陶鈞，劉勝男

（1.常州市武進規(guī)劃勘測設計院，江蘇 常州 213159；2.江蘇城鄉(xiāng)建設職業(yè)學院，江蘇 常州 213147）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟飛速發(fā)展以及城市化腳步的加快，我國城市軌道交通也在迅猛發(fā)展。城市軌道交通具有運輸能力強、速度快、環(huán)保等優(yōu)點，能極大地滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求[1]。但是城市軌道交通絕大部分修建在地面以下（人們俗稱“地鐵”），軌道交通事故也頻繁發(fā)生，其安全性和穩(wěn)定性成為了社會普遍關注的新問題。城市軌道變形監(jiān)測作為保證其安全、穩(wěn)定運營的一項工作顯得十分重要[2]。

目前傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法主要運用GNSS、全站儀、水準儀等設備來監(jiān)測一些關鍵點位的變化，不僅需要多名專業(yè)人員的配合，而且變形分析均有“以點代面”的局限性，不能全面細致地反映變形的過程與趨勢。三維激光掃描技術能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測方法的弊端，節(jié)省大量人工和時間成本，利用激光及時、準確和清晰地展現(xiàn)在軌道交通的變形情況，提高軌道交通變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)管理能力及數(shù)據(jù)處理效率，為監(jiān)測單位、咨詢單位、業(yè)主單位等軌道交通建設者服務，加快城市軌道交通的數(shù)字化、智慧化建設的進程。

2 項目情況

2.1 測區(qū)情況

某軌道交通35km至36km的區(qū)間，已經(jīng)進入軌道安裝和設備調(diào)試階段，預計在2019年底進行試運行。地下軌道交通全部采用盾構方法進行施工，隧道內(nèi)徑設計值為7.700m，兩端為兩個地鐵站，便于測量。同時軌道交通施工方仍然用常規(guī)方法進行整體收斂監(jiān)測，其成果可用來與三維激光掃描的成果來進行比較。

2.2 監(jiān)測周期與方法

從2019年5月10日至2019年8月30日，每隔十天測量一次，共測12期數(shù)據(jù)。

2.3 監(jiān)測內(nèi)容

對全線軌道線路進行整體收斂監(jiān)測，測定隧道結(jié)構的各個方向的位置距離以及變化速度，進而分析主體結(jié)構的變形情況。

2.4 監(jiān)測預警值

隧道結(jié)構沉降預警值

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 控制網(wǎng)的建立

35km至36km的區(qū)間在施工建設階段已經(jīng)布設了10對（20個）CPⅢ控制點，并且保存完好，經(jīng)事前復測，精度滿足控制網(wǎng)的要求。為了保證獲取高質(zhì)量點云數(shù)據(jù)，在復測時又用靶標加密了11個控制點A0～A10，共同組成控制網(wǎng)。

圖1 測區(qū)控制網(wǎng)示意圖

3.2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置

為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，整個掃描過程采用天寶TX8的二檔掃描，30m處點間隔1mm?？刂泣c到掃描目標距離控制在60m以內(nèi)使用。

3.3 采集數(shù)據(jù)

架站靜態(tài)掃描時采用的方法是把靶標架設在控制點上，掃描儀任意架站，每相鄰的兩站有相同的3個靶球作為同名點，掃描結(jié)束后，利用RealWorks數(shù)據(jù)處理軟件，將控制點坐標加入到靶標中心上，采用空間坐標七參數(shù)轉(zhuǎn)換關系，將測站點坐標地理化。

架站式掃描外業(yè)觀測需用時2.5h，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理約8h。

4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)不同測量方式得到的測段點云數(shù)據(jù)中包括路過的行人、“飛點”噪聲以及其他不可預知的事物出現(xiàn)，為了避免影響后期數(shù)據(jù)處理效率和成果精度，對數(shù)據(jù)進行預處理。

①點云拼接與抽?。红o態(tài)掃描時單一測站掃描無法獲得完整的形態(tài)，因此需要多個測站來對其進行掃描，并將多測站的數(shù)據(jù)進行拼接。由于掃描的點云數(shù)據(jù)量巨大，為減輕后期數(shù)據(jù)處理，按3mm的間隔進行抽稀。

②點云地理化：利用CPⅢ控制點將整體點云進行坐標地理化，統(tǒng)一坐標系后可以與以往的監(jiān)測資料做比較。

③點云分割：由于只需對隧道本身進行分析，而無需周圍的多余點云，因此先刪除周圍多余數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)量，加快數(shù)據(jù)處理速度。

④點云去噪：對分割后剩下的監(jiān)測對象去除“飛點”等噪聲，以提高成果精度。

圖2 實驗測段整體點云圖

5 提取與分析

該測段中原有7個收斂監(jiān)測環(huán)（見圖3），建設方委托有資質(zhì)的測繪中介服務機構運用測量機器人，自隧道貫通后就開始進行收斂監(jiān)測，運用激光掃描技術，仍然對這7個監(jiān)測環(huán)進行收斂監(jiān)測分析，方便后續(xù)對比。

圖3 七個監(jiān)測環(huán)示意圖

利用隧道內(nèi)表面的點云數(shù)據(jù)，在每個環(huán)片的相同位置切斷面，通過最小二乘法擬合橢圓，獲取逐環(huán)管片水平收斂數(shù)據(jù)，計算通過圓心的長短半軸，利用公式計算得到每個環(huán)的橢圓度，將12期的水平直徑和橢圓度的變化，逐期做差計算后統(tǒng)計成圖4和圖5。測量結(jié)果顯示水平收斂值單次不超過5mm，累計也未達到70mm；橢圓度單次不超過0.002°，累計也未達到0.025°。同時段建設方委托有資質(zhì)的測繪中介服務機構，運用測量機器人進行觀測的結(jié)果（水平收斂值單次最大3.8mm，橢圓度單次最大0.0018°）與激光監(jiān)測結(jié)果基本一致。

圖4 七個監(jiān)測環(huán)12期水平直徑監(jiān)測成果圖

圖5 七個監(jiān)測環(huán)12期橢圓度監(jiān)測成果圖

6 結(jié)語

針對基于三維激光掃描的軌道交通整體收斂監(jiān)測技術，以某地鐵隧道項目為例，取得了預想的效果。

①基于三維激光掃描的變形監(jiān)測技術，可以用于隧道整體收斂監(jiān)測，還可以在限界監(jiān)測、錯臺監(jiān)測和病害識別等方面有良好的應用。

②通過數(shù)據(jù)證明三維激光掃描技術能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級的變形監(jiān)測，在效率、完整度、可復制性等方面具有優(yōu)越性。