三维激光扫描技术在地铁隧道施工质量检测中的应用研究

王智，李勇，张洪德，曹庆磊，门茂林

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛　266032)

1　引　言

地铁隧道开挖是隧道施工的重要工序，超挖过多，不仅因出渣量和衬砌量增多而提高工程造价，而且由于局部超挖会产生应力集中问题，影响围岩稳定性；而欠挖则直接影响到衬砌厚度，对隧道质量及后期运营产生安全隐患[1]。因此超欠挖控制是地铁隧道施工质量评定的重要内容之一，进行超欠挖控制的方法是使用测量仪器观测隧道断面若干个点，形成实际的开挖轮廓线，并在同一坐标系中与设计轮廓线进行比较，从而获取断面的超欠挖量和部位，供有关部门进行综合分析利用，及时指导下一步施工[2]。目前对地铁隧道进行断面测量主要有两种方法，一种是断面仪法[3]，这种方法需要先放样出隧道中心线，然后在指定里程的隧道中心线处架设仪器，按照设定的测量参数对当前里程断面进行空间数据采集，作业效率较低，且断面仪用途单一。另外一种常用的方法是采用全自动测量全站仪，并搭载有断面测量机载程序，这种方法不需要放样出隧道中心线，架站方式灵活，自动化程度相对较高，但是结果仍然是以逐个独立的点位表现，局限于平面展现，无法全面反映隧道开挖超欠挖情况。

三维激光扫描仪测量是近几年应用于地铁隧道工程测量的新型测量技术，它是一种通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器，是一种非接触式主动测量系统[4]。它突破传统的单点测量技术，使得外业测量更加高效便捷，为空间三维数据的获取提供了有效的测量手段，它采用非接触式激光测量技术，以点云的形式采集并保存空间物体表面的三维几何信息和纹理数据[5]。仪器主要包括测距系统以及扫描系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。三维激光扫描仪工作原理是：仪器对待测物体发射激光，根据激光发射和返回的时间差，得出扫描仪与物体的几何距离，根据水平方向和垂直方向步进角距值，计算出点位的三维坐标，并由仪器存储设备予以记录储存，再经过后处理软件的建模，便可得到被测物体的空间三维模型[6]。本文介绍了将三维激光扫描技术应用于地铁施工质量检测中，并在青岛地铁工程得到了成功的应用。

2　数据采集

2.1　控制点布设

为了使三维激光扫描仪的成果与地铁建设坐标基准一致，需要在隧道内布设足够密度和精度的控制点，为三维激光扫描提供空间基准，也便于后续和设计进行对比从而分析隧道开挖质量，若隧道未贯通，应采用经联系测量传递到隧道内的控制点，若隧道已贯通，应采用两井定向或两站一区间地下控制点联测后的成果。

考虑到隧道内控制点间距一般在 100 m～150 m左右，不满足扫描仪数据采集起算基准要求，需要对隧道内控制点进行加密，根据扫描仪性能及隧道内现场实际情况，加密点宜 30 m～50 m布设一个，可采用1″或0.5″级全站仪采用极坐标法测量。点位布设要求便于架设对中杆，同时便于保护以便重复使用。

2.2　架站方案设计

外业测量时，在车站和区间内控制点上架设标靶，仪器根据现场通视情况任意架站，但需和两个标靶通视，仪器整平后根据扫描仪性能参数及现场环境设定扫描站间距、扫描点密度，保证各测站之间具有一定的扫描重叠度。同步进行隧道三维激光扫描，获取隧道三维点云数据，同时也获取标靶点云数据。

图1　隧道内控制点布设及架站方案示意图

如图1所示，隧道内控制点一般间距比较长，经全站仪加密后的点位宜在30至50米左右，每次测量过程中，应在头尾处测量至少两个控制点，以保证多余观测从而进行检核，如图中左侧和右侧架站点所示，在中间的架站点，通过联测相邻测站的靶球从而达到相邻测站拼接的目的。从图中可以看出，中间架站数越多，即需要靶球传递的测站越多，整个拼接的点云的绝对精度越低，因此，为保证精度，宜在中间架站点联测隧道内控制点，以保证点云拼接的绝对精度。

2.3　扫描仪数据采集

在获取扫描点云的同时利用扫描仪内置或外置相机拍取照片，用于对点云的纹理题图，同时为了满足更多工程的需求，通过专业的后处理软件进行快速贴图，呈现更加逼真的真彩色点云数据，丰富了扫描成果。

三维激光扫描仪得到的原始观测数据主要包括：①根据2个连续转动用来反射脉冲激光镜的角度值得到激光束水平方向值和竖直方向值；②根据脉冲激光传播时间而计算得到的仪器到扫描点的距离值；③扫描点的反射强度；④通过数码相机获取的场景影像数据等。前2种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度和场景影像数据则用来给反射点匹配颜色或给模型映射纹理。

3　数据处理

3.1　点云配准拼接

(1)计算标靶三维坐标计算：利用导线和水准测量的成果，进行标靶三维坐标的计算。

(2)点云拼接：根据标靶三维坐标将每个测站的点云数据归算到隧道施工使用的三维坐标系统中。青岛地铁隧道某区间采用三维激光扫描仪后拼接的三维点云如图2所示：

图2　青岛地铁隧道某区间三维点云模型

(3)剔除噪音数据：根据隧道设计数据，剔除隧道壁外的噪音数据。噪音数据主要是盾构管片的连接螺栓孔、螺帽、注浆孔及电缆、照明设备和其他附着在管壁上的设施。

如图3所示，将隧道通风管道剔除后得到的点云模型。

图3　剔除噪音数据后点云模型

3.2　设计数据录入

设计数据录入包括三个部分：平曲线、竖曲线以及设计断面。

图4　地铁设计平曲线要素点

设计平曲线要素录入主要包括各个要素点的里程，如直缓点、缓圆点、圆缓点、缓直点等以及相应曲线要素的长度、直线的方位角、圆曲线的半径等信息，如图4所示。设计竖曲线要素包括里程、长度、竖曲线半径，转角前后的坡度等信息。设计断面包括每个断面类型的设计、里程范围等信息。

3.3　断面超欠挖分析

在内业拼接好的具有地铁隧道统一控制坐标系下三维坐标的三维空间点云数据中，在后处理软件中提取一定厚度的指定里程断面的点云数据，与事先输入好的隧道设计模型数据规定的里程处进行相应断面比较，即可得到断面的超欠挖情况，如图5所示。

图5　地铁区间超欠挖分析图

4　总　结

要保证三维激光扫描仪成果的精度，需在外业扫描作业时为点云数据的高精度拼接创造条件，使用后方交会设站时，每站至少前后各一个控制点，并测设一定数量的检核点，相邻的扫描测站间最好存在两个以上的公共连接点，有公共面时应使用公共面拼接，没有公共面时使用公共点拼接，并对连接区域或点位进行精细扫描。

目前地铁隧道断面测量使用的方法主要是断面仪法和全站仪机载程序法，三维激光扫描仪方法并没有得到广泛应用，究其原因，一方面是设备昂贵，另一方面是该方法后处理过程烦琐，对作业人员技术要求较高，另外针对地铁测量的分析软件不成熟。但是在外业高密度采集大量断面时，三维激光扫描仪的速度明显高于断面仪法和全站仪机载程序法，且生成的点云数据可以构建三维模型，可以更好地服务于隧道的健康监测，是未来隧道断面测量的趋势。