段 偉，王 敏，馮 耀

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

我國地鐵已經(jīng)進入新建與維護并重期。地鐵隧道、軌道隨服役年限的增加，其病害種類增加，且各類病害呈逐漸加重的趨勢。軌道交通結(jié)構(gòu)變形及病害發(fā)展是眾多安全事故的直接原因。自2014年起，國務(wù)院、住建部、交通運輸部等部門出臺一系列關(guān)于加強城市軌道交通建設(shè)和運營安全的政策，引導(dǎo)城市軌道交通行業(yè)快速發(fā)展。目前軌道交通結(jié)構(gòu)病害監(jiān)測與檢測的先進關(guān)鍵技術(shù)主要包括結(jié)構(gòu)安全自動化監(jiān)測及三維激光掃描技術(shù)兩個方向。軌道交通結(jié)構(gòu)安全的檢測與維保，大多仍采用傳統(tǒng)的人工檢測方法或者部分自動化監(jiān)測方法。人工方法存在效率低，耗時長，智能化程度低，檢測結(jié)果主觀性強、很難在有限的天窗時間完成大量檢測工作等問題，利用測量機器人或其他物理傳感器完成的自動化監(jiān)測方法，獲取的數(shù)據(jù)具有代表性，也存在局限性。因此采用傳統(tǒng)的人工檢測方法已不能滿足日益發(fā)展的地鐵隧道維護需求，迫切需要新的快速動態(tài)全信息地實現(xiàn)隧道狀態(tài)的高精度檢測。

軌道交通移動式三維激光掃描技術(shù)(以下簡稱移動式三維激光掃描技術(shù))是近幾年發(fā)展起來的一種新的綜合測量技術(shù)，它是集激光掃描技術(shù)、實時定位技術(shù)、姿態(tài)測量技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)為一體的檢測系統(tǒng)。利用移動式三維激光掃描測量技術(shù)可快速獲取隧道表面大量點的三維坐標(biāo)和圖像灰度值等信息，對這些海量點云進行處理，可獲得被掃描隧道空間的三維模型，并可對隧道模型表面各個點、線、面的圖形數(shù)據(jù)進行更加具體細致地分析，從而判斷隧道表面是否有滲漏水、形變等病害現(xiàn)象。移動式三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，使得隧道空間檢測領(lǐng)域的人工數(shù)據(jù)分散獲取方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)連續(xù)獲取方式，提升了數(shù)據(jù)獲取的準確度和效率，使獲取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的過程日益智能化，極大促進了地鐵隧道檢測技術(shù)的發(fā)展。

1 基于移動式三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)分析

目前在地鐵隧道全斷面激光掃描的方式有移動式和架站式，移動式較架站式掃描具有以下優(yōu)勢：① 掃描速度快(0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s)，外業(yè)采集時間短，掃描可用數(shù)據(jù)率高，而單站掃描的有效距離在60 m左右；② 獲取的點密度均勻、真實反映每個點的反射率，而固定式僅在站點10 m有效范圍內(nèi)的點密度大，距離越遠點密度越小；③ 不需要人工拼接；固定式相鄰站點之間需要存在重復(fù)掃描區(qū)域，通過公共標(biāo)靶拼接，會產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)。

近些年來，相關(guān)學(xué)者已嘗試將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道的變形監(jiān)測中，包括基于固定式掃描儀的隧道收斂分析[1]、隧道變形特征分析[2]、隧道斷面變形監(jiān)測方法研究[3]和隧道變形監(jiān)測的誤差來源分析[4]等。目前，將移動式三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道整體結(jié)構(gòu)的變形分析已有相關(guān)研究。

本文利用移動式三維激光掃描系統(tǒng)(Leica SiTrack:One)對某地鐵隧道進行掃描，獲取隧道的全要素信息，利用點云和隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)等，通過預(yù)處理、后處理，生成地鐵隧道模型和結(jié)構(gòu)變形信息。本文的主要研究工作包括：外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、后處理、隧道結(jié)構(gòu)變形分析、精度分析等。其中，隧道結(jié)構(gòu)變形分析包括橢圓度分析、收斂分析、錯臺分析和限界分析。

1.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)隧道監(jiān)測環(huán)境、監(jiān)測項目、精度要求和工作時間，合理設(shè)置標(biāo)靶球的位置，確定合適的作業(yè)方法。目前常見作業(yè)方法有3種：起止點掃描法(需起止控制點和沿線控制點)、起止點靜態(tài)法(僅需沿線控制點)和相對坐標(biāo)法(無須任何控制點)。為了保證獲取的隧道區(qū)間數(shù)據(jù)完整且有效，可在起始和終止時多采集5 m的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢，將掃描數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理：① 對掃描獲得的原始數(shù)據(jù)(點云、里程、設(shè)備參數(shù)等)轉(zhuǎn)化格式；② 對整個掃描區(qū)間的朝向角進行計算鎖定；③ 沿線靶球(如有)擬合；④ 創(chuàng)建整個移動掃描裝置的運動軌跡；⑤ 生成掃描段的點云；⑥ 利用SiRailScan軟件完成點云格式轉(zhuǎn)換，如*.pts，形成Leica Cyclone軟件和成果處理軟件支持的格式。

1.3 橢圓度分析

橢圓度也稱不圓度[5]，是定量分析盾構(gòu)管片的整體形變的重要參數(shù)，具體的計算方法如公式(1)所示。

T=2×(a-b)/D

(1)

式中，T為隧道斷面的橢圓度；a、b分別為隧道斷面的長、短半軸(理論上應(yīng)為隧道外徑的最大直徑、最小直徑，實際應(yīng)用時外徑不易測量，統(tǒng)一采用內(nèi)徑數(shù)據(jù))；D為隧道的外徑。

常用方法有皮卷尺配合吊鉛垂的方法、激光斷面儀。本文直接使用掃描的點云數(shù)據(jù)，擬合每個隧道斷面獲取斷面橢圓并求得最大、最小直徑(隧道內(nèi)徑)，通過公式(1)計算得到橢圓度，相較于傳統(tǒng)方法，該方法分辨率大大提高且無須遷站，外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率有明顯提升，同時可批量生成成果。

1.4 收斂分析

通過二次多項式對各斷面進行擬合，確定當(dāng)前橢圓中心位置。然后分別獲得該斷面的橫向收斂和豎向收斂，通過與設(shè)計標(biāo)準圓比較，可以獲取隧道橫向、豎向的位移。

1.5 錯臺分析

地鐵隧道管片錯臺是指隧道內(nèi)管片拼裝后同一環(huán)相鄰快管片或者不同環(huán)管片之間的尺寸偏差[6]。由于荷載、壓力等外力綜合作用下，處于不平衡狀態(tài)時管片會有運動趨勢，當(dāng)相鄰管片的位移不同時，會導(dǎo)致錯臺。管片錯臺會產(chǎn)生隧道漏水、管片開裂、漏漿等衍生病害，在一定程度上會直接影響隧道的運營安全。因此，對隧道內(nèi)管片錯臺情況進行有效合理的分析亟需解決。

1.6 限界分析

地鐵限界是指限定地鐵運行及軌道周圍設(shè)施超越的輪廓線[7]。據(jù)此，地鐵限界分為車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界。為確保列車在隧道內(nèi)運行安全，隧道內(nèi)需要有足夠的空間，在限界內(nèi)，除了地鐵及與地鐵相互作用的設(shè)備外，其他設(shè)施一律不得侵入。因而，對地鐵限界進行監(jiān)測分析是一項涉及地鐵安全運行的重要工作。當(dāng)前，國外地鐵限界監(jiān)測車采用了激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)、智能機器人技術(shù)等其監(jiān)測車以120 km/h速度運行時，監(jiān)測誤差不超過20 mm。國內(nèi)地鐵限界監(jiān)測常用方法是斷面檢測法，根據(jù)設(shè)備限界尺寸，指定可伸縮框架可以實時調(diào)整不同的斷面半徑，固定在平板車上，作為限界檢測車，對全區(qū)間進行監(jiān)測。本文采用移動三維激光掃描技術(shù)運行于地鐵軌道上，輸入限界形狀，利用獲取的高精度海量點云，檢測地鐵隧道侵界。為了真實模擬地鐵的運行情況，將限界底部中點與軌道中心點重合，保證限界形態(tài)隨軌道線型自動變化。

2 實例分析

為驗證移動式三維掃描技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)分析的適用性和可靠性，項目組采用起止點掃描法對蘇州某地鐵線路約1.2 km的區(qū)間進行掃描試驗，對獲取的點云進行處理，獲取隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測指標(biāo)。

2.1 儀器選用

儀器選用最新Leica SiTrack: One移動激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了三維激光掃描儀、激光軌道斷面儀、軌距測量儀等多種傳感器，效率超過3.6 km/h。該掃描系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對軌道及周邊區(qū)域全覆蓋掃描，在軌道維護和整修環(huán)節(jié)能夠縮短項目周期，并提供測繪級高精度三維點云。

2.2 外業(yè)作業(yè)流程

按照直線段50 m間隔，曲線段30 m間隔的原則在掃描線路左右軌道兩側(cè)交替布設(shè)靶球，根據(jù)精度要求進行控制網(wǎng)及標(biāo)靶坐標(biāo)測量；利用定制的同心裝置保證棱鏡和靶球的中心一致，減少內(nèi)業(yè)處理?？刂茰y量完成后即進行移動推掃。

2.3 數(shù)據(jù)處理

掃描成果經(jīng)預(yù)處理、后處理得到具有絕對坐標(biāo)的隧道點云，利用定制軟件完成隧道結(jié)構(gòu)變形分析。

2.4 橢圓度分析

以試驗段對應(yīng)K10+464～K10+800范圍為例，每10環(huán)截取監(jiān)測斷面，進行隧道結(jié)構(gòu)形變分析，生成變形數(shù)據(jù)圖表。本文統(tǒng)計了區(qū)間內(nèi)29個斷面的橢圓度，最大橢圓度位于K10+572處，橢圓度為1.7%，圖1給出了所有環(huán)橢圓度分布直方圖。

2.5 收斂分析

經(jīng)統(tǒng)計分析，結(jié)論如下：該區(qū)段隧道管片整體呈橫向外擴、縱向壓縮狀態(tài)，圖2為區(qū)間內(nèi)29個特征斷面的水平直徑收斂分布圖。

圖2 水平直徑分布圖

以本區(qū)間29個特征斷面為例，采用重復(fù)掃描和人工比對的方法進行精度統(tǒng)計分析。表1為多次掃描收斂對比，表2為掃描收斂值與人工全站儀收斂值的對比。經(jīng)統(tǒng)計，本系統(tǒng)直徑收斂重復(fù)掃描精度優(yōu)于±3 mm，絕對精度優(yōu)于±6 mm。

表1 重復(fù)掃描精度統(tǒng)計表

表2 掃描收斂數(shù)據(jù)與人工收斂數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計表

2.6 錯臺分析

以試驗段對應(yīng)K10+464～K10+860范圍為例，對相鄰管環(huán)錯臺進行分析，經(jīng)統(tǒng)計得出如下結(jié)論：該區(qū)段隧道管片整體狀態(tài)良好，K10+524～K10+538區(qū)間段在腰部有明顯錯臺現(xiàn)象(圖3)。

圖3 錯臺斷面提取及錯臺分析(綠色：斷面1的尾部；紅色：斷面2的首部)

2.7 限界分析

本次試驗使用預(yù)設(shè)車廂輪廓線，完成車廂限界檢測，通過人工布設(shè)障礙進行檢驗。以里程K10+471處限界為例進行說明，如圖4所示，檢測出預(yù)設(shè)的0.6 mm直徑鐵絲的障礙物，并計算侵界的角度和距離。

圖4 里程K10+471處侵界結(jié)果

3 結(jié) 語

利用移動激光掃描技術(shù)對地鐵隧道掃描，能夠一次高速、高分辨率、全方位地獲取地鐵隧道內(nèi)部表面數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)方法，其表現(xiàn)出高效、快捷的優(yōu)勢。因隧道表面的點分辨率與儀器中心有關(guān)，即：距離越大，分辨率越低，固定式掃描儀會存在隧道內(nèi)部不同區(qū)間的分辨率不一致的情況，而移動式激光掃描系統(tǒng)很好地解決了這一問題。結(jié)合實踐案例，證明了移動激光掃描技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)分析中實施的可能性。綜上所述，移動掃描技術(shù)對地鐵隧道運營期間的結(jié)構(gòu)分析是有效的，解決了傳統(tǒng)方法效率低、勞動強度大、檢測周期長等諸多劣勢。本文的研究成果為相關(guān)工程應(yīng)用提高了理論依據(jù)和實踐參考。