劉志鋒 商曼

摘 要：目前，城市軌道交通周邊地塊開發(fā)非常多，在建工程與地鐵隧道的凈距也越來越小。本文闡述了三維激光掃描系統(tǒng)在地鐵隧道監(jiān)測中的內外業(yè)處理過程與原理，并以安博格GRP5000三維激光掃描儀試驗為例，利用三維激光掃描儀監(jiān)測廣州地鐵三號線某區(qū)間。試驗證明，該方法高效、簡單，能夠全面地監(jiān)測所有管片的橢圓度。本研究可為鄰近地鐵隧道的深基坑支護結構設計提供參考，對類似工程項目具有借鑒價值。

關鍵詞：地鐵;橢圓度;監(jiān)測;掃描

中圖分類號：U231文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0086-03

Abstract： At present， there is a lot of development in the surrounding plots of urban rail transit， and the net distance between the construction in progress and the subway tunnel is getting smaller and smaller. This paper describes the internal and external processing process and principles of the 3D laser scanning system in subway tunnel monitoring， and takes the Amberg GRP5000 3D laser scanner test as an example to monitor a certain section of the Guangzhou Metro Line 3 by using the 3D laser scanner. Tests prove that the method is efficient and simple， and can comprehensively monitor the ovality of all segments. This study can provide a reference for the design of the deep foundation pit supporting structure adjacent to the subway tunnel， and has reference value for similar engineering projects.

Keywords： subway;ellipticity;monitoring;scanning

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，地鐵附近的施工日益增加，外部施工距離地鐵隧道越近，其對鄰近地鐵隧道的影響也就越大，通常會引起隧道沉降、向基坑側進行水平位移，嚴重時會出現(xiàn)裂縫、橢圓度增大等病害。而在地鐵運營單位進行隧道維修保養(yǎng)決策的過程中，隧道管片的橢圓度是一項關鍵指標，通常將橢圓度超過25‰的管片視為病害嚴重管片，人們需要對其進行加固處理。傳統(tǒng)的隧道橢圓度監(jiān)測主要有全站儀極坐標法、斷面儀法、測站式三維激光掃描法[1]。這些方法效率較低，數(shù)據(jù)采樣率低，一組人進行一個天窗點作業(yè)，往往只能監(jiān)測10～20個管片，且監(jiān)測結果往往只能反映管片局部的特征，它們很難高效地應用于大范圍的檢測，且容易受作業(yè)人員熟練度的影響[2]。

近年來，武漢大學、同濟大學、廣州南方測繪科技股份有限公司相繼研發(fā)了移動式三維激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)作業(yè)效率高，一組人一個天窗點可以掃描800～1 000個管片，且成果處理自動化程度高。本文介紹了GRP5000移動式三維激光掃描儀的作業(yè)過程，并以某基坑工程影響下的廣州地鐵3號線一段區(qū)間為例，分析了該區(qū)間隧道重要施工節(jié)點的管片橢圓度變化情況，并與全站儀掃描方法獲得的結果進行對比。試驗證明了該方法能夠高效、簡單、全面地監(jiān)測所有管片的橢圓度，在地鐵保護工程項目中具有較強的實用性，可為類似的鄰近地鐵隧道的深基坑支護設計提供參考數(shù)據(jù)，確保深基坑工程設計、施工順利進行，將施工對地鐵隧道的影響降到最低。

1 GRP5000移動式三維激光掃描儀作業(yè)過程

1.1 外業(yè)過程

GRP5000移動式三維激光掃描儀是一個集成了慣性導航、激光掃描、點云處理等新型技術的系統(tǒng)[3]。它不僅可以測量軌道幾何尺寸，而且可以通過點云捕獲隧道的裂縫、滲水、錯臺、掉塊等病害信息。GRP5000移動式三維激光掃描儀可以利用慣性導航與里程計等位置解算功能，準確計算出病害發(fā)生的空間部位[4]。經(jīng)人工智能軟件分析后，人們可以獲得管片的高精度圖像成果;通過一次快速掃描測量，人們可以得到隧道現(xiàn)狀的各個參數(shù)。本文主要利用該系統(tǒng)掃描的點云成果，計算管片的橢圓度。隧道現(xiàn)狀掃描作業(yè)流程如圖1所示。

GRP5000移動式三維激光掃描儀外業(yè)實施過程如下：根據(jù)隧道實際情況制訂作業(yè)計劃，地鐵停運后在運營單位配合下進入軌行區(qū);將設備在軌道上連接安裝好后，連接好電源線、網(wǎng)線等線纜;打開筆記本電腦中儀器配套的掃描軟件，新建工程項目，在項目屬性中設置好互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址（IP）、掃描儀的掃描范圍、角度、分辨率的關鍵參數(shù)，然后開始推掃。采集數(shù)據(jù)的過程可以通過筆記本電腦實現(xiàn)，一旦記錄開始，用戶只需要推著軌檢小車沿軌道以一定的速度行進，一般項目左右線可以在一個天窗點掃描完成，通過聯(lián)絡通道搬站即可。

1.2 內業(yè)過程

外業(yè)掃描得到點云數(shù)據(jù)后，人們便可以進行內業(yè)處理。三維激光掃描項目的內業(yè)后處理中，海量點云數(shù)據(jù)處理尤為重要，點云數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預處理、三維模型重建、結構斷面提取、橢圓度計算等[5]。

1.2.1 數(shù)據(jù)預處理。對于點云數(shù)據(jù)，重要的一步就是數(shù)據(jù)預處理。預處理主要包括去噪、抽樣、刪除飛點[6]。隧道內各類線纜、消防水管、軌道道床、接觸軌和各類通信設備作為噪聲點云被采集下來，這些噪聲點不僅會影響人們對隧道結構的分析與判斷，而且嚴重影響建模效率，因此人們需要去除與隧道結構無關的異常點或錯誤點。另外，三維激光掃描的點云數(shù)據(jù)量通常都很大，人們要對數(shù)據(jù)進行抽樣輕量化處理[7]。這樣才能保證數(shù)據(jù)處理的高效性，數(shù)據(jù)預處理完成后再進行后期的建模等處理工作。

1.2.2 點云三維建模。儀器掃描得到的點云數(shù)據(jù)為一個個獨立的點，人們很難直接獲取隧道結構的相關信息。通常的做法是針對一個個獨立的點云數(shù)據(jù)，利用相關算法來搭建隧道內壁模型，利用配套軟件將點云數(shù)據(jù)轉化為三角網(wǎng)格，再針對三角網(wǎng)構建三維模型[8]。

1.2.3 提取斷面。每隔1.5 m或者1.2 m進行斷面提?。ɑ蛘邤?shù)據(jù)切片），具體根據(jù)管片的標準寬度確定。

1.2.4 計算橢圓度。將上一步得到的斷面擬合成橢圓，并利用對應橢圓的長半軸、短半軸，參照式（1）求取橢圓度，具體計算公式如下：

式中：[T]為橢圓度;[a]為隧道長半軸;[b]為隧道短半軸;[D]為隧道內徑。

2 監(jiān)測案例分析

2.1 項目概況

項目基坑采用密排三軸攪拌樁進行槽壁加固，鄰近廣州地鐵3號線的側圍護結構采用厚度為1 200 mm的地下連續(xù)墻。既有運營地鐵的隧道結構位于基坑西側，基坑與廣州地鐵3號線某區(qū)間隧道外邊線的最小水平距離為5.2 m;基坑圍護結構地連墻槽壁加固外邊線與廣州地鐵3號線某區(qū)間隧道外邊線的最小水平距離為3.7 m，隧道結構頂面覆土厚度為11.4 m，隧道所處地層主要為粉質黏土、粉細砂及混合花崗巖層殘積土。項目場地存在大量的殘積土等不良工程地質條件，且基坑埋深比地鐵隧道更大，隧道區(qū)域地下水位下降容易誘發(fā)地鐵隧道不均勻沉降。本案例重點分析在外部施工影響下鄰近基坑的左線隧道橢圓度。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 三維激光掃描數(shù)據(jù)分析。項目的各個重要節(jié)點利用GRP5000移動式三維激光掃描儀進行了4次掃描。第一次是項目開工前（2019年3月），第二次是施工地連墻階段（2020年3月），第三次是開挖到第二道支撐（2020年8月），第四次是開挖到第三道支撐（2021年2月底）。掃描結果如圖2所示。

2021年2月，廣州地鐵3號線隧道三維掃描結果顯示，左線累計橢圓度的最大值為21.26‰，該斷面環(huán)號為49環(huán)，里程為ZDK18+649，相比2020年8月的變化值為1.63‰。橢圓度最大變化值為4.4‰，該斷面環(huán)號為111環(huán)，里程為ZDK18+741，該環(huán)累計變化值為10.33‰。左線橢圓度平均變化了2.10‰。

2.2.2 人工全站儀斷面掃描校核。2021年2月，三維激光掃描橢圓度大于15‰，監(jiān)測人員用全站儀橢圓度測量方法對橢圓較大的管片進行人工復核，最大差異為0.91‰，平均差異為0.36‰，三維激光掃描橢圓度與人工檢核結果較為吻合。同時，監(jiān)測人員對隧道進行現(xiàn)狀調查，并對各處裂縫寬度進行測量，右線最大裂縫寬度為1.1 mm。如圖3所示，對比橢圓度數(shù)據(jù)可見，裂縫集中處對應管片的橢圓度較大。

2.2.3 變形原因分析。根據(jù)本項目的地質鉆孔資料以及地連墻成槽記錄，本區(qū)段槽底深度為35 m，槽底是強風化層混合花崗巖，槽壁為厚層填土、硬塑狀殘積土層、全風化混合花崗巖，局部存在約1.00 m厚的透鏡體狀細砂層，其中，混合花崗巖的殘積土及全強風化層均為遇水軟化、崩解的土層。場地西側為大石斷裂，受其影響，場地發(fā)育混合花崗巖風化深槽，場地構造裂隙較發(fā)育，下部巖體完整性差。因此，在地連墻施工過程中，槽段中的泥漿水會持續(xù)對槽壁的殘積土和全強風化層進行軟化、崩解，破壞了場地的地下水和土應力的平衡。另外，基坑向下開挖的過程破壞了隧道周邊應力平衡，使隧道產(chǎn)生了偏壓。

3 結論

本文闡述了GRP5000移動式三維激光掃描儀在地鐵隧道監(jiān)測中的內外業(yè)處理過程與原理，并以安博格GRP5000三維激光掃描儀試驗為例，利用三維激光掃描儀監(jiān)測廣州地鐵3號線某區(qū)間的管片橢圓度，分析了外部不同施工工況下該區(qū)間管片橢圓度的變化，且將激光掃描橢圓度結果與全站儀掃描橢圓度結果進行對比分析。研究表明，該方法既高效又可靠，能夠全面地監(jiān)測所有管片的橢圓度變化情況，在地鐵保護工程項目中具有較強的實用性。

參考文獻：

[1]萬冠軍，馬全明，丁林磊.三維激光掃描技術在地鐵隧道斷面測量中的應用[J].都市快軌交通，2017（4）：60-64.

[2]宋云記，王智.利用三維激光掃描技術進行地鐵隧道施工質量管控及病害檢測[J].測繪通報，2020（5）：153-157.

[3]王倩.三維激光掃描技術在地鐵隧道監(jiān)測中的應用研究[D].昆明：昆明理工大學，2019：3-6.

[4]白殿有.三維激光掃描技術在地鐵結構現(xiàn)狀調查中的應用[J].城市勘測，2019（4）：128-130.

[5]許少輝.地面三維激光掃描技術在地鐵隧道竣工測量中的應用[J].城市勘測，2016（5）：68-72.

[6]凌靜，張迎亞，曹震，等.基于地面三維激光掃描技術的盾構隧道竣工測量探究[J].測繪通報，2016（2）：225-226.

[7]楊敏，甘淑，袁希平，等.復雜帶狀地形條件下的地面三維激光掃描點云數(shù)據(jù)采集與配準處理試驗[J].測繪通報，2018（5）：38-43.

[8]鄭瀚.地面三維激光掃描在地下管線鋪設工程三維建模中的應用[J].測繪通報，2016（1）：163-166.