田有良

（南京地鐵運營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

在地下工程中，受到巖土層壓力及襯砌限制等因素的共同作用，隧道的斷面不再是標準的圓形，而是會發(fā)生微小形變的，隧道斷面的形狀更接近于離心率較小的橢圓。由于盾構(gòu)隧道的斷面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，盾構(gòu)隧道管壁在外力的作用下，出現(xiàn)裂縫、崩角、滲水、破損等病害，嚴重影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。因此，隧道段的地鐵保護監(jiān)測工作要能實現(xiàn)及時、準確地反饋數(shù)據(jù)信息，而針對隧道斷面橫向變形的收斂監(jiān)測是盾構(gòu)隧道段能安全運營的重要保障手段之一［1］。

現(xiàn)階段，收斂監(jiān)測的手段主要有手持激光測距儀監(jiān)測、全站儀監(jiān)測及移動三維激光掃描監(jiān)測。手持激光測距儀的監(jiān)測原理簡單，用于監(jiān)測隧道段的橫向變形，數(shù)據(jù)精度較高，但因人工監(jiān)測存在粗差、監(jiān)測人員激光指錯位置、激光測距儀底部未放到位等問題，嚴重影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，此作業(yè)形式的效率較低，且因人為因素極易造成監(jiān)測斷面出現(xiàn)遺漏等。全站儀收斂監(jiān)測要人工進行架站，從而對隧道腰部位置進行點位數(shù)據(jù)采集，單一測站能監(jiān)測到的隧道斷面數(shù)據(jù)有限，要由監(jiān)測人員不停搬動監(jiān)測站，該方法效率較低。移動三維激光掃描技術(shù)是近年來興起的一項數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，移動掃描車在隧道內(nèi)進行點云數(shù)據(jù)的采集，將盾構(gòu)隧道段進行弧度劃分，并擬合出盾構(gòu)隧道的收斂橫向監(jiān)測的最優(yōu)監(jiān)測部位，最終得到準確的隧道橫向收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)［2］。

1 移動三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取

移動掃描車作為掃描儀器的載體，是獲取數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。由于盾構(gòu)隧道位于地下，信號受影響，因此移動掃描車要裝備里程計、角度傳感器等外部裝置，從而保證掃描儀能正常工作。盾構(gòu)隧道中的軌道設(shè)有計軸器，為了不影響運營地鐵列車的安全，掃描車經(jīng)過該區(qū)段不可觸碰到計軸器及其他傳感器。因此，移動搭載設(shè)備選取某單位定制研發(fā)的地鐵隧道移動掃描車，如圖1所示，可避免對運營隧道產(chǎn)生影響，從而保證自身數(shù)據(jù)的準確性。

圖1 隧道移動掃描車工作原理示意圖和實物圖

移動三維激光掃描現(xiàn)場作業(yè)根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗可分為三部分，即作業(yè)前準備、現(xiàn)場作業(yè)、作業(yè)結(jié)束整理。詳細的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 移動三維激光掃描作業(yè)流程示意圖

1.1 作業(yè)前準備

因為隧道內(nèi)的鐵軌帶電，而移動掃描車架設(shè)在兩側(cè)的鐵軌上，所以要保證掃描車輪絕緣，不能成為導(dǎo)電體。從而避免兩根鐵軌導(dǎo)電引起地鐵車控制報警，影響列車的安全運營。軌道車對盾構(gòu)隧道某個區(qū)間進行掃描時不能出現(xiàn)間斷，因此要保證軌道掃描車及掃描儀的電池電量能滿足作業(yè)需求。因掃描數(shù)據(jù)量較大，要保證儀器的自身存儲空間足夠，在進行掃描前要檢查儀器存儲空間的使用情況。

1.2 現(xiàn)場作業(yè)

現(xiàn)場作業(yè)要安裝好電池和儀器平臺，檢查掃描儀基座與移動掃描車是否安裝牢固，在安裝完儀器后，對掃描模式、分辨率設(shè)置、現(xiàn)場掃描方向確認等進行設(shè)置。當(dāng)軌道掃描車移動到合適位置后，設(shè)置前進擋位，保證掃描車勻速前進，從而保證掃描儀數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。遇到障礙物后要停車，且在障礙物排空后，要將軌道掃描車后退至已掃描的最后一個斷面，繼續(xù)進行掃描。

1.3 作業(yè)結(jié)束后整理工作

在完成現(xiàn)場作業(yè)后，要及時關(guān)閉掃描儀，將關(guān)機后的掃描儀放于儀器箱中，掃描車拆解后放于儀器箱中，檢查作業(yè)現(xiàn)場，要做到工完料清，保證列車的運營環(huán)境安全，待撤離作業(yè)現(xiàn)場后，要及時將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出保存，從而避免數(shù)據(jù)的丟失［3］。

2 數(shù)據(jù)處理

隧道移動掃描數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示。先導(dǎo)入原始掃描數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)場掃描的環(huán)境數(shù)據(jù)及特征點云數(shù)據(jù)來生成定位文件，并進行成果結(jié)算。

圖3 隧道移動掃描數(shù)據(jù)處理流程示意圖

大盾構(gòu)直徑隧道因中隔墻的存在，要根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進行弧左、弧右劃分，分別計算出左右水平橫徑，并加上隔墻厚度，即為大盾構(gòu)隧道水平直徑的收斂值。本研究分別使用全站儀及三維激光掃描對同區(qū)間的大盾構(gòu)隧道直徑收斂數(shù)據(jù)進行采集，并進行比對。

2.1 全站儀

直徑量測采用全站儀極坐標法，左線瞄準直徑點H點和D點，一測回盤左坐標為（X Hl，YHl，ZHl）、（X Dl，Y Dl，ZD l），盤右坐標為（XH r，YH r，Z Hr）、（XD r，YDr，ZD r）。盤左、盤右分別計算H點和D點的空間直線距離，較差小于2 mm時，取兩者的平均值作為實測左線橫徑R。大盾構(gòu)收斂監(jiān)測示意，如圖4所示。

圖4 大盾構(gòu)收斂監(jiān)測示意圖（單位：mm）

相關(guān)計算公式見式（1）、式（2）。

式中：R L為全站儀盤左監(jiān)測的左線橫徑值；R R為全站儀盤右監(jiān)測的左線橫徑值。

計算出盤左和盤右兩組空間的直線距離，取其平均值，即為左線橫徑的實測值，見式（3）。

式中：R左線為大盾構(gòu)隧道左線橫徑值。

同理可得，在右線用全站儀無棱鏡極坐標法，左線瞄準直徑點H＇點、D＇點，分別計算出盤左盤右監(jiān)測的兩點之間的直徑R＇L、R＇R，取其平均值，即為右線橫徑實測值，見式（4）。

式中：R＇L為全站儀盤左監(jiān)測的左線橫徑值；R＇R為全站儀盤右監(jiān)測的左線橫徑值；R右線為大盾構(gòu)隧道右線橫徑值。

左線橫徑和右線橫徑相加，再加上隔墻厚度，即為水平直徑的實測值，見式（5）。

式中：R水平直徑為大盾構(gòu)隧道直徑的收斂值；R左線為大盾構(gòu)隧道左線的橫徑值；R右線為大盾構(gòu)隧道右線的橫徑值；D隔墻為大盾構(gòu)隧道隔墻的厚度。

2.2 三維激光掃描儀

利用大直徑盾構(gòu)隧道錯縫拼裝施工工藝，以掃描車前進方向及中隔墻為基準，將盾構(gòu)隧道劃分為弧左、弧右兩部分，弧左及弧右同環(huán)同斷面均劃分為4個弧段，進而擬合出各自的圓心，取極角為90°和270°兩個方向值為弧左及弧右的水平徑值，分別記為R L、R R，中隔墻厚度為R隔墻，則三維激光解算大盾構(gòu)水平直徑見式（6），大盾構(gòu)直徑解算示意，如圖5所示。

圖5 大盾構(gòu)直徑解算示意圖

3 工程實例

3號線柳州東站-上元門站區(qū)間是大直徑的盾構(gòu)隧道，采用雙面楔形環(huán)錯縫拼裝，在進行曲線模擬和施工糾偏時分別旋轉(zhuǎn)32.727 6°、130.909 2°、229.090 8°、327.2724°，從而實現(xiàn)錯縫拼裝。此區(qū)段長為3.4 km，共布設(shè)224個監(jiān)測斷面，平均每隔20 m布設(shè)一個監(jiān)測斷面。

為了解該區(qū)段三維激光掃描解算水平直徑的精度，對使用人工手持激光測距儀、全站儀監(jiān)測方法三維激光掃描解算的水平直徑收斂值進行對比，得出的結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 三種監(jiān)測方式數(shù)據(jù)對比圖

圖7 全站儀、三維激光掃描分別與激光測距儀收斂值對比圖

由圖6和圖7可知，三維移動激光掃描解算的水平直徑收斂與人工測距儀及全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合，監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值分布在-2.5～2.5 mm，外符合精度為1.9 mm。

4 結(jié)論

本研究通過介紹移動三維激光掃描技術(shù)在過江大盾構(gòu)隧道中的水平直徑解算，并將解算值與人工激光測距儀及全站儀采集到的數(shù)據(jù)進行對比，驗證結(jié)果與人工監(jiān)測到的水平直徑值吻合。其作業(yè)效率較傳統(tǒng)監(jiān)測方法有大幅度提升，具有一定的實用價值。