虞偉家,王 勇

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，江蘇 蘇州 215000；2.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

地下軌道交通是解決各大城市交通阻塞的重要手段，隨著我國城市化進(jìn)程不斷發(fā)展，我國的軌道交通事業(yè)也得到廣泛發(fā)展。目前我國的軌道交通建設(shè)主要以盾構(gòu)法為主。該方法具有掘進(jìn)速度快，自動化程度高，同時對地面交通及設(shè)施影響較小等優(yōu)點，在地鐵建設(shè)中得到廣泛使用[1-3]。軌道交通運(yùn)營過程中，由于隧道周邊地質(zhì)條件的改變及人類活動的影響，造成盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，隧道內(nèi)部出現(xiàn)收斂變形、漏水等病害。為了保障軌道交通的安全運(yùn)營，必須按照一定技術(shù)要求對盾構(gòu)隧道進(jìn)行安全監(jiān)測。傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道的安全監(jiān)測主要以全站儀、水準(zhǔn)儀和收斂儀等監(jiān)測設(shè)備和手段進(jìn)行監(jiān)測，存在監(jiān)測過程復(fù)雜、周期長，需要大量人員設(shè)備等缺點[4-5]。移動三維激光掃描是一種新型測量技術(shù)，該技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快，操作簡單，安全度高、監(jiān)測成果豐富等優(yōu)點[6]。本文主要分析移動三維激光掃描技術(shù)及其在盾構(gòu)隧道監(jiān)測中的工作原理，并結(jié)合工程項目應(yīng)用說明該方法在盾構(gòu)隧道監(jiān)測中應(yīng)用的優(yōu)越性。

1 移動三維激光掃描技術(shù)

移動三維激光掃描技術(shù)是激光掃描技術(shù)、實時定位技術(shù)、姿態(tài)測量技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等的集成。它可以利用激光測量技術(shù)快速獲取精確、高分辨率的空間三維坐標(biāo)[7-8]。與傳統(tǒng)固定式三維激光掃描方式不同，軌道移動三維激光掃描是將二維(2D)掃描儀與移動平臺相結(jié)合，移動平臺沿軌道方向平穩(wěn)前進(jìn)，掃描儀自動地對其行駛方向的垂直面(縱截面)進(jìn)行二維(2D)掃描,移動方向作為空間的第三維度,進(jìn)而實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)信息的三維掃描(見圖1)。移動平臺上安裝計程傳感器和姿態(tài)傳感器等設(shè)備獲取平臺的位移和姿態(tài)信息，移動三維激光掃描的核心就是各種傳感器數(shù)據(jù)與掃描儀數(shù)據(jù)的同步集成和數(shù)據(jù)融合，該技術(shù)成為同步控制系統(tǒng)。

移動三維激光掃描系統(tǒng)融合距離傳感器、姿態(tài)傳感器、傾斜傳感器、微型計算機(jī)和線性掃描儀等，通過高精度同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)同步控制與融合[9-10]。同步控制系統(tǒng)(見圖2)是移動測量系統(tǒng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)的同時，可協(xié)調(diào)、指揮和控制著所有車載傳感器、數(shù)據(jù)采集板卡及計算機(jī)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合集成處理[11]。

圖1 移動三維激光掃描示意圖

圖2 同步控制系統(tǒng)原理

移動三維激光掃描系統(tǒng)通過在軌道上勻速推行掃描的方式，快速獲取大量隧道結(jié)構(gòu)點云數(shù)據(jù)，利用高密度三維點云數(shù)據(jù)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)而對隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)指標(biāo)(收斂、錯臺、滲漏水等)進(jìn)行監(jiān)測分析。該方法不僅監(jiān)測速度快、成果豐富，而且施工作業(yè)簡單，人員需求少，降低監(jiān)測施工的安全隱患。

2 盾構(gòu)隧道監(jiān)測處理與分析

盾構(gòu)隧道施工是利用盾構(gòu)機(jī)刀盤向前掘進(jìn)，掘進(jìn)一定距離后將預(yù)制的盾構(gòu)管片根據(jù)一定的順序進(jìn)行拼裝，一般采用錯縫拼裝[12]。拼裝完畢的管片在運(yùn)營工程中隨著周圍條件的改變，幾何形狀及防水質(zhì)量往往發(fā)生改變。如何利用移動三維激光獲取的高密度點云數(shù)據(jù)對管片的變化及病害信息進(jìn)行分析是隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測的關(guān)鍵。本文主要對盾構(gòu)管片的水平收斂、錯臺及滲漏水三種病害進(jìn)行處理分析。

1)水平收斂處理分析。隧道盾構(gòu)環(huán)片受外力變化，圓形的隧道盾構(gòu)環(huán)片往往在水平方向(0°和180°)，以及頂部垂直(90°)方向,變化較為明顯[13-14]。根據(jù)盾構(gòu)管片的剛性特征，本文利用海量點云恢復(fù)管片的結(jié)構(gòu)，并在環(huán)片中間位置的兩側(cè)5 cm處各取寬度為1 cm的點云擬合隧道內(nèi)壁橫截面點云，獲取管片的水平直徑距離(見圖3)。

2)錯臺分析。環(huán)片由于受拼裝工藝和地鐵環(huán)境影響，相鄰環(huán)片之間存在一定錯位變形[15]。點云處理系統(tǒng)根據(jù)識別的環(huán)片接縫在接縫兩邊各取左右環(huán)片一定寬度的點云信息，利用相鄰兩環(huán)片的斷面圖，以軌道中心為基準(zhǔn)相互疊加得到兩環(huán)片相對位置變化情況，從而得到沿軌道方向的錯臺變化(見圖4)。

圖3 水平收斂示分析示意圖

圖4 管片錯臺分析示意圖

3)滲漏水分析。滲漏水是由于管片本身或拼接縫受地下水侵蝕影響，在長期運(yùn)營過程中產(chǎn)生滲漏[16]。利用獲取的點云數(shù)據(jù)提取隧道管片中滲漏水的信息，由于移動三維激光測量系統(tǒng)每秒可獲取200萬點云，本文利用高密度點云生成分辨率優(yōu)于3 mm隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)正射影像圖，然后采用自動識別技術(shù)在高分辨率影像圖中自動識別管片滲漏水的位置和面積(見圖5)。

圖5 管片滲漏水分析

3 工程項目應(yīng)用

本文以我國某城市隧道監(jiān)測項目為例，通過工程項目實際應(yīng)用說明該方法較傳統(tǒng)監(jiān)測方法具有巨大優(yōu)勢。

項目區(qū)間為某地鐵項目穿長江區(qū)間，該區(qū)間雙線長3 km，左線有1 991個管片，右線有1 996個管片。穿江區(qū)間埋深較深，管片周邊環(huán)境較為復(fù)雜，一旦發(fā)生安全事故將給國家和人民帶來巨大的損害，因此必須對該區(qū)間進(jìn)行長期結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測。本項目采用移動三維激光掃描技術(shù)在不影響列車正常運(yùn)營的情況下，投入3名作業(yè)員利用一個作業(yè)天窗點完成整個區(qū)間3 987環(huán)數(shù)據(jù)采集作業(yè)。耗時4.5 h完成內(nèi)業(yè)處理與核驗。監(jiān)測結(jié)果左線收斂在超過50 mm的環(huán)片62 個；右線收斂在50 mm的環(huán)片31 個。區(qū)間左線滲漏水有19處，右線滲漏水19處，滲漏水位置及面積以表格形式進(jìn)行輸出；左線大于20 mm的錯臺32處，右線大于20 mm的錯臺有14處，同時以報表和CAD圖紙文件輸出對應(yīng)錯臺信息。

該項目區(qū)間過去采用傳統(tǒng)監(jiān)測手段完成此3項監(jiān)測需要10～15人采用不同的監(jiān)測設(shè)備多次上道測量才能完成，作業(yè)效率與安全性遠(yuǎn)低于本文移動三維激光監(jiān)測方法。將傳統(tǒng)監(jiān)測方法與移動三維激光掃描進(jìn)行綜合對比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測效率對比(單線6 km監(jiān)測區(qū)間)

由表1可知，本文移動三維激光掃描具有監(jiān)測效率高、人工作業(yè)少、成果類型豐富，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法。

4 結(jié) 語

本文介紹了移動三維激光掃描技術(shù)的工作原理，分析了移動三維激光掃描對盾構(gòu)隧道監(jiān)測中收斂、錯臺及滲漏水的監(jiān)測方法。最后通過工程項目監(jiān)測應(yīng)用分析了移動三維激光掃描技術(shù)在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的巨大優(yōu)勢。結(jié)果表明，移動三維激光監(jiān)測技術(shù)作業(yè)效率高、施工簡單、監(jiān)測成果豐富，符合我國軌道交通的飛速發(fā)展和日益增多的隧道監(jiān)測需求。