周世明

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

目前,受施工環(huán)境的影響,隧道測(cè)量主要使用全站 儀進(jìn)行,測(cè)量人員需要在昏暗、密閉、潮濕的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間作業(yè),存在勞動(dòng)條件差、工作時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn),已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前鐵路工程建設(shè)要求,如何快速測(cè)繪隧道凈空斷面是測(cè)量工程師必須面對(duì)的問題。已有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究,楊赫提出基于CCD圖像采集和處理的高速鐵路隧道限界檢測(cè)方案[1];許學(xué)良等提出一種移動(dòng)三維激光掃描方案,并用于隧道變形監(jiān)測(cè)[2]。然而,對(duì)施工階段的隧道限界檢測(cè)及貫通誤差的調(diào)整研究相對(duì)較少,故進(jìn)一步開展該方面的技術(shù)方案研究很有必要。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描作為一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù),可實(shí)現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)的高密度、大面積采集,在隧道變形、邊坡檢測(cè)、高精度DTM構(gòu)建等工程領(lǐng)域都有成功應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部表面的全面、快速測(cè)量,并根據(jù)需要提取隧道凈空斷面[3],提出一種基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的隧道凈空斷面提取方法,并開發(fā)相應(yīng)軟件系統(tǒng),力求解決隧道凈空斷面的快速高精度測(cè)量問題。

基于三維激光掃描的鐵路凈空斷面測(cè)量包括設(shè)備選取、資料準(zhǔn)備、標(biāo)靶布設(shè)、掃描站點(diǎn)選擇、數(shù)據(jù)采集、測(cè)站數(shù)據(jù)拼接、點(diǎn)云配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)抽稀等步驟,根據(jù)需要提取指定斷面[4]。完成凈空斷面測(cè)量的兩個(gè)關(guān)鍵為如何獲取位置正確的拼接點(diǎn)云,以及如何從點(diǎn)云中快速準(zhǔn)確提取所需隧道凈空斷面。以下通過工程實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

改建鐵路重慶至貴陽(yáng)擴(kuò)能改造工程,設(shè)計(jì)目標(biāo)速度值為200km/h,區(qū)間設(shè)計(jì)線間距為4.4m。某鐵路雙線隧道全長(zhǎng)約4.7km,在施工貫通復(fù)測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)該隧道的貫通誤差為600mm左右,根據(jù)相關(guān)施工技術(shù)規(guī)程要求其允許誤差≤130mm,該隧道貫通誤差不滿足設(shè)計(jì)要求[5]。經(jīng)評(píng)估,需在貫通點(diǎn)附近200m范圍內(nèi)將對(duì)隧道的襯砌拆除重建。為避免隧道襯砌拆除或減少拆除重建長(zhǎng)度,需獲取該隧道的海量測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)及中線線位調(diào)整。根據(jù)測(cè)量方案,在進(jìn)行該隧道的檢測(cè)時(shí)需測(cè)量約900余個(gè)斷面,若采用常規(guī)全站儀進(jìn)行測(cè)量工作,需要近1個(gè)月才能完成測(cè)量任務(wù)。由于該項(xiàng)目處于全線鋪軌階段,工期短、施工干擾大,決定采用三維激光掃方法進(jìn)行該隧道凈空斷面測(cè)量工作。

2 準(zhǔn)備資料

2.1 設(shè)計(jì)資料

(1)在開展工作前,收集該隧道的既有測(cè)量控制網(wǎng)資料,包括控制點(diǎn)是否保留完好,控制網(wǎng)等級(jí)、平面坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)等。

(2)收集并熟悉隧道的設(shè)計(jì)施工圖資料,包括線路平面、縱斷面資料,隧道建筑限界和輪廓圖等。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),隧道限界采用KH-200建筑限界,其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面見圖1。

圖1 隧道設(shè)計(jì)輪廓線及建筑限界(單位:cm)

(3)以左線為設(shè)計(jì)依據(jù),對(duì)各特征點(diǎn)位對(duì)應(yīng)左線線路中心線的高差和偏距值進(jìn)行計(jì)算,確定隧道凈空斷面特征點(diǎn)相應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)[6],其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)限界高差及偏距見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)限界高差及偏距 mm

2.2 標(biāo)靶控制網(wǎng)

在開展掃描測(cè)量工作前,需在隧道內(nèi)布設(shè)若干標(biāo)靶,標(biāo)靶均布設(shè)于每站掃描范圍的兩端。

由于本項(xiàng)目隧道已經(jīng)施工進(jìn)入鋪軌階段,隧道中線兩側(cè)已建成CPⅢ軌道控制網(wǎng),在掃描測(cè)量時(shí)將CPⅢ軌道控制點(diǎn)作為標(biāo)靶點(diǎn),不再單獨(dú)設(shè)置其他的標(biāo)靶點(diǎn)。

3 獲取精確點(diǎn)云

3.1 儀器選擇

主要考慮測(cè)距范圍、測(cè)距精度、激光發(fā)射頻率、角度分辨率及抗干擾能力等參數(shù),以及儀器配套軟件的易用程度等。

3.2 外業(yè)測(cè)量

(1)標(biāo)靶布設(shè)

利用隧道既有的CPⅢ測(cè)量控制網(wǎng),將測(cè)量標(biāo)靶占標(biāo)置于CPⅢ控制點(diǎn)上,在掃描測(cè)量及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)保證CPⅢ控制點(diǎn)的分布滿足測(cè)量和拼接要求。

(2)掃描站點(diǎn)選擇

為保障相鄰測(cè)站數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,兩個(gè)測(cè)站間需保證至少有2個(gè)公共標(biāo)靶,且標(biāo)靶置于已有控制點(diǎn)上,并盡量以少測(cè)站數(shù)覆蓋掃描區(qū)域。

在確定掃描站點(diǎn)間距時(shí),首先,考慮陰暗的作業(yè)環(huán)境,設(shè)定儀器對(duì)8%反射率物體的測(cè)量距離為上限,再根據(jù)掃描儀高度、隧道凈空斷面以及隧道中線曲線半徑,確定掃描光束不被遮擋的距離,再取兩者下限;其次,考慮控制點(diǎn)布設(shè)情況,如果控制點(diǎn)不滿足要求,則考慮加密控制點(diǎn)[7]。

(3)數(shù)據(jù)采集

標(biāo)靶掃描時(shí),將三維激光掃描儀架設(shè)在預(yù)定位置后,首先,對(duì)測(cè)站前后的兩對(duì)標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行掃描,以確定標(biāo)靶在該測(cè)站坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置[8];標(biāo)靶掃描完成之后,再開始對(duì)整個(gè)隧道掃描,掃描儀器的分辨率為6mm。

(4)注意事項(xiàng)

實(shí)際工作場(chǎng)景中,會(huì)出現(xiàn)一些特殊情況影響數(shù)據(jù)采集效果,應(yīng)針對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行分析,并進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量,以免影響數(shù)據(jù)的正確性和準(zhǔn)確度。如隧道兩側(cè)堆放有水泥蓋板等雜物,影響采集斷面的形狀;隧道中心水溝被道砟所覆蓋,隧道凈空斷面不能反映中心水溝位置;接觸網(wǎng)桿在隧道凈空斷面中未能顯示等。

3.3 數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

(1)相鄰測(cè)站數(shù)據(jù)拼接

三維激光掃描儀工作時(shí),各個(gè)測(cè)站分別建立相對(duì)獨(dú)立的三維坐標(biāo)系統(tǒng)(SOCS),由于這些數(shù)據(jù)是離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù),在多個(gè)測(cè)站的三維掃描測(cè)量中,對(duì)不同測(cè)站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,并通過旋轉(zhuǎn)及平移矩陣參數(shù)使相鄰測(cè)站數(shù)據(jù)拼接并使所有數(shù)據(jù)融入在統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中[9]。

完成拼接后,對(duì)拼接精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,查看每個(gè)標(biāo)靶的三維坐標(biāo)值殘差,并統(tǒng)計(jì)殘差的最大、最小值,計(jì)算平面誤差、高程誤差的中誤差,據(jù)此判定掃描及拼接精度是否滿足隧道凈空斷面測(cè)量的精度要求,多測(cè)站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成果見圖2。

圖2 多測(cè)站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成果

(2)點(diǎn)云配準(zhǔn)

在三維掃描測(cè)量中,存在儀器設(shè)備系統(tǒng)誤差、周圍環(huán)境條件(如粉塵)、測(cè)站點(diǎn)平面高程精度等因素的影響,將產(chǎn)生一定的掃描測(cè)量誤差,多測(cè)站數(shù)據(jù)拼接后,相鄰標(biāo)靶拼接的兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)有一定的誤差,搭接公共部分必然會(huì)存在一定的偏差。此時(shí),在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí),需要對(duì)各測(cè)站掃描數(shù)據(jù)拼接和相鄰兩測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云精確配準(zhǔn)。

(3)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后,由于其坐標(biāo)系統(tǒng)是獨(dú)立的自由坐標(biāo)系統(tǒng),而不是大地坐標(biāo)系或獨(dú)立工程坐標(biāo)系,故需將掃描儀器自帶的掃描坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目所需要的獨(dú)立工程坐標(biāo)系,才能在實(shí)際工程中應(yīng)用。由于標(biāo)靶直接安置于控制點(diǎn)上,標(biāo)靶中心坐標(biāo)是隧道所處獨(dú)立工程坐標(biāo)系的坐標(biāo),根據(jù)標(biāo)靶自由坐標(biāo)與獨(dú)立工程坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)關(guān)系,可推導(dǎo)出自由坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至獨(dú)立工程坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù),利用所得參數(shù),即可三維掃描坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成項(xiàng)目獨(dú)立工程坐標(biāo)系統(tǒng)[10]。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí),導(dǎo)入控制點(diǎn),進(jìn)行多測(cè)站平差計(jì)算,計(jì)算完成后應(yīng)先進(jìn)行坐標(biāo)精度分析,計(jì)算各標(biāo)靶的坐標(biāo)殘差,統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面中誤差、高程中誤差,再分析其是否滿足凈空斷面測(cè)量的精度要求。

(4)三維掃描數(shù)據(jù)抽稀與輸出

對(duì)不同測(cè)站掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換完成后,形成的數(shù)據(jù)量非常巨大,點(diǎn)的密度高,在進(jìn)行工程數(shù)據(jù)提取時(shí)若數(shù)據(jù)量太大,算計(jì)處理速度慢、效率低,在實(shí)際工作中點(diǎn)間距離滿足需要即可。因此,在保證工程精度的要求下對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理,最后將抽稀的數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行斷面采集工作。在本項(xiàng)目中,進(jìn)行了多種點(diǎn)云的點(diǎn)間距離抽稀的測(cè)試,經(jīng)統(tǒng)計(jì),按照每5cm的間距抽稀,即可滿足測(cè)量要求[11]。

4 凈空斷面自動(dòng)快速提取

商用三維激光掃描儀配套通用軟件一般包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、拼接、分割、去噪、測(cè)量、建模、模型編輯、動(dòng)畫創(chuàng)作、等高線繪制等基本功能,但并不能滿足鐵路隧道凈空斷面的快速準(zhǔn)確測(cè)量、快速質(zhì)量評(píng)價(jià)的需要,項(xiàng)目開展前,組織技術(shù)人員進(jìn)行算法研究,單獨(dú)開發(fā)相應(yīng)的處理模塊。大體流程為:首先,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行重組,以便快速檢索;然后,根據(jù)隧道中線獲得待提取斷面,利用該斷面方程對(duì)附近的點(diǎn)云切片;最后,對(duì)切片點(diǎn)云進(jìn)行按方位分塊,構(gòu)建TIN,在內(nèi)插得到斷面線等。由此開發(fā)出“隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及斷面提取軟件”。下面給出該軟件實(shí)現(xiàn)斷面提取的過程。

(1)數(shù)據(jù)分塊

盡管已經(jīng)對(duì)隧道三維掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理,但數(shù)據(jù)量仍然比較大,該軟件仍然無法直接進(jìn)行斷面采集工作,因此,須使用該軟件根據(jù)設(shè)計(jì)線位再將其按照1m間距進(jìn)行分塊處理。

(2)斷面數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊完成后,便可進(jìn)行隧道凈空斷面的采集工作。數(shù)據(jù)采集時(shí),完成點(diǎn)云切片、TIN構(gòu)建、臨近點(diǎn)選擇的相關(guān)設(shè)置后,根據(jù)需要導(dǎo)入需要提取的斷面里程,或自行輸入斷面里程,即可完成相應(yīng)里程的斷面提取[12],隧道凈空斷面軟件采集界面如圖3所示。

圖3 隧道凈空斷面采集界面

隧道凈空斷面采集時(shí),以隧道參考設(shè)計(jì)左線中心線為依據(jù),并在斷面圖上標(biāo)出斷面里程、中心線位置和軌面高程。根據(jù)隧道凈空斷面表,貫通點(diǎn)處的橫向貫通誤差達(dá)628mm,超限值達(dá)到約500mm,通過對(duì)該隧道的三維掃描測(cè)量,對(duì)貫通點(diǎn)隧道凈空斷面數(shù)據(jù)提取分析,貫通誤差與實(shí)測(cè)值相吻合。

(3)隧道凈空斷面記錄表生成

采用 “隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及斷面提取軟件”實(shí)現(xiàn)了“隧道凈空斷面記錄表自動(dòng)生成”功能。并根據(jù)設(shè)計(jì)斷面輪廓尺寸數(shù)據(jù)以及與設(shè)計(jì)軌面高差、左線設(shè)計(jì)偏距、右線設(shè)計(jì)偏距等,布設(shè)測(cè)點(diǎn)斷面,自動(dòng)生成隧道凈空斷面限界,隧道凈空斷面特征點(diǎn)記錄見表2。

表2 隧道凈空斷面特征點(diǎn)測(cè)量記錄

(4)建立鐵路隧道三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)

在運(yùn)營(yíng)中,三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)可以作為信息化管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),用于指導(dǎo)該隧道的變形監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)等工作[13]。

5 隧道凈空斷面數(shù)據(jù)應(yīng)用

在該隧道段,曲線位于隧道中部,其曲線要素為:αy=32°26′,R=9000m,l0=70m;根據(jù)鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,該隧道中線調(diào)整后,其曲線要素變更為:αy=32°26′,R=9003.5m,l0=70m,進(jìn)一步檢查隧道凈空限界滿足鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求。通過隧道中線調(diào)整,消除了貫通誤差[14-15]。線路平面調(diào)線示意見圖4。

圖4 線路平面調(diào)線示意

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道凈空斷面測(cè)量及數(shù)據(jù)處理,中線調(diào)整工作,未引起對(duì)隧道襯砌的二次施工,確保了線路順利開通運(yùn)營(yíng)。

6 結(jié)論

(1)經(jīng)測(cè)算,若采用傳統(tǒng)測(cè)量方法,需要近1個(gè)月才能完成隧道測(cè)量及中線調(diào)整工作,而采用三維激光掃描技術(shù),僅用了十余天即完成了斷面數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、隧道中線調(diào)整設(shè)計(jì)等工作,故采用三維激光掃描的方法,能有效提高工作效率。

(2)隨著鐵路信息化工作的不斷推進(jìn),鐵路隧道BIM應(yīng)用的不斷普及,通過三維激光掃描獲取的隧道高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立鐵路隧道三維模型數(shù)據(jù)庫(kù),可應(yīng)用于鐵路隧道運(yùn)營(yíng)階段的隧道變形監(jiān)測(cè),提高鐵路隧道信息化管理水平。