關(guān)為民
(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)
在工程施工測(cè)繪領(lǐng)域,三維激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。該技術(shù)是通過掃描采集點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)處理分析后獲取高精度、高分辨率的數(shù)字模型,進(jìn)而利用生成的成果進(jìn)行后續(xù)工作的綜合技術(shù),是快速創(chuàng)建三維影像模型的全新技術(shù)手段,使工程施工大數(shù)據(jù)應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
某高速鐵路項(xiàng)目含長(zhǎng)度超過10 km的隧道兩座,沿線地形地貌多變,工程地質(zhì)和水文條件復(fù)雜。為提升施工管控效率,保障和提高施工質(zhì)量,在隧道施工中使用三維激光掃描技術(shù),用于隧道開挖、初期支護(hù)及二次襯砌的斷面檢測(cè)及收斂監(jiān)測(cè)。
(1)隧道超欠挖檢測(cè)分析;(2)噴錨層平整度檢測(cè)分析;(3)斷面收斂監(jiān)測(cè)分析;(4)隧道模型構(gòu)建應(yīng)用。
(1)硬件配置:能輸出*.pts/ptx格式數(shù)據(jù)的三維激光掃描儀;電腦(配置4G獨(dú)顯、16G/32G內(nèi)存);平板電腦(內(nèi)存16G以上)。
(2)軟件配置:電腦端和云平臺(tái)軟件。
采用激光測(cè)距原理,快速獲取待測(cè)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x,y,z)、反射率等信息,由大量點(diǎn)信息形成三維效果模型[1]。通過發(fā)射激光脈沖,同時(shí)接收反射信號(hào),測(cè)量斜距S、垂直角α和水平角β,計(jì)算可得掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)(見圖1),計(jì)算公式:
圖1 掃描點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理
式中:S為掃描儀激光中心點(diǎn)到掃描點(diǎn)的斜距;α為豎直角;β為水平角。
激光掃描測(cè)量分為三個(gè)階段:外業(yè)(掃描測(cè)量)、內(nèi)業(yè)(數(shù)據(jù)處理)、檢測(cè)成果輸出。
三維激光掃描操作流程見圖2。
圖2 三維激光掃描操作工藝流程
4.2.1 外業(yè)操作
激光掃描儀布置在中心軸線附近,在掃描儀前0.6~5 m內(nèi)呈不規(guī)則三角形擺設(shè)3個(gè)球棱鏡,放置于寬敞通視處,且每個(gè)球棱鏡間距離不大于5 m,并保持棱鏡面朝向全站儀,反光面朝向掃描儀,見圖3。球棱鏡架設(shè)完成后用全站儀測(cè)量棱鏡坐標(biāo)(此時(shí)棱鏡常數(shù)和棱鏡桿高度均調(diào)為零),保持球棱鏡不動(dòng)直至掃描完畢。測(cè)站間距小于30 m。
圖3 掃描儀測(cè)量布置
現(xiàn)場(chǎng)要保證掃描范圍內(nèi)無干擾物,并嚴(yán)禁車輛和行人通過,避免影響掃描范圍和精度。同時(shí)為減少全站儀因素造成的系統(tǒng)誤差,數(shù)據(jù)采集過程使用同一臺(tái)全站儀,由同一組測(cè)量人員完成操作,過程中確保全站儀的穩(wěn)定性。
4.2.2 內(nèi)業(yè)處理
(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接
通過計(jì)算坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù),采取平移或旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的方式,將現(xiàn)場(chǎng)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一拼接到一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)[2]。
拼接方法:一是基于標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行拼接;二是基于計(jì)算標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)間的拼接參數(shù)進(jìn)行拼接;三是基于點(diǎn)信息、幾何特征信息、動(dòng)態(tài)和影像拼接算法綜合處理后進(jìn)行拼接[3]。
現(xiàn)場(chǎng)基于標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)采用掃描儀配套專用軟件完成數(shù)據(jù)拼接。首先輸入設(shè)計(jì)線路及斷面參數(shù),導(dǎo)入掃描儀測(cè)量的數(shù)據(jù),進(jìn)行靶球提取后輸入靶球坐標(biāo),完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換;然后,計(jì)算線路坐標(biāo),進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接,裁掉多余斷面數(shù)據(jù)。
(2)成果數(shù)據(jù)處理
整體侵限分析后,根據(jù)實(shí)測(cè)超欠挖情況進(jìn)行斷面去噪處理,去除隧道整體輪廓多余部分,保留合格數(shù)據(jù),形成隧道整體輪廓并導(dǎo)出數(shù)據(jù)成果[4],見圖4。
圖4 隧道整體輪廓分析成果
數(shù)據(jù)處理完成后,可輸出三維效果圖及各類檢測(cè)結(jié)果報(bào)告、報(bào)表,直觀地反映隧道超欠挖、平整度及斷面侵限、收斂等情況。
超欠挖分析三維效果圖可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開挖的綜合評(píng)價(jià),用冷暖色對(duì)超欠挖情況進(jìn)行立體展示,暖色代表欠挖,冷色代表超挖[5],見圖5。
圖5 超欠挖分析三維效果及展開圖
沿線路法線方向生成的隧道斷面超欠挖分析報(bào)表,最小斷面間距可達(dá)0.01 m,能顯示斷面詳細(xì)信息,見圖6。通過自動(dòng)搜索功能準(zhǔn)確定位欠挖部位,便于現(xiàn)場(chǎng)精確處理??筛鶕?jù)隧道斷面信息,適當(dāng)調(diào)整施工方法、工藝及預(yù)留沉降量等,做到動(dòng)態(tài)控制[6]。
圖6 系統(tǒng)生成的單斷面超欠挖分析報(bào)表截圖
在快速識(shí)別超欠挖的同時(shí),可用于計(jì)算初支、二襯混凝土用量,有利于材料超耗原因分析。
4.3.2 平整度檢測(cè)
高速鐵路對(duì)初支平整度要求較高,掃描成果可將整條隧道表面影像圖展開,用不同顏色直觀展現(xiàn)隧道表面平整度[7],見圖7。黃色區(qū)域的平整度指數(shù)大于0.1(相當(dāng)于采用1 m靠尺測(cè)量隧道表面所得到的最大凹凸不平度超過10 cm),桔紅色到紅色區(qū)域平整度指數(shù)為0.2~0.3。據(jù)此可知:整個(gè)區(qū)間段的邊墻底部平整度較差。
圖7 隧道初支平整度影像
4.3.3 斷面檢測(cè)(侵限控制、收斂監(jiān)測(cè))
初支侵限控制:拱頂下沉和圍巖收斂穩(wěn)定后,及時(shí)進(jìn)行初支斷面掃描測(cè)量。應(yīng)用其完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型,繪制橫縱斷面圖,檢驗(yàn)隧道初支斷面凈空[8]。
斷面收斂監(jiān)測(cè):將掃描儀置于同一測(cè)站進(jìn)行多次掃描,通過在同一里程分別截取掃描斷面,以首次掃描斷面作為理論斷面,對(duì)比斷面間的投影距離,從而確定斷面收斂數(shù)據(jù),見圖8。分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知,在同一個(gè)測(cè)站上設(shè)站,監(jiān)測(cè)同一個(gè)斷面的精度基本在1~2 mm之間。個(gè)別位置會(huì)存在較大誤差,究其原因:(1)因兩次掃描點(diǎn)位置隨機(jī),不可能完全一致;(2)掃描過程產(chǎn)生噪點(diǎn),數(shù)據(jù)采集有輕微擾動(dòng)影響[9];(3)隧道平整度指數(shù)較大,點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀疏。
圖8 斷面收斂分析成果
為了排除誤差,可將分析斷面設(shè)在通風(fēng)管之上,分析其線性平均誤差。
選擇閥桿密封面與閥體底面的距離作為目標(biāo)參數(shù),目標(biāo)參數(shù)在隨履帶運(yùn)動(dòng)時(shí)在不同時(shí)間位置對(duì)應(yīng)的數(shù)值如圖6所示。
線性平均誤差=(超挖面積+欠挖面積)/多段線長(zhǎng)度。
對(duì)于隧道圍巖表面起伏不嚴(yán)重的部位(平整度指數(shù)小于0.2),斷面監(jiān)測(cè)精度誤差可優(yōu)于2 mm,滿足精度要求。為進(jìn)一步提高精度,可將待測(cè)面劃分為若干小區(qū),分塊采集高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[9],其精度優(yōu)于全站儀法、收斂計(jì)法等測(cè)量手段,但數(shù)據(jù)量極大,對(duì)設(shè)備性能要求很高,建議局部重點(diǎn)部位監(jiān)測(cè)可以考慮采用。
三維激光掃描技術(shù)可適應(yīng)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,為保障測(cè)量精度,通過多組掃描成果與全站儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分析具體應(yīng)用條件下誤差產(chǎn)生原因,并據(jù)之進(jìn)一步完善實(shí)施方案[10]。
選取具有代表性的初期支護(hù)段落20 m作為試驗(yàn)段,選取特征斷面3個(gè),間距5 m,另設(shè)置特征標(biāo)靶點(diǎn)4個(gè),間距5 m,對(duì)稱貼于待測(cè)段表面。
為對(duì)比分析掃描精度的影響因素,在不同測(cè)量條件下對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行3組掃描,其中第一組測(cè)量時(shí)空氣質(zhì)量較好,測(cè)量條件最好,第二組空氣質(zhì)量一般,第三組空氣質(zhì)量較差;后視標(biāo)靶球數(shù)量第一組4個(gè),第二、三組2個(gè)。
測(cè)量步驟:全站儀測(cè)量特征標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)及特征斷面→全站儀測(cè)量標(biāo)靶球坐標(biāo)→三維激光掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)量→全站儀復(fù)核測(cè)量。
針對(duì)4個(gè)標(biāo)靶點(diǎn),同時(shí)掃描測(cè)量三組數(shù)據(jù),因篇幅原因僅列舉2個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比(以全站儀測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)),見表1。
表1 標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比
對(duì)比最大偏差值,第一組為5 mm,第二組為17 mm,第三組為26 mm。從數(shù)據(jù)對(duì)比分析看,第一組測(cè)量數(shù)據(jù)精確度最高。
因斷面有效測(cè)點(diǎn)數(shù)較多,3個(gè)特征斷面對(duì)比數(shù)據(jù)量較大,僅列舉掃描斷面極大值、極小值和平均值。以全站儀測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,見表2。
表2 斷面測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比
由表2數(shù)據(jù)可知,第一組掃描數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)最為接近,精度最高。
通過數(shù)據(jù)對(duì)比,第一組測(cè)量后視約束點(diǎn)位多、測(cè)量條件好,測(cè)量精度最高,滿足規(guī)范及施工要求。導(dǎo)致誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面:
(1)掃描儀自身精度誤差,尤其是標(biāo)靶球的定位精度誤差,會(huì)導(dǎo)致球棱鏡球面沒有完全對(duì)準(zhǔn)掃描儀,從而導(dǎo)致坐標(biāo)擬合的球心偏移產(chǎn)生誤差,屬于后視誤差,在掃描測(cè)量時(shí)會(huì)被放大。
(2)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要經(jīng)全站儀測(cè)量的坐標(biāo)傳遞,存在兩個(gè)誤差源:一是受全站儀誤差影響,二是受測(cè)量誤差影響,尤其是測(cè)量中多為臨時(shí)控制點(diǎn)的原因[11]。
(3)外界環(huán)境因素引起的誤差,包括空氣環(huán)境、施工作業(yè)環(huán)境影響等,如空氣可見度、空氣中粒子含量等因素的影響及施工產(chǎn)生的振動(dòng)等外界因素影響。當(dāng)外界環(huán)境比較惡劣時(shí)對(duì)掃描測(cè)量精度影響較大[12]。
(4)分析軟件計(jì)算方法的差異產(chǎn)生的誤差(在對(duì)比試驗(yàn)中選用2套內(nèi)業(yè)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比),配套的軟件與硬件能有效減少誤差。
在現(xiàn)有技術(shù)條件下,為提升測(cè)量精度,可采取以下措施:
(1)限定掃描段落長(zhǎng)度,一般控制在20~30 m范圍,并定期采用常規(guī)方法對(duì)三維激光掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量。
(2)做好三維激光掃描儀不定期檢查和定期檢測(cè);選用高精度全站儀,減少全站儀測(cè)量中誤差傳遞;適當(dāng)增加后視標(biāo)靶球數(shù)量,不少于3個(gè),提高后視精度[12];內(nèi)業(yè)處理選用掃描儀配套軟件。
(3)重視外部環(huán)境(空氣質(zhì)量、溫度、濕度等)對(duì)測(cè)量精度的影響,并進(jìn)行有效控制,避開施工高峰期等極端條件下的掃描作業(yè)。
(4)強(qiáng)化操作管理,測(cè)量人員要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)積累,固定專人測(cè)量,減少人員操作誤差。
通過成果對(duì)比,三維激光掃描儀的精度滿足隧道施工需求,其外業(yè)操作簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)采集速率可達(dá)數(shù)十萬點(diǎn)/s,單站測(cè)量時(shí)間小于3 min,傳統(tǒng)測(cè)量方式難以比擬,且一次測(cè)量可同時(shí)獲得用于隧道侵限、超欠挖、拱頂沉降、收斂變形等所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù),工作效率高。采用三維激光掃描技術(shù)是控制隧道施工超欠挖、避免和減少超欠挖造成返工和混凝土超耗的有效措施,也是及時(shí)掌握圍巖收斂及斷面變形狀況和保證施工安全的可靠手段,已具備包括隧道在內(nèi)的施工和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)和條件。