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        移動三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道病害檢測中的應(yīng)用

        2021-05-11 08:15:16孟慶年張洪德王智胡玉祥尹相寶
        城市勘測 2021年2期
        關(guān)鍵詞:錯臺限界移動式

        孟慶年,張洪德,王智,胡玉祥,尹相寶

        (1.青島市勘察測繪研究院,山東 青島 266032; 2.青島市地下空間地理信息工程研究中心,山東 青島 266032;3.山東省海岸帶調(diào)查監(jiān)測工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 青島 266032)

        1 概 述

        地鐵工程作為“百年工程”需要運(yùn)行多年,但隨著使用時間的增長,地鐵隧道在所難免地會出現(xiàn)一些病害。常見的病害有滲漏水、裂縫、錯臺、侵界等,這些病害的存在會對地鐵隧道的使用壽命產(chǎn)生不好的影響[1,2]。因此,需要定期對隧道的病害進(jìn)行檢測,并進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)。

        對于裂縫、滲漏水、錯臺等大部分病害,常規(guī)的測量方法是人工巡檢,在隧道病害處附近做標(biāo)記,并對里程等情況進(jìn)行記錄。對于侵界等病害,通常采用全站儀進(jìn)行測量,并與車輛輪廓進(jìn)行對比。這些方法費(fèi)時費(fèi)力,且采集信息有限,不能很好地滿足使用需求。針對這些問題,使用自主研發(fā)的移動式三維激光掃描系統(tǒng)對隧道進(jìn)行掃描,并對掃描效果進(jìn)行分析。根據(jù)對實(shí)例的分析,移動式三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)Φ罔F隧道病害很好地進(jìn)行檢測。

        2 移動式三維激光掃描技術(shù)

        三維激光掃描技術(shù)又被稱為“實(shí)景復(fù)刻技術(shù)”,能夠很好地反映現(xiàn)場的實(shí)際情況,是繼GNSS技術(shù)之后,測繪領(lǐng)域的又一項(xiàng)技術(shù)革新。三維激光掃描儀具有非接觸式測量、掃描作業(yè)快、獲取信息量大、實(shí)時性強(qiáng)以及自動化程度高等特點(diǎn),非常適合進(jìn)行地鐵隧道病害檢測[3,4]。使用三維激光掃描儀可以對裂縫、滲漏水、漏泥、錯臺以及設(shè)備侵界等病害進(jìn)行檢測,還可以對隧道內(nèi)設(shè)備、管道位置進(jìn)行測量,測量內(nèi)容非常豐富,這是常規(guī)手段所達(dá)不到的。

        使用架站式三維激光掃描儀可以很好地獲取掃描區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù),但是由于需要逐站測量,測量效率依舊偏低。針對這種情況,采用一種自主研發(fā)的移動式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測量,通過軌道車與三維激光掃描儀之間的協(xié)同作業(yè),實(shí)現(xiàn)對地鐵隧道的掃描測量。相比于架站式三維激光掃描儀,移動式三維激光掃描系統(tǒng)的測量效率更高。根據(jù)對隧道掃描結(jié)果的分析,結(jié)合現(xiàn)場巡檢記錄,移動式三維激光掃描系統(tǒng)可以較好實(shí)現(xiàn)對隧道的病害檢測。

        2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

        針對架站式三維激光掃描儀測量效率不高的情況,采用一種自主研發(fā)的移動式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測量(如圖1所示)。通過整合Leica P40三維激光掃描儀、非接觸式里程計(jì)、軌距測量儀等多種傳感器,可以獲取高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)。通過人工設(shè)置速度,可以實(shí)現(xiàn)小車自動運(yùn)行,省時省力。

        圖1 移動式三維激光掃描系統(tǒng)現(xiàn)場作業(yè)

        2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

        使用移動式三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無法直接使用,通過將軌道車?yán)锍?、時間等信息與Leica P40三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,可以初步獲得無里程信息的數(shù)據(jù)。在生成的正射預(yù)覽圖上做里程標(biāo)注,并以此進(jìn)行里程校正。對于礦山法區(qū)間,標(biāo)注位置為明顯的、等距的接縫處。對于盾構(gòu)/TBM區(qū)間,標(biāo)注位置為KP塊左下角(如圖2所示)。進(jìn)行里程校正,即可以得到帶里程信息的正射影響數(shù)據(jù)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最終生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以里程為基準(zhǔn),從南至北排列,里程、環(huán)號遞增。

        圖2 盾構(gòu)/TBM區(qū)間正射影像數(shù)據(jù)里程校正

        3 病害分析

        3.1 隧道裂縫、滲漏水檢測

        裂縫和滲漏水地鐵隧道最常見的病害,是地鐵病害檢測的重要內(nèi)容。相比于常規(guī)的人工巡檢方法,三維激光掃描儀可以更加直觀準(zhǔn)確反映出裂縫、滲漏水的里程、長度等信息(如圖3所示)。為了提高內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的處理效率,外業(yè)掃描時可在裂縫和滲漏水點(diǎn)處做上標(biāo)記。

        圖3 三維激光掃描儀識別裂縫、滲漏水

        移動式三維激光掃描系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中是移動的,采集的效率更高,通過生成正射影像的方式進(jìn)行檢測。移動式三維激光掃描系統(tǒng)適合于對長距離隧道進(jìn)行掃描測量,能夠快速實(shí)現(xiàn)對隧道較大裂縫、滲漏水的檢測。

        3.2 錯臺檢測

        盾構(gòu)或TBM隧道通過管片進(jìn)行連接,由于受力不均勻,兩環(huán)片間就會發(fā)生錯臺(如圖4所示)。錯臺的存在會造成管片的破損以及滲漏水,會對隧道的結(jié)構(gòu)安全以及使用年限造成影響[5]。

        圖4 錯臺三維點(diǎn)云圖

        以里程標(biāo)注線為中心,向大、小里程方向截取斷面點(diǎn)云,即兩相鄰管片交接處點(diǎn)云切片。管片錯臺的計(jì)算步驟如下:

        (1)管片數(shù)據(jù)去噪

        在實(shí)際作業(yè)當(dāng)中,使用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往會包含一些噪聲數(shù)據(jù)(例如測量人員、管線、疏散通道等等),這些噪聲數(shù)據(jù)的存在會對錯臺計(jì)算、管片半徑計(jì)算等造成較大影響。根據(jù)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)特性,采用一種基于隨機(jī)抽樣一致性算法(RANSAC)的空間圓擬合方法(公式1、2)進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)剔除[6]。RANSAC算法通過使用少量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算出圓球參數(shù),使用剩余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過足夠次數(shù)的迭代運(yùn)算,計(jì)算得到準(zhǔn)確的圓球參數(shù)。

        設(shè)球面的方程為:

        (x-a0)2+(y-b0)2+(z-c0)2=R2

        (1)

        式中:a0、b0、c0—球心坐標(biāo);

        x、y、z—管片切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo);

        R—圓球半徑;

        設(shè)過球心空間平面的方程為:

        aa0+bb0+cc0=1

        (2)

        式中:a0、b0、c0—球心坐標(biāo);

        a、b、c—平面方程參數(shù);

        以式(2)為條件方程,使用附有條件的間接平差方法計(jì)算得到管片切片點(diǎn)云的中心坐標(biāo)以及半徑。計(jì)算管片切片點(diǎn)云數(shù)據(jù)與球心坐標(biāo)之間的距離,與球心半徑進(jìn)行對比,剔除較差較大的點(diǎn),即可完成噪聲點(diǎn)的剔除(如圖5所示)。

        圖5 管片切片點(diǎn)云噪聲點(diǎn)剔除

        (2)錯臺量計(jì)算

        對盾構(gòu)/TBM管片的KP塊左下角進(jìn)行標(biāo)注,根據(jù)盾構(gòu)管片的規(guī)格(如圖6所示),即可以推算得到相鄰環(huán)片間的交接位置以及同一環(huán)不同管片間的交接位置。以此作為依據(jù),即可以在點(diǎn)云上獲取相鄰管片間的點(diǎn)云切片。

        圖6 管片拼裝關(guān)系圖

        參考迭代最近點(diǎn)算法(ICP算法),以一份切片點(diǎn)云作為參考點(diǎn)云,另一份切片點(diǎn)云作為目標(biāo)點(diǎn)云,計(jì)算兩片點(diǎn)云之間點(diǎn)與點(diǎn)的最近距離,最終可以得到錯臺量的詳細(xì)情況,如表1、表2所示。

        同一環(huán)不同管片間錯臺量詳細(xì)報表 表1

        相鄰環(huán)片間錯臺量詳細(xì)報表 表2

        3.3 限界檢測

        地鐵隧道內(nèi)經(jīng)常會進(jìn)行各種施工,例如設(shè)備安裝等,部分施工存在著侵界的隱患。為了保證列車的安全通行,需要對區(qū)間隧道以及設(shè)備的限界進(jìn)行測量,對侵界隱患進(jìn)行排查。常規(guī)的測量方法是使用全站儀進(jìn)行測量,但是這種測量方法是基于“點(diǎn)”的,作業(yè)效率不高且容易漏測。針對這些問題,使用移動式三維激光掃描系統(tǒng)對隧道進(jìn)行限界檢測。

        首先,獲取地鐵列車的斷面設(shè)計(jì)圖,進(jìn)行離散化后獲得列車的設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)云,通過設(shè)置起止里程即可得到列車的限界輪廓模型[7](如圖7所示)。

        圖7 列車輪廓模型設(shè)計(jì)

        然后將實(shí)測點(diǎn)云數(shù)據(jù)與列車的限界輪廓模型進(jìn)行套合并展開,根據(jù)實(shí)測點(diǎn)云與列車的限界輪廓模型之間的距離設(shè)置色階,可以從顏色直接檢查整體侵界情況(如圖8(a)所示)。還可以對局部區(qū)域做切片,對具體侵界情況進(jìn)行分析(如圖8(b)所示)。

        圖8 限界分析圖

        4 實(shí)例分析

        4.1 實(shí)例一:獲取區(qū)間裂縫、滲漏水信息

        為獲取某區(qū)間隧道部分區(qū)域的滲漏水、裂縫情況,使用移動式三維激光掃描系統(tǒng)對區(qū)間隧道進(jìn)行掃描作業(yè)。使用移動式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè),設(shè)置速度為 0.5 m/s,外業(yè)耗時 20 min,共生成正射影像(如圖9所示)6幅。

        圖9 移動式三維激光掃描正射影像圖

        對里程進(jìn)行標(biāo)注校正后,對影像進(jìn)行調(diào)繪,可以實(shí)現(xiàn)對裂縫、滲漏水的識別(如圖10所示),共發(fā)現(xiàn)較大裂縫6處、滲漏水3處(如表3所示)。根據(jù)影像識別出的裂縫以及滲漏水,均能在現(xiàn)場指定里程位置處找到,準(zhǔn)確率高。

        圖10 裂縫、滲漏水識別

        裂縫、滲漏水尺寸表 表3

        4.2 實(shí)例二:獲取限界、管片錯臺信息

        為獲取某區(qū)間隧道的限界、管片錯臺情況,使用移動式三維激光掃描系統(tǒng)對某區(qū)間進(jìn)行掃描作業(yè)。對某盾構(gòu)區(qū)間使用移動式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測量,設(shè)置速度為 0.75 m/s,外業(yè)耗時 40 min,共生成正射影像(如圖11所示)14幅。對里程進(jìn)行標(biāo)注校正后,生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如圖12所示)。

        對生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與列車的限界輪廓模型進(jìn)行整體限界分析(展開圖如圖13所示),檢測區(qū)間共 848 m,無侵界情況發(fā)生。使用全站儀對區(qū)間限界進(jìn)行抽測,無侵界情況發(fā)生。

        圖12 移動式三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)覽圖

        圖13 移動式三維激光掃描整體限界分析展開圖

        對區(qū)間564環(huán)的錯臺情況進(jìn)行檢測,并生成詳細(xì)報表。對相鄰環(huán)片間錯臺量進(jìn)行計(jì)算(部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示),其中最大錯臺位于169-170環(huán),錯臺量為 15.3 mm,錯臺弧長 3.44 m。對同一環(huán)不同管片間錯臺量進(jìn)行計(jì)算(部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示),最大錯臺量位于374環(huán),錯臺量為 6.9 mm。

        相鄰環(huán)片間錯臺量匯總表 表4

        同一環(huán)不同管片間錯臺量匯總表 表5

        續(xù)表5

        根據(jù)對實(shí)例的應(yīng)用,移動式三維激光掃描系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確獲取隧道的錯臺以及侵界情況。

        5 結(jié) 論

        為了保障地鐵的安全運(yùn)行,需要定期對地鐵隧道的病害情況進(jìn)行檢測。目前常規(guī)的檢測手段存在效率低下、自動化程度低以及采集信息有限等問題。為了解決這些問題,引入三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地鐵隧道病害檢測。使用自主研發(fā)的移動三維激光掃描系統(tǒng)對地鐵隧道進(jìn)行掃描測量,通過對掃描數(shù)據(jù)的調(diào)繪處理,三維激光掃描技術(shù)能夠很好實(shí)現(xiàn)對隧道裂縫、滲漏水、錯臺以及設(shè)備侵界的檢測,同時還能對其他10余種病害進(jìn)行檢測,還能對隧道內(nèi)設(shè)備、管道的位置進(jìn)行測量。根據(jù)對實(shí)例的應(yīng)用分析,移動三維激光掃描系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對隧道的病害檢測。

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