王智，李勇，張洪德，曹慶磊，門茂林

(青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島　266032)

1　引　言

地鐵隧道開挖是隧道施工的重要工序，超挖過多，不僅因出渣量和襯砌量增多而提高工程造價(jià)，而且由于局部超挖會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，影響圍巖穩(wěn)定性；而欠挖則直接影響到襯砌厚度，對(duì)隧道質(zhì)量及后期運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生安全隱患[1]。因此超欠挖控制是地鐵隧道施工質(zhì)量評(píng)定的重要內(nèi)容之一，進(jìn)行超欠挖控制的方法是使用測(cè)量?jī)x器觀測(cè)隧道斷面若干個(gè)點(diǎn)，形成實(shí)際的開挖輪廓線，并在同一坐標(biāo)系中與設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行比較，從而獲取斷面的超欠挖量和部位，供有關(guān)部門進(jìn)行綜合分析利用，及時(shí)指導(dǎo)下一步施工[2]。目前對(duì)地鐵隧道進(jìn)行斷面測(cè)量主要有兩種方法，一種是斷面儀法[3]，這種方法需要先放樣出隧道中心線，然后在指定里程的隧道中心線處架設(shè)儀器，按照設(shè)定的測(cè)量參數(shù)對(duì)當(dāng)前里程斷面進(jìn)行空間數(shù)據(jù)采集，作業(yè)效率較低，且斷面儀用途單一。另外一種常用的方法是采用全自動(dòng)測(cè)量全站儀，并搭載有斷面測(cè)量機(jī)載程序，這種方法不需要放樣出隧道中心線，架站方式靈活，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，但是結(jié)果仍然是以逐個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)位表現(xiàn)，局限于平面展現(xiàn)，無法全面反映隧道開挖超欠挖情況。

三維激光掃描儀測(cè)量是近幾年應(yīng)用于地鐵隧道工程測(cè)量的新型測(cè)量技術(shù)，它是一種通過發(fā)射激光來掃描獲取被測(cè)物體表面三維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)度的儀器，是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[4]。它突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)，使得外業(yè)測(cè)量更加高效便捷，為空間三維數(shù)據(jù)的獲取提供了有效的測(cè)量手段，它采用非接觸式激光測(cè)量技術(shù)，以點(diǎn)云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數(shù)據(jù)[5]。儀器主要包括測(cè)距系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。三維激光掃描儀工作原理是：儀器對(duì)待測(cè)物體發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和返回的時(shí)間差，得出掃描儀與物體的幾何距離，根據(jù)水平方向和垂直方向步進(jìn)角距值，計(jì)算出點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，并由儀器存儲(chǔ)設(shè)備予以記錄儲(chǔ)存，再經(jīng)過后處理軟件的建模，便可得到被測(cè)物體的空間三維模型[6]。本文介紹了將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵施工質(zhì)量檢測(cè)中，并在青島地鐵工程得到了成功的應(yīng)用。

2　數(shù)據(jù)采集

2.1　控制點(diǎn)布設(shè)

為了使三維激光掃描儀的成果與地鐵建設(shè)坐標(biāo)基準(zhǔn)一致，需要在隧道內(nèi)布設(shè)足夠密度和精度的控制點(diǎn)，為三維激光掃描提供空間基準(zhǔn)，也便于后續(xù)和設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比從而分析隧道開挖質(zhì)量，若隧道未貫通，應(yīng)采用經(jīng)聯(lián)系測(cè)量傳遞到隧道內(nèi)的控制點(diǎn)，若隧道已貫通，應(yīng)采用兩井定向或兩站一區(qū)間地下控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)后的成果。

考慮到隧道內(nèi)控制點(diǎn)間距一般在 100 m～150 m左右，不滿足掃描儀數(shù)據(jù)采集起算基準(zhǔn)要求，需要對(duì)隧道內(nèi)控制點(diǎn)進(jìn)行加密，根據(jù)掃描儀性能及隧道內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，加密點(diǎn)宜 30 m～50 m布設(shè)一個(gè)，可采用1″或0.5″級(jí)全站儀采用極坐標(biāo)法測(cè)量。點(diǎn)位布設(shè)要求便于架設(shè)對(duì)中桿，同時(shí)便于保護(hù)以便重復(fù)使用。

2.2　架站方案設(shè)計(jì)

外業(yè)測(cè)量時(shí)，在車站和區(qū)間內(nèi)控制點(diǎn)上架設(shè)標(biāo)靶，儀器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)通視情況任意架站，但需和兩個(gè)標(biāo)靶通視，儀器整平后根據(jù)掃描儀性能參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)定掃描站間距、掃描點(diǎn)密度，保證各測(cè)站之間具有一定的掃描重疊度。同步進(jìn)行隧道三維激光掃描，獲取隧道三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)也獲取標(biāo)靶點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1　隧道內(nèi)控制點(diǎn)布設(shè)及架站方案示意圖

如圖1所示，隧道內(nèi)控制點(diǎn)一般間距比較長(zhǎng)，經(jīng)全站儀加密后的點(diǎn)位宜在30至50米左右，每次測(cè)量過程中，應(yīng)在頭尾處測(cè)量至少兩個(gè)控制點(diǎn)，以保證多余觀測(cè)從而進(jìn)行檢核，如圖中左側(cè)和右側(cè)架站點(diǎn)所示，在中間的架站點(diǎn)，通過聯(lián)測(cè)相鄰測(cè)站的靶球從而達(dá)到相鄰測(cè)站拼接的目的。從圖中可以看出，中間架站數(shù)越多，即需要靶球傳遞的測(cè)站越多，整個(gè)拼接的點(diǎn)云的絕對(duì)精度越低，因此，為保證精度，宜在中間架站點(diǎn)聯(lián)測(cè)隧道內(nèi)控制點(diǎn)，以保證點(diǎn)云拼接的絕對(duì)精度。

2.3　掃描儀數(shù)據(jù)采集

在獲取掃描點(diǎn)云的同時(shí)利用掃描儀內(nèi)置或外置相機(jī)拍取照片，用于對(duì)點(diǎn)云的紋理題圖，同時(shí)為了滿足更多工程的需求，通過專業(yè)的后處理軟件進(jìn)行快速貼圖，呈現(xiàn)更加逼真的真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，豐富了掃描成果。

三維激光掃描儀得到的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要包括：①根據(jù)2個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)用來反射脈沖激光鏡的角度值得到激光束水平方向值和豎直方向值；②根據(jù)脈沖激光傳播時(shí)間而計(jì)算得到的儀器到掃描點(diǎn)的距離值；③掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度；④通過數(shù)碼相機(jī)獲取的場(chǎng)景影像數(shù)據(jù)等。前2種數(shù)據(jù)用來計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度和場(chǎng)景影像數(shù)據(jù)則用來給反射點(diǎn)匹配顏色或給模型映射紋理。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1　點(diǎn)云配準(zhǔn)拼接

(1)計(jì)算標(biāo)靶三維坐標(biāo)計(jì)算：利用導(dǎo)線和水準(zhǔn)測(cè)量的成果，進(jìn)行標(biāo)靶三維坐標(biāo)的計(jì)算。

(2)點(diǎn)云拼接：根據(jù)標(biāo)靶三維坐標(biāo)將每個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸算到隧道施工使用的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中。青島地鐵隧道某區(qū)間采用三維激光掃描儀后拼接的三維點(diǎn)云如圖2所示：

圖2　青島地鐵隧道某區(qū)間三維點(diǎn)云模型

(3)剔除噪音數(shù)據(jù)：根據(jù)隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，剔除隧道壁外的噪音數(shù)據(jù)。噪音數(shù)據(jù)主要是盾構(gòu)管片的連接螺栓孔、螺帽、注漿孔及電纜、照明設(shè)備和其他附著在管壁上的設(shè)施。

如圖3所示，將隧道通風(fēng)管道剔除后得到的點(diǎn)云模型。

圖3　剔除噪音數(shù)據(jù)后點(diǎn)云模型

3.2　設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入包括三個(gè)部分：平曲線、豎曲線以及設(shè)計(jì)斷面。

圖4　地鐵設(shè)計(jì)平曲線要素點(diǎn)

設(shè)計(jì)平曲線要素錄入主要包括各個(gè)要素點(diǎn)的里程，如直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)等以及相應(yīng)曲線要素的長(zhǎng)度、直線的方位角、圓曲線的半徑等信息，如圖4所示。設(shè)計(jì)豎曲線要素包括里程、長(zhǎng)度、豎曲線半徑，轉(zhuǎn)角前后的坡度等信息。設(shè)計(jì)斷面包括每個(gè)斷面類型的設(shè)計(jì)、里程范圍等信息。

3.3　斷面超欠挖分析

在內(nèi)業(yè)拼接好的具有地鐵隧道統(tǒng)一控制坐標(biāo)系下三維坐標(biāo)的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，在后處理軟件中提取一定厚度的指定里程斷面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與事先輸入好的隧道設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)規(guī)定的里程處進(jìn)行相應(yīng)斷面比較，即可得到斷面的超欠挖情況，如圖5所示。

圖5　地鐵區(qū)間超欠挖分析圖

4　總　結(jié)

要保證三維激光掃描儀成果的精度，需在外業(yè)掃描作業(yè)時(shí)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度拼接創(chuàng)造條件，使用后方交會(huì)設(shè)站時(shí)，每站至少前后各一個(gè)控制點(diǎn)，并測(cè)設(shè)一定數(shù)量的檢核點(diǎn)，相鄰的掃描測(cè)站間最好存在兩個(gè)以上的公共連接點(diǎn)，有公共面時(shí)應(yīng)使用公共面拼接，沒有公共面時(shí)使用公共點(diǎn)拼接，并對(duì)連接區(qū)域或點(diǎn)位進(jìn)行精細(xì)掃描。

目前地鐵隧道斷面測(cè)量使用的方法主要是斷面儀法和全站儀機(jī)載程序法，三維激光掃描儀方法并沒有得到廣泛應(yīng)用，究其原因，一方面是設(shè)備昂貴，另一方面是該方法后處理過程煩瑣，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求較高，另外針對(duì)地鐵測(cè)量的分析軟件不成熟。但是在外業(yè)高密度采集大量斷面時(shí)，三維激光掃描儀的速度明顯高于斷面儀法和全站儀機(jī)載程序法，且生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建三維模型，可以更好地服務(wù)于隧道的健康監(jiān)測(cè)，是未來隧道斷面測(cè)量的趨勢(shì)。