劉新根 許敏娟 邢智馨

(1.上海同巖土木工程科技股份有限公司， 200092，上海；2.上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護(hù)裝備工程技術(shù)研究中心，200092，上海;3.昆明地鐵運(yùn)營有限公司， 650011，昆明∥第一作者，高級工程師)

隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)是地鐵運(yùn)營監(jiān)護(hù)的重點(diǎn)，而其變形監(jiān)測則是重中之重。目前，傳統(tǒng)的隧道結(jié)構(gòu)收斂變形檢測主要采用人工手持位移收斂計(jì)進(jìn)行測量，工作效率低且數(shù)據(jù)覆蓋性差。除此之外，還有通過預(yù)安裝激光測距儀進(jìn)行隧道收斂變形監(jiān)測的方法，但其前期投入及后期運(yùn)營維護(hù)成本均很高，且不能全隧道覆蓋測量。三維激光掃描技術(shù)能夠高密度、高分辨率、非接觸地獲取對象表觀海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是較為理想的隧道變形測量方法。

文獻(xiàn)[1]提出了從原始激光測距數(shù)據(jù)集中提取隧道輪廓線的方法,精度可達(dá)±0.5 mm。文獻(xiàn)[2]提出了一種通過視覺輔助、激光測距和自動(dòng)測量周圍標(biāo)記的巖體位置相對變化方法。文獻(xiàn)[3]將三維激光掃描儀與組合軌道導(dǎo)航車、慣性系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了隧道數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集。文獻(xiàn)[4]提出了隧道輪廓三維激光掃描橫斷面提取的高效方法，提高了隧道收斂變形監(jiān)測的效率。文獻(xiàn)[5]通過試驗(yàn)改進(jìn)地面激光掃描的測量方法，從而減小系統(tǒng)測量誤差。文獻(xiàn)[6]基于三維激光掃描數(shù)據(jù)，提出了一種連續(xù)截取地鐵隧道斷面的方法，單點(diǎn)掃描精度為2 mm。文獻(xiàn)[7]利用三維激光掃描技術(shù)獲得隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行點(diǎn)云環(huán)片提取分析變形。文獻(xiàn)[8]將三維激光技術(shù)引入隧道變形監(jiān)測中，實(shí)現(xiàn)了隧道收斂快速高效監(jiān)測。文獻(xiàn)[9]將三維激光掃描儀運(yùn)用到海底隧道施工安全監(jiān)測中，偏差在4 mm以內(nèi)。文獻(xiàn)[10]基于三維激光掃描技術(shù)，提出了基于激光點(diǎn)云的隧道斷面連續(xù)提取與形變分析方法。文獻(xiàn)[11]使用GRP5000移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)，以不超過1.8 km/h的推行速度對運(yùn)營期盾構(gòu)隧道進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[12]提出針對地鐵隧道橫向變形的移動(dòng)檢測方法，誤差控制在2 mm以內(nèi)。文獻(xiàn)[13]提出了基于特征點(diǎn)的改進(jìn)算法，提高了地鐵隧道三維激光掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)效率。文獻(xiàn)[14]提出了基于k維二叉樹(kD-tree)和法向量估計(jì)的局部點(diǎn)云簡化方法，改進(jìn)了BaySAC算法的三維激光點(diǎn)云二次參數(shù)曲面擬合方法。

綜上，多數(shù)研究是基于激光掃描技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)監(jiān)測的，數(shù)據(jù)處理中人工干預(yù)較多，移動(dòng)測量速度較慢，難以滿足作業(yè)要求。本文基于激光掃描數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提出一種高精度組合里程定位修正方法，研制的移動(dòng)式地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形檢測車可為地鐵隧道變形提供高效、精準(zhǔn)的非接觸移動(dòng)式測量。

1 隧道收斂變形檢測技術(shù)

1.1 移動(dòng)式激光斷面掃描

三維激光掃描是一種非接觸式測量技術(shù)，利用激光測距原理能夠快速掃描被測物體表面并獲取大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息。通過對激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理(噪點(diǎn)剔除、坐標(biāo)修正等)，再通過曲線擬合結(jié)果與隧道輪廓的設(shè)計(jì)值或歷史掃描數(shù)據(jù)比對，即可獲得這一時(shí)段隧道各方向的收斂變形。

圖1 移動(dòng)式激光掃描示意圖Fig.1 Diagram of mobile laser scanning

移動(dòng)式激光掃描示意圖如圖1所示。由圖1可知，地鐵隧道移動(dòng)式激光掃描是利用軌道移動(dòng)激光掃描設(shè)備對隧道進(jìn)行螺旋式運(yùn)動(dòng)掃描，其縱向掃描間距與激光掃描轉(zhuǎn)速、移動(dòng)速度有關(guān)。例如，當(dāng)激光掃描儀頻率為100 Hz、移動(dòng)測量速度為10 km/h時(shí)，其三維激光掃描環(huán)間理論間距為2.78 cm，故在實(shí)際掃描測量時(shí)，需依據(jù)測量精度，綜合選用激光掃描移動(dòng)速度和掃描轉(zhuǎn)速。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 10024—2019《公路隧道檢測車》規(guī)定：隧道激光掃描縱向點(diǎn)間距宜小于100 mm。考慮到地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形控制更為嚴(yán)格，故對于地鐵隧道激光掃描環(huán)間距Ls不宜大于50 mm。

1.2 高精度里程定位

地鐵隧道收斂變形計(jì)算需要對相同位置的前后檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比才能確定，故檢測數(shù)據(jù)需要較高的里程定位精度。常規(guī)的檢測車定位方式為：通過安裝于車輪上的編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)激發(fā)的脈沖數(shù)換算而獲得距離測量。但由于編碼器的長距離測量累計(jì)誤差較大，難以滿足收斂變形的測量精度。

本文提出編碼器+圖像特征高精度組合里程定位修正法，其定位修正步驟如下：

步驟1：利用檢測車測距輪(內(nèi)置高精度光電編碼器)對里程L進(jìn)行初步定位，并通過時(shí)間t將激光掃描數(shù)據(jù)S與L進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

步驟2：利用數(shù)據(jù)S生成激光點(diǎn)云二維展布圖，對展布圖上的結(jié)構(gòu)環(huán)縫、百米標(biāo)、設(shè)備箱等特征點(diǎn)信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)?shù)V山法隧道無明顯結(jié)構(gòu)特征時(shí)，可以預(yù)先貼或刷一些定位標(biāo)簽，通過所識(shí)別的特征點(diǎn)信息反算對應(yīng)的激光掃描數(shù)據(jù)Si(i為不同掃描點(diǎn)編號(hào))，并從預(yù)設(shè)的特征信息里程數(shù)據(jù)庫中獲得其真實(shí)里程Lr。

步驟3:通過Si可獲得其對應(yīng)的采集時(shí)間ti，通過ti進(jìn)一步獲得對應(yīng)的測量里程Li，此時(shí)，將Li值取為Lr，期間里程數(shù)據(jù)按均一化進(jìn)行修正。

步驟4：對各識(shí)別的特征點(diǎn)處的里程依據(jù)步驟2和步驟3進(jìn)行逐一修正，則可極大地降低編碼器距離測量誤差，并消除距離測量累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)厘米級絕對定位和毫米級相對定位，其修正原理如圖2所示。

圖2 高精度組合里程定位修正誤差示意圖

1.3 激光掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理

隧道激光掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括噪點(diǎn)剔除、掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及空間平面投影。

1.3.1 噪點(diǎn)剔除

受隧道內(nèi)部線纜、照明系統(tǒng)、逃生平臺(tái)、設(shè)備箱等因素的影響，在激光掃描過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生與隧道結(jié)構(gòu)無關(guān)的噪點(diǎn)，如圖3所示，噪點(diǎn)會(huì)直接影響隧道斷面輪廓擬合的效率和精度。

圖3 隧道激光掃描噪點(diǎn)示意圖Fig.3 Diagram of tunnel laser scanning noise

為能有效地剔除掃描噪點(diǎn)，基于隧道結(jié)構(gòu)特征和斷面三維激光掃描儀工作特點(diǎn)，通過距離最小二乘法多次迭代進(jìn)行單環(huán)掃描噪點(diǎn)剔除，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的除噪。

矩形隧道激光掃描噪點(diǎn)剔除示意圖如圖4所示。對于矩形隧道，通過距離最小二乘法對掃描點(diǎn)進(jìn)行初步曲線擬合，并設(shè)定距離閾值DT，計(jì)算各掃描點(diǎn)距擬合矩形的垂直距離Di，并依據(jù)下式對掃描點(diǎn)F進(jìn)行剔除，則有：

(1)

重復(fù)上述步驟，并調(diào)整距離閾值，如取DT的一半，再次進(jìn)行噪點(diǎn)剔除，通過2～3次迭代即可。同理對于盾構(gòu)隧道，亦可以通過圓或橢圓擬合方式進(jìn)行多層次迭代噪點(diǎn)剔除(該方法的專利號(hào)為：ZL201810039089.0)。

1.3.2 掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用隧道斷面輪廓激光掃描點(diǎn)進(jìn)行收斂變形檢測時(shí)，需將掃描環(huán)上的各激光點(diǎn)轉(zhuǎn)換到同一掃描空間平面內(nèi)，掃描點(diǎn)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法如下。

1) 取當(dāng)前掃描環(huán)前3個(gè)掃描點(diǎn)組成一個(gè)空間平面，記為V，并構(gòu)建直角坐標(biāo)系T，如圖5所示，其坐標(biāo)原點(diǎn)為(0,0,0)，坐標(biāo)系Oxy位于平面V內(nèi)。

圖5 激光掃描系統(tǒng)直角坐標(biāo)系示意圖Fig.5 Diagram of laser scanning system Cartesian coordinate

2) 掃描點(diǎn)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至直角坐標(biāo)系T中，轉(zhuǎn)換方法為：

(2)

式中：

(x,y,z)——舊坐標(biāo)系激光點(diǎn)P的坐標(biāo)；

(x′,y′,z′)——新坐標(biāo)系(即激光掃描儀設(shè)備坐標(biāo)系)激光點(diǎn)P′的坐標(biāo)；

A——轉(zhuǎn)軸變換系數(shù)矩陣；

B——平軸變換系數(shù)矩陣；

x0、y0、z0——平移變換矩陣系數(shù)；

α1、β2、γ3——新舊坐標(biāo)系x軸、y軸、z軸之間的夾角，可以通過三軸動(dòng)態(tài)傾角測量獲得；

α2、α3、β1、β3、γ1、γ2——矩陣A中的對應(yīng)系數(shù)，由α1、β2、γ3計(jì)算獲得。

由于在實(shí)際激光掃描中，單激光掃描環(huán)的移動(dòng)距離一般小于5 cm且沿軌道行駛，在較短的移動(dòng)距離內(nèi)A和B可進(jìn)一步簡化為：

(3)

(4)

式中：

ΔL——掃描點(diǎn)對應(yīng)當(dāng)前掃描環(huán)第1個(gè)點(diǎn)的掃描儀移動(dòng)距離。

由于基于激光掃描點(diǎn)進(jìn)行隧道收斂變形計(jì)算僅需用到激光點(diǎn)(x，y)坐標(biāo)，且坐標(biāo)系Oxy位于平面V內(nèi)，故可令z=0，則式(4)可進(jìn)一步簡化為：

(5)

重復(fù)步驟2)，可完成對當(dāng)前掃描環(huán)后續(xù)激光掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

1.4 隧道區(qū)段收斂變形分析

隧道結(jié)構(gòu)一定區(qū)域(如縱向1 m環(huán)寬)或單環(huán)管片內(nèi)會(huì)存在多個(gè)激光掃描環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖6所示。通過對預(yù)處理后的每個(gè)激光掃描環(huán)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合并均值處理，可獲得當(dāng)前隧道結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)的曲線擬合參數(shù)。利用曲線擬合參數(shù)與隧道設(shè)計(jì)參數(shù)或前一次檢測擬合的曲線參數(shù)進(jìn)行比對，可獲得當(dāng)前隧道斷面的收斂變形值。

圖6 單管片環(huán)激光掃描示意圖Fig.6 Diagram of single segment ring laser scanning

本文所提方法基于隧道一定區(qū)域內(nèi)的激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行收斂變形計(jì)算，可反映結(jié)構(gòu)的整體變形，并避免或減少單環(huán)掃描數(shù)據(jù)定位和擬合誤差，有效提高隧道收斂變形計(jì)算的穩(wěn)定性和精度。

2 檢測裝置及軟件研制

2.1 檢測裝置研制

變形檢測車如圖7所示。集成上述成果，研制了地鐵隧道變形檢測車TDV-S3，主要由軌檢小車和二維激光斷面掃描儀Profiler 9012組合而成。Profiler 9012掃描儀測距分辨率為0.1 mm，旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)200 Hz，單圈掃描點(diǎn)數(shù)5 024個(gè)，數(shù)據(jù)采集可達(dá)百萬點(diǎn)/s，可滿足0～10 km/h的檢測速度要求。檢測車上搭載有動(dòng)態(tài)傾角儀、編碼器、測距輪、路由器、電池和計(jì)算機(jī)等設(shè)備。檢測車的主要功能有：于軌道上均勻移動(dòng)檢測車對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行快速、非接觸數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于隧道斷面變形的檢測。

圖7 變形檢測車Fig.7 Deformation detection vehicle

2.2 軟件研制

基于上述研究成果，利用C++編程語言，開發(fā)了變形檢測車配套數(shù)據(jù)采集和處理軟件。數(shù)據(jù)采集軟件主要用于控制各采集裝置的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)顯示相關(guān)分析結(jié)果。數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能有：激光掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)解析，環(huán)縫自動(dòng)識(shí)別，收斂變形分析，激光掃描二維展布圖，三維隧道點(diǎn)云模型及檢測報(bào)告自動(dòng)生成等。

3 工程試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 動(dòng)態(tài)傾角儀測量精度試驗(yàn)

變形檢測車對激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，需要實(shí)時(shí)獲得車體運(yùn)動(dòng)過程中的傾角數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可通過安裝于車體內(nèi)的動(dòng)態(tài)傾角儀測量獲得，其分辨力為0.01°。為驗(yàn)證傾角儀在移動(dòng)過程中測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，進(jìn)行了實(shí)地測量試驗(yàn)。選取一段200 m長的廢棄鐵路軌道，每隔10 m做好標(biāo)記，首先利用傾角儀對各標(biāo)記點(diǎn)處進(jìn)行靜態(tài)測量，并記錄數(shù)據(jù)；然后，檢測車以5 km/h的速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，并自動(dòng)獲得各標(biāo)記點(diǎn)處的傾角數(shù)據(jù)，將靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

橫滾動(dòng)態(tài)測量與靜態(tài)測量對比如圖8所示。俯仰動(dòng)態(tài)測量與靜態(tài)測量對比如圖9所示。橫滾動(dòng)態(tài)測量和靜態(tài)測量的最大差值為0.046°，最小差值為-0.049°，差值均值為0.027°。俯仰動(dòng)態(tài)測量和靜態(tài)測量的最大差值為0.246°，最小差值為-0.184°，差值均值為0.06°。依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》：曲線最大超高應(yīng)為120 mm(角度為4.78°)，線路縱向最大坡度為4%(角度為2.29°)。可見，傾角儀動(dòng)態(tài)測量的誤差值均遠(yuǎn)小于上述規(guī)范規(guī)定值，滿足檢測車姿態(tài)測量的要求。

圖8 橫滾動(dòng)態(tài)測量與靜態(tài)測量對比圖

圖9 俯仰動(dòng)態(tài)測量與靜態(tài)測量對比圖

3.2 檢測車重復(fù)性試驗(yàn)

利用變形檢測車對昆明地鐵2號(hào)線2個(gè)區(qū)間共1 820個(gè)環(huán)管片，36 h內(nèi)進(jìn)行2次重復(fù)性測量試驗(yàn)，檢測速度約為5 km/h。水平和垂直內(nèi)直徑重復(fù)測量差值柱狀圖如圖10所示。由圖10可知，水平內(nèi)直徑差值(單位：mm)落在[-1,+1]共計(jì)1 499環(huán)、落在[-2,+2]共計(jì)1 791環(huán)、落在[-3,+3]共計(jì)1 820環(huán)，分別占總環(huán)數(shù)的82.36%、98.41%和100.00%；垂直內(nèi)直徑差值(單位:mm)落在[-1,+1]共計(jì)1 309環(huán)、落在[-2,+2]共計(jì)1 697環(huán)、落在[-3,+3]共計(jì)1 800環(huán)，分別占總環(huán)數(shù)的71.92%、96.21%、98.90%。基本符合正態(tài)分布規(guī)律，復(fù)測精度為±2 mm，多數(shù)可達(dá)到±1 mm。試驗(yàn)表明：檢測車測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理算法具有較高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

圖10 重復(fù)測量水平和垂直內(nèi)直徑差值柱狀圖

3.3 工程應(yīng)用

利用研制的地鐵隧道收斂變形快速檢測車對昆明地鐵3號(hào)線和6號(hào)線的區(qū)間隧道進(jìn)行了多次全覆蓋檢測。通過檢測車對昆明地鐵3號(hào)線某區(qū)間隧道進(jìn)行了2次檢測，掃描間隔為3個(gè)月，第1次檢測距隧道建成已5年(3號(hào)線開通運(yùn)營1年多)，隧道內(nèi)直徑為5 500 mm。激光掃描檢測得到的年度水平收斂變形結(jié)果如圖11所示。季度水平收斂變形δh結(jié)果如圖12所示。

由圖11可知，δh最大值為31 mm，97%的管片環(huán)δh值小于22 mm(直徑變化量的4‰)，位于22～33 mm之間的管片環(huán)數(shù)占比為3%，根據(jù)CJJ/T 289—2018《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》可知，隧道管片變形健康度評定絕大多數(shù)為1級，少部分為2級，總體狀況良好，對于健康度為2級的管片環(huán)，下次檢查中可重點(diǎn)關(guān)注。由圖12可知，該區(qū)段盾構(gòu)隧道單個(gè)季度的收斂變形最大值為8 mm，總體位于[-5 mm,5 mm]，由于檢測時(shí)間間隔短，隧道結(jié)構(gòu)變形基本無變化。

圖11 隧道結(jié)構(gòu)年度水平收斂變形曲線Fig.11 Curve of tunnel structure annual horizontal convergence deformation

圖12 隧道結(jié)構(gòu)季度水平收斂變形曲線Fig.12 Curve of tunnel structure quarterly horizontal convergence deformation

通過工程實(shí)際應(yīng)用，檢測車在移動(dòng)檢測作業(yè)中具有較高的檢測精度和穩(wěn)定性，可顯著提升檢測效率，并且其變形檢測結(jié)果對隧道養(yǎng)護(hù)處治具有重要的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

1) 依據(jù)激光掃描系統(tǒng)對隧道斷面輪廓區(qū)段或管片環(huán)進(jìn)行收斂變形快速移動(dòng)檢測，可同時(shí)兼顧檢測精度和效率，是靜態(tài)定點(diǎn)測量的有益補(bǔ)充。

2) 采用編碼器+圖像特征高精度組合里程定位修正方法，可實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)厘米級絕對定位和毫米級相對定位。

3) 集成上述研究成果，研制了地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形快速檢測車，開發(fā)了配套數(shù)據(jù)處理軟件，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和計(jì)算分析，工程試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：檢測車系統(tǒng)采集精度為±2 mm，具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，可滿足隧道變形檢測普查要求。