結(jié)果表明(見表2)，采用基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道變形測量方法，得到的隧道相對變形與全站儀的測量結(jié)果相差在2 mm以內(nèi)。

表2TS30全站儀與C10激光掃描儀數(shù)據(jù)的橢圓擬合結(jié)果比較

參數(shù)模型TS30全站儀C10激光掃描儀相差值橢圓長軸/mm400540061橢圓短軸/mm400440022長軸與水平方向夾角(逆時(shí)針方向?yàn)檎?/(°)-12315

三、應(yīng)用案例

在多空間隧道中，由于混凝土板墻的阻隔，單個(gè)測站無法獲取隧道的全斷面點(diǎn)云，因此需要合理地布設(shè)測站及標(biāo)靶。下面以一條多空間隧道為例介紹測站及標(biāo)靶的布設(shè)方法。

上海市長江西路公路隧道越江段采用盾構(gòu)法施工，外徑15 m，內(nèi)徑13.7 m，管片寬度2 m。橫斷面被煙道板、車道板及隔墻分割成5部分，屬于多空間隧道。采用Leica C10激光掃描儀在該隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一共布設(shè)了6個(gè)測站和12個(gè)標(biāo)靶。利用風(fēng)機(jī)預(yù)留孔和逃生通道作為通視條件，將6個(gè)測站的點(diǎn)云拼接起來。通過Cyclone軟件完成拼接，形成隧道的全斷面點(diǎn)云，如圖5所示。

圖5　大斷面多空間公路隧道掃描測量實(shí)例

四、結(jié)論

本文研究了基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道相對變形測量方法，主要結(jié)論如下：

1) 進(jìn)行了激光掃描儀與全站儀的精度比較試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，采用本文所提出的三維建模分析方法對隧道點(diǎn)云進(jìn)行處理，得到的隧道相對變形結(jié)果與全站儀的測量結(jié)果相差在2 mm以內(nèi)。

2) 介紹了兩個(gè)應(yīng)用案例，將本文所提出的方法應(yīng)用到單空間隧道中，獲得了隧道的相對變形；介紹了多空間隧道的測站和標(biāo)靶布設(shè)方法，獲取了隧道的全斷面點(diǎn)云。

3) 本文所提出的三維建模算法假定整條隧道的相對變形可用若干個(gè)幾何形態(tài)各異的橢圓柱面表示，顯然這個(gè)假定只適用于變形較小的圓形隧道。在接近破壞極限時(shí)隧道會(huì)產(chǎn)生較大的變形，則上述假定不再適用。因此在使用本文所提出的方法進(jìn)行隧道三維建模時(shí)，建議將擬合結(jié)果與原始點(diǎn)云進(jìn)行比較，若擬合殘差過大，則說明該方法不再適用。

4) 對于變形較大的圓形隧道及非圓形斷面的隧道，需要通過新的數(shù)據(jù)處理方法獲取隧道的相對變形。今后的研究思路應(yīng)著重于尋找合適的數(shù)學(xué)函數(shù)(如二次曲面、NURBS曲面等)來描述隧道變形后的空間幾何形態(tài)。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)