張明智，張明棟

(深圳市勘察測(cè)繪院有限公司，廣東 深圳　518000)

1　引　言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化步伐的加快，為滿足日益增長(zhǎng)的市民出行需要，城市軌道交通成為人們出行的重要交通工具。在地鐵帶動(dòng)區(qū)域人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，地鐵隧道保護(hù)區(qū)內(nèi)報(bào)建的各種深基坑工程也越來(lái)越多，而且隨著城市用地的愈發(fā)緊張，基坑的深度也越來(lái)越深，在周邊建筑物和各種地下管線的多重影響下，基坑工程的設(shè)計(jì)和施工的難度越來(lái)越大。

為了保障地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，在基坑施工過(guò)程中及時(shí)掌握地鐵隧道的變形情況顯得十分重要。

2　地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的重要手段之一。在地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中，通常使用徠卡TS30測(cè)量機(jī)器人對(duì)地鐵隧道進(jìn)行自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)，徠卡TS30測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定并具有ATR自動(dòng)識(shí)別照準(zhǔn)功能，在地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要地位。

這種監(jiān)測(cè)手段雖然能夠及時(shí)掌握監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的變化情況，但它也只能對(duì)布設(shè)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和反映該位置的變形情況，在沒(méi)有布設(shè)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地方存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)，雖然可以通過(guò)增加監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)彌補(bǔ)其中的不足，但歸根結(jié)底還是監(jiān)測(cè)方法上的不足。

為了彌補(bǔ)這一不足，在項(xiàng)目開(kāi)始施工前用斷面測(cè)量?jī)x對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的地鐵隧道進(jìn)行每一環(huán)的斷面數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)CAD對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算每一環(huán)管片的水平收斂值，作為斷面測(cè)量的初始值，并定期對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行斷面測(cè)量，掌握隧道的變形情況。但斷面測(cè)量?jī)x在測(cè)量斷面?zhèn)€數(shù)多時(shí)效率過(guò)低，在地鐵隧道斷面測(cè)量中不太適用。

圖1　常規(guī)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)剖面圖

3　地鐵隧道三維激光掃描概述

為了解決測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)斷面測(cè)量方法的不足，引入了徠卡ScanStation P40三維激光掃描儀。三維激光掃描儀在工作時(shí)，通過(guò)激光脈沖發(fā)射體發(fā)射出激光脈沖，激光脈沖在兩塊高速有序轉(zhuǎn)動(dòng)的反光鏡作用下，將發(fā)射出去的激光脈沖掃過(guò)被測(cè)物體，儀器根據(jù)每個(gè)激光脈沖從發(fā)射到反射回儀器的時(shí)間計(jì)算出被測(cè)物體與儀器的距離L，時(shí)鐘編碼器在同一時(shí)間測(cè)量出每條脈沖的水平掃描角度α和豎直掃描角度β，從而得到該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值P，工作原理如圖2所示。

圖2　激光掃描工作原理示意圖

其中：

儀器在掃描過(guò)程中不僅形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且對(duì)正常、滲水、存在裂縫的掃描面，根據(jù)不同的反射強(qiáng)度匹配不同的顏色，在完成隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后，使用徠卡Cyclone后處理軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、拼接、建模出被測(cè)物體的實(shí)際形狀，進(jìn)行收斂數(shù)據(jù)采集。

由此可見(jiàn)將三維激光掃描技術(shù)作為地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充手段是非常合適的。

圖3　徠卡ScanStation P40掃描作業(yè)

3.1　隧道點(diǎn)云掃描

掃描時(shí)，將標(biāo)靶(三維激光掃描儀能準(zhǔn)確識(shí)別并照準(zhǔn)的目標(biāo)模型)吸附在控制點(diǎn)上，掃描儀任意設(shè)站，并保證每一個(gè)連續(xù)的兩個(gè)測(cè)站都有2個(gè)相同的標(biāo)靶作為同名點(diǎn)。

圖4　掃描作業(yè)示意圖

3.2　點(diǎn)云配準(zhǔn)

點(diǎn)云配準(zhǔn)的原理是通過(guò)兩測(cè)站中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同名點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)(pi，qi)滿足相同的變換矩陣T，方程如下：

?pip，?qiQ，||Tpi-qi=0||

(1)

式中：

P，Q分別為兩次掃描的點(diǎn)集；

pi，qi分別為點(diǎn)集P和Q中的某點(diǎn)。

使用Cyclone 9.1后處理軟件可以通過(guò)每測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名點(diǎn)(標(biāo)靶)實(shí)現(xiàn)相鄰測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

在變形監(jiān)測(cè)中，由于我們需要的只是隧道的每一環(huán)收斂值，因此配準(zhǔn)只為了給采集收斂值提供便利，因此在實(shí)際作業(yè)中根據(jù)實(shí)際需要可以省去點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)工作。

在完成點(diǎn)云拼接后，為了減少數(shù)據(jù)冗余，提高監(jiān)測(cè)精度和工作效率，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，去除公共區(qū)多余的點(diǎn)云和激光束在傳播過(guò)程中發(fā)生離散所形成的噪點(diǎn)。

圖5　點(diǎn)云拼接、去噪后的效果圖

圖6　內(nèi)部效果圖

3.3　點(diǎn)云切片、圓心計(jì)算

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，首先應(yīng)對(duì)點(diǎn)云按一定的距離進(jìn)行切片，然后對(duì)點(diǎn)云切片進(jìn)行擬合提取圓心，計(jì)算隧道點(diǎn)云切片的直徑。

投影法是生成點(diǎn)云切片的常用方法。通過(guò)定義參考平面位于分層數(shù)據(jù)的中間位置，將每層數(shù)據(jù)向參考平面投影即可得到切片數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)投影后的點(diǎn)云切片存在大量的多余觀測(cè)，通過(guò)平差計(jì)算的方法計(jì)算圓心坐標(biāo)的最或然值。在每一個(gè)橫截面建立一個(gè)坐標(biāo)系，則圓心和圓周上每個(gè)點(diǎn)的關(guān)系為：

(xi-xo)2+(yi-yo)2-R2=0

(2)

設(shè)平差后的圓心坐標(biāo)(xc，yc)和圓半徑R為：

(3)

設(shè)圓半徑的觀測(cè)值為：

(4)

設(shè)圓半徑的觀測(cè)值和改正值與近似值的關(guān)系為：

Ri+VRi=R0+δR

(5)

平差計(jì)算的觀測(cè)值方程：

(6)

法方程為：

(7)

其中：

(8)

未知數(shù)解為：

(9)

4　ScanStation P40實(shí)際應(yīng)用

在某緊鄰地鐵隧道的深基坑施工過(guò)程中，使用徠卡TS30測(cè)量機(jī)器人對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的地鐵隧道進(jìn)行自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)，并在基坑施工前對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行了首次三維激光數(shù)據(jù)采集。

在基坑施工過(guò)程中，地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示左線個(gè)別點(diǎn)的累計(jì)水平位移超出了控制值，達(dá)到了+11.3 mm，且該區(qū)域正好位于基坑中部。

圖7左線各監(jiān)測(cè)斷面1號(hào)點(diǎn)位移變化曲線圖

為了更好地分析和掌握地鐵隧道的整體變形情況，決定對(duì)地鐵隧道進(jìn)行第二次三維激光掃描獲取最新的水平收斂值，并將最新的水平凈空收斂值與水平凈空初始值進(jìn)行比對(duì)，評(píng)估基坑施工對(duì)地鐵隧道造成的影響。

5　隧道收斂分析

在分析三維激光的掃描結(jié)果前，對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行論證尤為重要。根據(jù)三維激光掃描技術(shù)的精度論證文獻(xiàn)[7]，在文獻(xiàn)中作者采用徠卡TS30測(cè)量機(jī)器人免棱鏡測(cè)量模式與三維激光掃描儀對(duì)同一圓環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)二者的斷面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行橢圓擬合后，采用三維激光掃描得到的隧道相對(duì)變形與全站儀的測(cè)量結(jié)果相差在 2 mm以內(nèi)，所以三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用在地鐵變形監(jiān)測(cè)中是可行的。

通過(guò)與水平收斂初始值進(jìn)行比對(duì)，所得結(jié)果如表1所示。

地鐵隧道左線水平收斂統(tǒng)計(jì)表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

如表1所示，可以得出隧道的水平收斂值并沒(méi)有超出地鐵部門(mén)制定的5 470 mm這一水平收斂控制值；結(jié)合圖7可以看出，隧道的水平收斂數(shù)據(jù)變化情況與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)的變形情況基本一致，結(jié)合施工情況分析可得出地鐵隧道結(jié)構(gòu)在基坑施工過(guò)程中，基坑土方開(kāi)挖使結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生了改變，使隧道結(jié)構(gòu)整體處于水平方向的拉伸狀態(tài)，從而使隧道發(fā)生了變形。

6　結(jié)　論

測(cè)量機(jī)器人因?yàn)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且精度高在地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用和普及，但作為一種依賴監(jiān)測(cè)點(diǎn)反映結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)手段，只能對(duì)布設(shè)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法發(fā)現(xiàn)和掌握沒(méi)有布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的變形情況。

同時(shí)，在沒(méi)有歷史變形資料的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，不能掌握隧道歷史變形情況，按照地鐵部門(mén)給定的統(tǒng)一警戒值、控制值進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還未達(dá)到警戒值，管片就出現(xiàn)破壞的情況，所以通過(guò)三維激光掃描獲取水平收斂數(shù)據(jù)綜合分析隧道的變形情況，對(duì)控制值進(jìn)行合理取值顯得非常重要。

本文通過(guò)測(cè)量機(jī)器人地鐵自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)引申出地鐵三維激光掃描，通過(guò)點(diǎn)云拼接、計(jì)算獲得隧道水平收斂值，利用三維激光掃描結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分析隧道結(jié)構(gòu)的變形，有效彌補(bǔ)了測(cè)量機(jī)器人在地鐵監(jiān)測(cè)中的不足，同時(shí)為論證地鐵隧道的變形情況提供了有力的資料，在地鐵變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，隨著地鐵運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，地鐵隧道的維護(hù)也成為重中之重，地鐵變形監(jiān)測(cè)也將變得更加重要，三維激光掃描技術(shù)必將在隧道維護(hù)、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域做出重要的貢獻(xiàn)。