白殿有

(天津軌道交通運營集團有限公司，天津 300392)

1 引 言

地鐵結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、周邊復雜的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、臨近施工擾動都是影響地鐵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。隨著地鐵運營時間增長，在各種影響因素的作用下地鐵結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的形變，各種隧道病害如洇濕、滲水、裂縫、掉塊、錯臺、管片破損等會隨之顯現(xiàn)出來。為了了解地鐵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，評估其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，需對其現(xiàn)狀進行調(diào)查。

常用地鐵現(xiàn)狀調(diào)查設(shè)備主要是采用游標卡尺、皮尺、全站儀、收斂儀、斷面儀、工業(yè)測量相機等，主要通過人工進行數(shù)據(jù)采集，自動化程度低、數(shù)據(jù)采集的效率相對低下，且其獲得數(shù)據(jù)多為重點部位斷面數(shù)據(jù)或點位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不全面。

三維激光掃描技術(shù)又稱三維實景復制技術(shù)，通過發(fā)射高密度的激光實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的全面采集，具有采集范圍大、距離遠、速度快、數(shù)據(jù)密度大、連續(xù)性高、全面等優(yōu)點，利用其配套的點云處理軟件根據(jù)點云數(shù)據(jù)及其生成的激光全息影像可快速、準確、全面地實現(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)形態(tài)的快速獲取及隧道病害識別。作業(yè)生產(chǎn)中可單獨利用站式掃描儀進行測量作業(yè)，也可利用集成設(shè)備以三維激光掃描儀為主體同步各種傳感器進行數(shù)據(jù)的協(xié)同采集。后者的作業(yè)化程度更高，應用也更為廣泛[1～3]。瑞士安伯格技術(shù)公司生產(chǎn)的GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)是目前在地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中應用較多和技術(shù)較為成熟的一套設(shè)備[4，5]。

2 GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)介紹

如圖1所示，GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)是將慣導、距離傳感器、傾斜傳感器、里程計等各種高精度的傳感器與可進行高速測量數(shù)據(jù)采集的三維激光掃描儀集成在軌道小車上，協(xié)同完成高精度點云測量數(shù)據(jù)的采集。

圖1 GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)

三維激光掃描儀隨著小車在軌道上行以螺旋線形式對隧道進行高密度掃描。利用發(fā)射和接收激光信號的相位差，計算獲得隧道襯砌表面掃描點的二維坐標，配合慣導的外部絕對定位，可以獲得所有測量點的三維絕對坐標，最終獲得三維點云數(shù)據(jù)。通過分析發(fā)射和接收激光信號的強度，可以獲得隧道襯砌內(nèi)表面的影像信息，形成灰度圖。利用該系統(tǒng)可獲得5 mm×5 mm的狀態(tài)評估影像以及 10 mm的斷面測量數(shù)據(jù)。相對于傳統(tǒng)調(diào)查方式，其采集的點云全面反映了地鐵結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，通過后處理軟件處理可生成任意斷面任意位置的報表數(shù)據(jù)，生成的灰度圖可應用病害的初判及展示，且設(shè)備的行進在小車載體上省人省工，應用于隧道結(jié)構(gòu)調(diào)查的實際適宜作業(yè)行進速度約為 600 m/h左右，效率更高。

3 GRP5000在地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中的作業(yè)流程

因地鐵運營的特殊性，地鐵現(xiàn)狀調(diào)查多在夜間天窗點進行，作業(yè)時間較為寶貴。一般在接受完任務應制定詳細的測量方案做好充足的工前準備。在作業(yè)現(xiàn)場設(shè)備組裝完畢儀器完成初始化后即可推進小車輕松完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后將采集成果導入TunnelMap軟件中，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理、投影變換、限界處理、3D變換后即可建立隧道結(jié)構(gòu)模型以獲取結(jié)構(gòu)的形態(tài)、錯臺、收斂等測量信息以及用于病害識別、量測的高清影像圖。為謹慎起見，標注病害的高清影像圖經(jīng)外業(yè)現(xiàn)場確認修正后方可正式輸出。具體的工作流程如圖2所示。

圖2 地鐵現(xiàn)狀調(diào)查中GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)的作業(yè)流程

4 應用實例

某項目臨近地鐵，在施工前為了解其地鐵現(xiàn)狀，為相應的評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用GRP5000三維激光全息成像掃描系統(tǒng)配合人工調(diào)查的方式對其現(xiàn)狀形態(tài)及其病害狀況進行了現(xiàn)狀調(diào)查。圖3～圖6展示了部分成果數(shù)據(jù)，其中圖3為采集的部分點云數(shù)據(jù)，圖4展示了利用三維點云獲取的某結(jié)構(gòu)斷面重點信息(因數(shù)據(jù)保密需要，距離及高程標注數(shù)據(jù)已隱去)，圖5為其隧道結(jié)構(gòu)的橢圓度統(tǒng)計圖，圖6展示了三維點云數(shù)據(jù)及其灰度信息生成的高清影像圖識別標注的病害數(shù)據(jù)。本次作業(yè)范圍左右線各約 280 m，作業(yè)過程耗時兩個地鐵天窗時間，第一個天窗時間進行作業(yè)準備及點云數(shù)據(jù)采集耗時2小時左右，第二個天窗時間進行病害確認耗時3個小時。同樣的作業(yè)量采用原始作業(yè)方式，需在采用全站儀或斷面儀器根據(jù)作業(yè)要求每隔一定的距離對隧道的形態(tài)進行測量同時，采用人工檢視、記錄、拍照等多種手段對每個環(huán)面進行病害調(diào)查，耗時約4～5個天窗時間。相對傳統(tǒng)方式，采用三維激光掃描技術(shù)的效率更高、數(shù)據(jù)更全面、成果更直觀。

圖3 部分點云數(shù)據(jù)

圖4 某里程斷面重點信息

圖5 為其隧道結(jié)構(gòu)的橢圓度統(tǒng)計圖

圖6 標注病害的高清影像圖

5 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)相對于常規(guī)地鐵現(xiàn)狀調(diào)查方式具有采集數(shù)據(jù)全面、高效便捷、數(shù)字化、成果形式豐富多樣、系統(tǒng)化等特點，特別是集成度更高的三維激光全息成像掃描的自動化程度更高，優(yōu)勢更加明顯，利用其獲取地鐵結(jié)構(gòu)的形態(tài)及病害數(shù)據(jù)，并結(jié)合物探等手段提供更加全面的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是未來地鐵結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查的發(fā)展方向，具有廣闊的前景。