王智，周志，張洪德，胡玉祥，孟慶年

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266555；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032；4.青島市海陸地理信息集成及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266032)

1 引 言

地鐵隧道竣工后，由于地質(zhì)及周邊施工的影響，隧道結(jié)構(gòu)隨之會(huì)發(fā)生變形[1]，或是發(fā)生裂縫、滲水等情況[2]，從而對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生安全隱患，為檢測(cè)隧道的安全狀況，一般做法是通過(guò)人工巡檢的方式來(lái)進(jìn)行檢查、判別裂縫、滲水等情況[3]，該方法效率低，且容易漏檢[4]，隧道變形則一般通過(guò)全站儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行實(shí)測(cè)隧道收斂變形和沉降[5]，通過(guò)后處理并與設(shè)計(jì)或是初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)分析、判別隧道的空間形態(tài)變化情況[6]。

借助于三維激光掃描技術(shù)，可以快速地獲取地鐵隧道空間全息數(shù)據(jù)，并基于全息數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，可以獲得被掃描隧道空間的全息三維模型[7]，進(jìn)而對(duì)模型中各個(gè)點(diǎn)、線、面的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行更加細(xì)致地分析，從而判斷隧道是否存在變形、滲水、錯(cuò)臺(tái)等病害現(xiàn)象[8]。目前用于地鐵數(shù)據(jù)采集的掃描儀主要分為兩類，一類是靜態(tài)固定架站式掃描[9]，這類儀器作業(yè)需要在不同的測(cè)站之間布設(shè)標(biāo)靶，以便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)將各個(gè)測(cè)站拼接為一個(gè)整體，生成的影像不均勻，絕對(duì)坐標(biāo)匹配可利用隧道內(nèi)導(dǎo)線點(diǎn)或CPⅢ控制點(diǎn)。第二類是軌道移動(dòng)掃描系統(tǒng)[10]，其可以借助于軌道沿著隧道方向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相對(duì)于靜態(tài)架站式掃描儀，其作業(yè)效率更高。利用隧道移動(dòng)掃描系統(tǒng)在青島地鐵隧道進(jìn)行測(cè)試，介紹了其作業(yè)流程、數(shù)據(jù)處理方法以及成果應(yīng)用，得到了一些有益結(jié)論。

2 全息數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

隧道移動(dòng)三維掃描系統(tǒng)借助于軌道可沿著隧道方向前進(jìn)，在移動(dòng)掃描系統(tǒng)行進(jìn)過(guò)程中，光電編碼器將車輪滾動(dòng)的距離轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其根據(jù)系統(tǒng)初始位置標(biāo)定的零位標(biāo)記開始計(jì)算[11]，并同時(shí)在二維方向做三維掃描，掃描點(diǎn)在空間形成的軌跡為線性的三維螺旋模型[12]。通過(guò)整合三維激光掃描儀、里程計(jì)、軌距測(cè)量?jī)x等多種傳感器，移動(dòng)隧道測(cè)量系統(tǒng)可獲取高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及專業(yè)的軌道檢測(cè)維護(hù)成果，軌檢效率高達(dá)每小時(shí) 3 km～4 km左右[13]。適用于軌道檢測(cè)、線路管理維護(hù)、竣工分析、限界測(cè)量、凈空測(cè)量、軌道探傷等多個(gè)領(lǐng)域[14]。如圖1所示為徠卡隧道移動(dòng)掃描系統(tǒng)的外觀圖。

圖1 徠卡隧道移動(dòng)掃描系統(tǒng)

作業(yè)時(shí)采用最小約束法，即聯(lián)測(cè)隧道沿線控制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行約束平差，作業(yè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 外業(yè)采集流程

圖3 點(diǎn)云坐標(biāo)匹配標(biāo)靶識(shí)別

內(nèi)業(yè)下載原始測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌跡解算，獲取全息數(shù)據(jù)點(diǎn)云，在做后續(xù)應(yīng)用分析之前，需將點(diǎn)云匹配到絕對(duì)坐標(biāo)系下，在三維點(diǎn)云中依次識(shí)別標(biāo)靶，新建控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)，如圖3所示，識(shí)別的標(biāo)靶將出現(xiàn)十字絲并顯示控制點(diǎn)點(diǎn)號(hào)。

絕對(duì)坐標(biāo)匹配實(shí)質(zhì)上是空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即先根據(jù)標(biāo)靶在移動(dòng)掃描系統(tǒng)坐標(biāo)系(XA，YA，ZA)和絕對(duì)坐標(biāo)系(XB，YB，ZB)中兩套坐標(biāo)求取轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后利用下式將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)系下[15]。

(1)

式(1)中，(△X，△Y，△Z)是三個(gè)平移參數(shù)，m是縮放比例參數(shù)，R為旋轉(zhuǎn)矩陣，令繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度分別為(ωx，ωY，ωZ)，則R為下式：

(2)

點(diǎn)云預(yù)處理還包括點(diǎn)云去噪及抽稀等操作，點(diǎn)云去噪是為了保證后續(xù)處理應(yīng)用的結(jié)果及精度，將點(diǎn)云中干擾部分進(jìn)行刪除的過(guò)程，點(diǎn)云抽稀是為了提高后續(xù)應(yīng)用處理的效率，將點(diǎn)云中點(diǎn)間距增大，從而減小點(diǎn)云的密度。

3 隧道安全狀態(tài)分析

隧道建成后，其安全影響因素包括隧道空間幾何形態(tài)的變化以及滲水、裂縫等，空間幾何形態(tài)的變化情況中，限界最為重要，其直接影響行程安全及各種設(shè)備的正常運(yùn)行，限界是規(guī)定地鐵隧道在指定的空間區(qū)域不能有任何障礙物的空間尺寸要求。通常表現(xiàn)形式是在二維橫斷面圖上表示相關(guān)尺寸，如圖4所示為青島地鐵馬蹄形隧道所需的限界尺寸。

為獲取二維平面限界尺寸圖，將三維點(diǎn)云向隧道中軸線的垂直面進(jìn)行投影，根據(jù)限界測(cè)量要求，在中軸線上每隔 5 m選取一個(gè)斷面基準(zhǔn)點(diǎn)，將三維點(diǎn)云和斷面基準(zhǔn)點(diǎn)向隧道中軸線的垂直面上投影，以斷面基準(zhǔn)點(diǎn)為中心，搜索其法線方向上的三維點(diǎn)云，通過(guò)邊界檢測(cè)算法檢測(cè)出投影后的點(diǎn)云邊界，并形成點(diǎn)云集，獲取二維橫斷面圖。

圖4 地鐵隧道所需限界尺寸示意圖

為了與設(shè)計(jì)對(duì)比，從而判斷限界結(jié)果是否滿足要求，導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括平曲線、豎曲線、超距、斷鏈以及二襯設(shè)計(jì)斷面，與絕對(duì)坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云進(jìn)行疊合，分析邊界差異情況，計(jì)算超欠挖值，如圖5所示，根據(jù)超欠挖分析情況及實(shí)測(cè)斷面輪廓線計(jì)算、分析限界情況的變化。

圖5 地鐵隧道超欠挖分析圖(單位/cm)

由于地下水的影響，地鐵隧道的滲水情況在各個(gè)城市均有發(fā)生，通過(guò)移動(dòng)掃描系統(tǒng)獲取的三維點(diǎn)云可以快速探測(cè)到滲水部位，從而為后續(xù)處理措施提供決策依據(jù)，移動(dòng)掃描系統(tǒng)中的三維激光掃描儀不僅可以快速獲取目標(biāo)表面高精度、高密度的三維點(diǎn)坐標(biāo)信息，還能夠獲取激光反射信號(hào)的強(qiáng)度信息，利用RGB反射強(qiáng)度信息可以快速判別出滲水情況，如圖6所示，將三維激光點(diǎn)云強(qiáng)度反射圖沿著隧道底板中軸線展開即可獲取滲水情況，圖中深藍(lán)色區(qū)域即為滲水部位。

對(duì)于盾構(gòu)TBM管片隧道，借助于移動(dòng)掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云，可對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)、收斂、橢圓度等安全因素進(jìn)行計(jì)算、分析。

圖6地鐵隧道滲水情況展開圖(單位/cm)

4 總 結(jié)

采用三維激光掃描等前端技術(shù)獲取地鐵隧道建構(gòu)筑物及隧道區(qū)間高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)及三維模型，建立全面、準(zhǔn)確、真實(shí)的地鐵土建竣工三維全息數(shù)字檔案，是反映和評(píng)價(jià)土建施工質(zhì)量的“家底工程”，也是后續(xù)開展地鐵安全監(jiān)測(cè)、病害檢測(cè)、改建擴(kuò)建、城市應(yīng)急事故處置、地下空間改造以及周邊地下空間銜接開發(fā)利用等管理維護(hù)工作最根本的基礎(chǔ)。

借助于移動(dòng)掃描系統(tǒng)獲取的三維點(diǎn)云，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)比，可快速獲取隧道超欠挖信息以及侵界情況，根據(jù)掃描儀激光獲取的反射強(qiáng)度信息，能夠獲得隧道整體的滲水情況，與架站式掃描儀相比，移動(dòng)激光掃描技術(shù)具有作業(yè)效率高、點(diǎn)云密度大、無(wú)須拼站等優(yōu)點(diǎn)，為地鐵隧道安全監(jiān)測(cè)提供了更加高效、精確的測(cè)量手段。