唐萬銀
(上海市巖土工程檢測(cè)中心,上海200436)
盾構(gòu)法施工掘進(jìn)過程中,及時(shí)對(duì)成型的隧道進(jìn)行軸線復(fù)測(cè),對(duì)隧道管片收斂進(jìn)行檢測(cè)以及對(duì)洞門中心進(jìn)行三維坐標(biāo)復(fù)測(cè)等,可以為盾構(gòu)施工提供必要的隧道變形數(shù)據(jù),保證隧道的施工安全和順利貫通。目前,常規(guī)方法是運(yùn)用全站儀觀測(cè),具有效率低,人員投入大,成果輸出形式單一等缺點(diǎn)。
地鐵隧道軸線復(fù)測(cè)是盾構(gòu)推進(jìn)過程中的一項(xiàng)重要工作,是確保盾構(gòu)按設(shè)計(jì)路線準(zhǔn)確推進(jìn)的一種手段,主要復(fù)測(cè)內(nèi)容包括:(1)檢測(cè)已成型的隧道中心平面、高程的偏離情況,及時(shí)通知施工方調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài);(2)對(duì)洞門中心三維坐標(biāo)精確復(fù)測(cè),保證盾構(gòu)機(jī)安全、準(zhǔn)確進(jìn)洞;(3)對(duì)隧道管片進(jìn)行收斂監(jiān)測(cè),確保隧道的安全穩(wěn)定。
目前,隧道軸線復(fù)測(cè)主要采用傳統(tǒng)的全站儀觀測(cè)的方式,主要確定有以下幾個(gè)方面:(1)人員投入多,每個(gè)組至少需要3人;(2)測(cè)量效率低,隧道內(nèi)環(huán)境較差,加大了儀器整平、對(duì)中、后視等操作的難度,嚴(yán)重影響了觀測(cè)精度和效率;(3)外業(yè)觀測(cè)的數(shù)據(jù)量有限,無法觀測(cè)到每個(gè)管片,成果分析存在一定的困難。
三維激光掃描儀采用的是儀器本身的坐標(biāo)系統(tǒng),原點(diǎn)位于激光發(fā)射處,建立了一套獨(dú)特的右手空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)[1,2]。其測(cè)量原理是通過內(nèi)置的激光發(fā)射器發(fā)射激光束,接收器接收測(cè)量物體反射的激光束后,計(jì)算掃描儀與被測(cè)物體的距離S,同時(shí),控制編碼自動(dòng)測(cè)量每束激光的橫向掃描角度和縱向掃描角度,根據(jù)式(1)~式(3)計(jì)算被測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息。
式中,α為橫向掃描角度;β為縱向掃描角度。
3.2.1 獲取的三維數(shù)據(jù)精度高
三維激光掃描儀所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接來自目標(biāo)體表面,無須進(jìn)行任何的表面處理,完全是實(shí)物的逆向重建,由此建立的三維模型保證了掃描目標(biāo)的真實(shí)和逼真。
3.2.2 無需接觸目標(biāo)體
三維激光掃描技術(shù)不需要接觸目標(biāo)體,可以深入一些危險(xiǎn)、復(fù)雜的場(chǎng)景中,采用三維激光掃描儀直接掃描被測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)而重構(gòu)待測(cè)目標(biāo)的三維模型等數(shù)據(jù)。
3.2.3 應(yīng)用范圍廣泛
三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景豐富,不僅可應(yīng)用于傳統(tǒng)的地形地籍測(cè)繪,更可應(yīng)用于如建筑施工、地質(zhì)災(zāi)害防治、文保修復(fù)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等行業(yè)。
3.2.4 儀器架設(shè)自由度高
三維激光掃描儀架設(shè)相對(duì)傳統(tǒng)的全站儀來說,免去了對(duì)中的步驟,也就消除了對(duì)中誤差的影響。架站靈活,環(huán)境影響較小,三維激光掃描儀可隨意架站,避開不利影響。
三維激光掃描的作業(yè)流程,主要包括技術(shù)方案設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成果輸出4個(gè)方面。
3.3.1 技術(shù)方案設(shè)計(jì)
主要考慮隧道內(nèi)測(cè)站及標(biāo)靶布設(shè)的位置,有利于后期的配準(zhǔn)、拼接,減小拼接誤差。常規(guī)布點(diǎn)拼接方案為每站拼接,根據(jù)拖雷提出的一種多站全局的布點(diǎn)方法布設(shè)測(cè)站及標(biāo)靶(見圖1),該方法分為3站一個(gè)區(qū)間,測(cè)站1和測(cè)站3的點(diǎn)云只需一次拼接就可完成,比常規(guī)的拼接方法減少了一次,誤差也隨之減小。
圖1 全局布點(diǎn)方案
3.3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集
采用全站儀導(dǎo)線測(cè)量的方法,通過地上地下聯(lián)系測(cè)量,將絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)引入隧道內(nèi),以便于隧道軸線及洞門數(shù)據(jù)的成果分析。按照技術(shù)方案設(shè)計(jì)的測(cè)站及標(biāo)靶的位置擺放激光掃描儀和標(biāo)靶,設(shè)置掃描儀分辨率等參數(shù),獲得隧道及洞門等所需的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),同時(shí),獲得標(biāo)靶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
3.3.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
將外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件,利用現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)好的標(biāo)靶進(jìn)行拼接、配準(zhǔn)等,并進(jìn)行去噪、上色等技術(shù)處理,獲得完整的三維點(diǎn)云模型。
3.3.4 成果輸出
利用已處理好的隧道、洞門等三維點(diǎn)云模型,通過切片、擬合、提取等技術(shù)手段,獲得隧道的軸線三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、隧道管片的斷面數(shù)據(jù)及洞門中心的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)等,對(duì)生成的數(shù)據(jù)整理后形成成果報(bào)告。
本工程案例選取上海軌道交通某號(hào)線隧道進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該段隧道設(shè)計(jì)直徑為5.9m,實(shí)驗(yàn)期間隧道處于盾構(gòu)施工推進(jìn)階段。選用儀器設(shè)備為L(zhǎng)eica P40三維激光掃描儀和Leica TS50全站儀,軟件設(shè)備為L(zhǎng)eica Cyclone和加拿大Polyworks等。對(duì)三維掃描儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)和全站儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了外符合性對(duì)比測(cè)試。
選取某區(qū)間隧道下行線300~660環(huán)和某車站北洞門上下行進(jìn)行實(shí)驗(yàn),具體掃描參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 三維激光掃描儀參數(shù)設(shè)置
外業(yè)每站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)選取50m范圍,共計(jì)觀測(cè)8站,內(nèi)業(yè)采用Leica Cyclone軟件對(duì)隧道掃描數(shù)據(jù)的拼接(拼接精度為1mm)、去噪、上色,獲得完整的某區(qū)間下行線300~660環(huán)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維模型。
對(duì)隧道待測(cè)區(qū)域點(diǎn)云模型進(jìn)行定位,提取目標(biāo)數(shù)據(jù),通過加拿大Polyworks軟件進(jìn)行擬合分析,獲取隧道的軸線三維坐標(biāo)及橫、豎半徑信息。
將三維掃描擬合的軸線數(shù)據(jù)和斷面數(shù)據(jù)與全站儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,其外符合性精度如表2、表3所示。
表2 隧道軸線對(duì)比表
表3 隧道橫豎徑對(duì)比表
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),三維掃描方式和全站儀測(cè)量方式觀測(cè)的隧道軸線數(shù)據(jù)差值在±5mm以內(nèi);隧道橫豎經(jīng)的數(shù)據(jù)差值約為±3mm。完全滿足隧道推進(jìn)時(shí)軸線控制的精度要求。與傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量方式相比,三維掃描方法可以大幅提升隧道軸線及收斂的外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率,且可以提取任意斷面的掃描數(shù)據(jù)。
對(duì)外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、上色,獲得完整的洞門區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。
對(duì)洞門區(qū)域點(diǎn)云模型進(jìn)行分割(見圖2),提取目標(biāo)數(shù)據(jù)(見圖3),通過加拿大Polyworks軟件進(jìn)行擬合分析,獲取洞門圓心坐標(biāo)信息(見圖4)。
圖2 洞門細(xì)部數(shù)據(jù)
擬合后的洞門中心三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。
圖3 提取洞門環(huán)片點(diǎn)云數(shù)據(jù)
圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合
表4 洞門中心三維坐標(biāo)對(duì)比表
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),三維掃描方式擬合洞門坐標(biāo)數(shù)據(jù)和全站儀測(cè)量方式數(shù)據(jù)差值約為±4mm。數(shù)據(jù)精度滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞的要求。
從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看,三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用于地鐵軸線復(fù)測(cè),其精度完全滿足工作的需要,較常規(guī)的測(cè)量方法,三維激光掃描可以更加快速、精確提供隧道的軸線數(shù)據(jù)和管片的收斂姿態(tài),并且極大地節(jié)省人力物力的投入,可以在類似項(xiàng)目中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。