三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用

张明智，张明栋

(深圳市勘察测绘院有限公司，广东 深圳　518000)

1　引　言

随着经济的发展，城市化步伐的加快，为满足日益增长的市民出行需要，城市轨道交通成为人们出行的重要交通工具。在地铁带动区域人口和经济发展的同时，地铁隧道保护区内报建的各种深基坑工程也越来越多，而且随着城市用地的愈发紧张，基坑的深度也越来越深，在周边建筑物和各种地下管线的多重影响下，基坑工程的设计和施工的难度越来越大。

为了保障地铁的安全运营，在基坑施工过程中及时掌握地铁隧道的变形情况显得十分重要。

2　地铁隧道自动化监测

地铁自动化监测是地铁隧道变形监测的重要手段之一。在地铁自动化监测中，通常使用徕卡TS30测量机器人对地铁隧道进行自动化变形监测，徕卡TS30测量精度高、性能稳定并具有ATR自动识别照准功能，在地铁自动化监测领域有着重要地位。

这种监测手段虽然能够及时掌握监测点区域的变化情况，但它也只能对布设有监测点的位置进行监测和反映该位置的变形情况，在没有布设有监测点的地方存在监测盲区，虽然可以通过增加监测断面和监测点来弥补其中的不足，但归根结底还是监测方法上的不足。

为了弥补这一不足，在项目开始施工前用断面测量仪对监测区域的地铁隧道进行每一环的断面数据采集，再通过CAD对测量数据进行拟合计算每一环管片的水平收敛值，作为断面测量的初始值，并定期对监测区域进行断面测量，掌握隧道的变形情况。但断面测量仪在测量断面个数多时效率过低，在地铁隧道断面测量中不太适用。

图1　常规的监测点布设剖面图

3　地铁隧道三维激光扫描概述

为了解决测量机器人自动化监测和传统断面测量方法的不足，引入了徕卡ScanStation P40三维激光扫描仪。三维激光扫描仪在工作时，通过激光脉冲发射体发射出激光脉冲，激光脉冲在两块高速有序转动的反光镜作用下，将发射出去的激光脉冲扫过被测物体，仪器根据每个激光脉冲从发射到反射回仪器的时间计算出被测物体与仪器的距离L，时钟编码器在同一时间测量出每条脉冲的水平扫描角度α和竖直扫描角度β，从而得到该点的三维坐标值P，工作原理如图2所示。

图2　激光扫描工作原理示意图

其中：

仪器在扫描过程中不仅形成点云数据，而且对正常、渗水、存在裂缝的扫描面，根据不同的反射强度匹配不同的颜色，在完成隧道点云数据采集后，使用徕卡Cyclone后处理软件，将点云数据去噪、拼接、建模出被测物体的实际形状，进行收敛数据采集。

由此可见将三维激光扫描技术作为地铁自动化监测的补充手段是非常合适的。

图3　徕卡ScanStation P40扫描作业

3.1　隧道点云扫描

扫描时，将标靶(三维激光扫描仪能准确识别并照准的目标模型)吸附在控制点上，扫描仪任意设站，并保证每一个连续的两个测站都有2个相同的标靶作为同名点。

图4　扫描作业示意图

3.2　点云配准

点云配准的原理是通过两测站中点云数据的同名点的点对(pi，qi)满足相同的变换矩阵T，方程如下：

∀pip，∃qiQ，||Tpi-qi=0||

(1)

式中：

P，Q分别为两次扫描的点集；

pi，qi分别为点集P和Q中的某点。

使用Cyclone 9.1后处理软件可以通过每测站点云数据中的同名点(标靶)实现相邻测站的点云数据配准。

在变形监测中，由于我们需要的只是隧道的每一环收敛值，因此配准只为了给采集收敛值提供便利，因此在实际作业中根据实际需要可以省去点云数据的配准工作。

在完成点云拼接后，为了减少数据冗余，提高监测精度和工作效率，需要对点云数据进行去噪处理，去除公共区多余的点云和激光束在传播过程中发生离散所形成的噪点。

图5　点云拼接、去噪后的效果图

图6　内部效果图

3.3　点云切片、圆心计算

进行数据分析前，首先应对点云按一定的距离进行切片，然后对点云切片进行拟合提取圆心，计算隧道点云切片的直径。

投影法是生成点云切片的常用方法。通过定义参考平面位于分层数据的中间位置，将每层数据向参考平面投影即可得到切片数据。

经过投影后的点云切片存在大量的多余观测，通过平差计算的方法计算圆心坐标的最或然值。在每一个横截面建立一个坐标系，则圆心和圆周上每个点的关系为：

(xi-xo)2+(yi-yo)2-R2=0

(2)

设平差后的圆心坐标(xc，yc)和圆半径R为：

(3)

设圆半径的观测值为：

(4)

设圆半径的观测值和改正值与近似值的关系为：

Ri+VRi=R0+δR

(5)

平差计算的观测值方程：

(6)

法方程为：

(7)

其中：

(8)

未知数解为：

(9)

4　ScanStation P40实际应用

在某紧邻地铁隧道的深基坑施工过程中，使用徕卡TS30测量机器人对监测区域内的地铁隧道进行自动化变形监测，并在基坑施工前对监测区域进行了首次三维激光数据采集。

在基坑施工过程中，地铁隧道自动化监测数据显示左线个别点的累计水平位移超出了控制值，达到了+11.3 mm，且该区域正好位于基坑中部。

图7左线各监测断面1号点位移变化曲线图

为了更好地分析和掌握地铁隧道的整体变形情况，决定对地铁隧道进行第二次三维激光扫描获取最新的水平收敛值，并将最新的水平净空收敛值与水平净空初始值进行比对，评估基坑施工对地铁隧道造成的影响。

5　隧道收敛分析

在分析三维激光的扫描结果前，对数据的可靠性进行论证尤为重要。根据三维激光扫描技术的精度论证文献[7]，在文献中作者采用徕卡TS30测量机器人免棱镜测量模式与三维激光扫描仪对同一圆环进行试验，对二者的断面测量数据进行椭圆拟合后，采用三维激光扫描得到的隧道相对变形与全站仪的测量结果相差在 2 mm以内，所以三维激光扫描技术运用在地铁变形监测中是可行的。

通过与水平收敛初始值进行比对，所得结果如表1所示。

地铁隧道左线水平收敛统计表　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

如表1所示，可以得出隧道的水平收敛值并没有超出地铁部门制定的5 470 mm这一水平收敛控制值；结合图7可以看出，隧道的水平收敛数据变化情况与自动化监测数据反应的变形情况基本一致，结合施工情况分析可得出地铁隧道结构在基坑施工过程中，基坑土方开挖使结构受力情况发生了改变，使隧道结构整体处于水平方向的拉伸状态，从而使隧道发生了变形。

6　结　论

测量机器人因为能够实现实时监测且精度高在地铁自动化监测领域得到了很好的应用和普及，但作为一种依赖监测点反映结构变形的监测手段，只能对布设有监测点的位置进行监测，无法发现和掌握没有布设监测点区域的变形情况。

同时，在没有历史变形资料的区域进行监测时，不能掌握隧道历史变形情况，按照地铁部门给定的统一警戒值、控制值进行监测时，可能会出现监测数据还未达到警戒值，管片就出现破坏的情况，所以通过三维激光扫描获取水平收敛数据综合分析隧道的变形情况，对控制值进行合理取值显得非常重要。

本文通过测量机器人地铁自动化变形监测引申出地铁三维激光扫描，通过点云拼接、计算获得隧道水平收敛值，利用三维激光扫描结合自动化监测分析隧道结构的变形，有效弥补了测量机器人在地铁监测中的不足，同时为论证地铁隧道的变形情况提供了有力的资料，在地铁变形监测领域有一定的现实意义。

三维激光扫描技术作为一项先进的技术，随着地铁运营里程的不断增加，地铁隧道的维护也成为重中之重，地铁变形监测也将变得更加重要，三维激光扫描技术必将在隧道维护、变形监测等领域做出重要的贡献。