三维激光扫描技术在地铁结构现状调查中的应用

白殿有

(天津轨道交通运营集团有限公司，天津 300392)

1 引 言

地铁结构的施工质量、周边复杂的工程地质、水文地质条件、临近施工扰动都是影响地铁结构稳定性的重要因素。随着地铁运营时间增长，在各种影响因素的作用下地铁结构会发生不同程度的形变，各种隧道病害如洇湿、渗水、裂缝、掉块、错台、管片破损等会随之显现出来。为了了解地铁结构现状，评估其结构健康状态，需对其现状进行调查。

常用地铁现状调查设备主要是采用游标卡尺、皮尺、全站仪、收敛仪、断面仪、工业测量相机等，主要通过人工进行数据采集，自动化程度低、数据采集的效率相对低下，且其获得数据多为重点部位断面数据或点位数据，数据不全面。

三维激光扫描技术又称三维实景复制技术，通过发射高密度的激光实现点云数据的全面采集，具有采集范围大、距离远、速度快、数据密度大、连续性高、全面等优点，利用其配套的点云处理软件根据点云数据及其生成的激光全息影像可快速、准确、全面地实现地铁结构形态的快速获取及隧道病害识别。作业生产中可单独利用站式扫描仪进行测量作业，也可利用集成设备以三维激光扫描仪为主体同步各种传感器进行数据的协同采集。后者的作业化程度更高，应用也更为广泛[1～3]。瑞士安伯格技术公司生产的GRP5000三维激光全息成像扫描系统是目前在地铁现状调查中应用较多和技术较为成熟的一套设备[4，5]。

2 GRP5000三维激光全息成像扫描系统介绍

如图1所示，GRP5000三维激光全息成像扫描系统是将惯导、距离传感器、倾斜传感器、里程计等各种高精度的传感器与可进行高速测量数据采集的三维激光扫描仪集成在轨道小车上，协同完成高精度点云测量数据的采集。

图1 GRP5000三维激光全息成像扫描系统

三维激光扫描仪随着小车在轨道上行以螺旋线形式对隧道进行高密度扫描。利用发射和接收激光信号的相位差，计算获得隧道衬砌表面扫描点的二维坐标，配合惯导的外部绝对定位，可以获得所有测量点的三维绝对坐标，最终获得三维点云数据。通过分析发射和接收激光信号的强度，可以获得隧道衬砌内表面的影像信息，形成灰度图。利用该系统可获得5 mm×5 mm的状态评估影像以及 10 mm的断面测量数据。相对于传统调查方式，其采集的点云全面反映了地铁结构的状态，通过后处理软件处理可生成任意断面任意位置的报表数据，生成的灰度图可应用病害的初判及展示，且设备的行进在小车载体上省人省工，应用于隧道结构调查的实际适宜作业行进速度约为 600 m/h左右，效率更高。

3 GRP5000在地铁现状调查中的作业流程

因地铁运营的特殊性，地铁现状调查多在夜间天窗点进行，作业时间较为宝贵。一般在接受完任务应制定详细的测量方案做好充足的工前准备。在作业现场设备组装完毕仪器完成初始化后即可推进小车轻松完成外业数据采集。在外业数据采集完毕后将采集成果导入TunnelMap软件中，经过数据预处理、投影变换、限界处理、3D变换后即可建立隧道结构模型以获取结构的形态、错台、收敛等测量信息以及用于病害识别、量测的高清影像图。为谨慎起见，标注病害的高清影像图经外业现场确认修正后方可正式输出。具体的工作流程如图2所示。

图2 地铁现状调查中GRP5000三维激光全息成像扫描系统的作业流程

4 应用实例

某项目临近地铁，在施工前为了解其地铁现状，为相应的评估提供基础数据，采用GRP5000三维激光全息成像扫描系统配合人工调查的方式对其现状形态及其病害状况进行了现状调查。图3～图6展示了部分成果数据，其中图3为采集的部分点云数据，图4展示了利用三维点云获取的某结构断面重点信息(因数据保密需要，距离及高程标注数据已隐去)，图5为其隧道结构的椭圆度统计图，图6展示了三维点云数据及其灰度信息生成的高清影像图识别标注的病害数据。本次作业范围左右线各约 280 m，作业过程耗时两个地铁天窗时间，第一个天窗时间进行作业准备及点云数据采集耗时2小时左右，第二个天窗时间进行病害确认耗时3个小时。同样的作业量采用原始作业方式，需在采用全站仪或断面仪器根据作业要求每隔一定的距离对隧道的形态进行测量同时，采用人工检视、记录、拍照等多种手段对每个环面进行病害调查，耗时约4～5个天窗时间。相对传统方式，采用三维激光扫描技术的效率更高、数据更全面、成果更直观。

图3 部分点云数据

图4 某里程断面重点信息

图5 为其隧道结构的椭圆度统计图

图6 标注病害的高清影像图

5 结 语

三维激光扫描技术相对于常规地铁现状调查方式具有采集数据全面、高效便捷、数字化、成果形式丰富多样、系统化等特点，特别是集成度更高的三维激光全息成像扫描的自动化程度更高，优势更加明显，利用其获取地铁结构的形态及病害数据，并结合物探等手段提供更加全面的结构现状数据是未来地铁结构现状调查的发展方向，具有广阔的前景。