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天宝测绘解决方案专栏 三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用 袁长征１ꎬ滕德贵１ꎬ胡 波１ꎬ刘秀涵２ １. 重庆市勘测院ꎬ重庆 ４０００２０ꎻ ２. 北京麦格天渱科技发展有限公司ꎬ北京 １０００４３ 摘要针对传统隧道监测手段工作效率低、数据不全面、自动化程度低等缺陷ꎬ将三维激光扫描技术引入地铁隧道变形监测中ꎬ详 细介绍其作业流程ꎬ并以实际工程为例进行数据采集和处理分析ꎮ 试验结果表明了该方法在隧道变形监测中的可行性和优越性ꎮ 关键词三维激光扫描ꎻ隧道ꎻ变形监测ꎻ点云ꎻ断面 地铁隧道在建设及运营过程中由于土体扰动、周边工程 施工及建构筑物负载等原因ꎬ其结构可能产生纵向及横向变 形ꎬ超过一定程度的变形会危害隧道安全ꎬ影响地铁的正常 运营ꎬ因此隧道结构变形监测是地铁隧道安全监测工作中非 常重要的环节ꎮ 三维激光扫描技术能提供视场内有效测程的一定采样 密度的高精度点云数据ꎬ并构建三维模型数据场ꎬ能够全面 准确地反映监测对象的细节信息ꎬ有效避免了传统变形监测 手段的局部性和片面性ꎮ 此外ꎬ三维激光扫描技术对作业环 境的光照条件没有要求ꎬ在黑暗的隧道照样能正常工作ꎬ且 数据采集效率高ꎬ５ ｍｉｎ 左右即能完成一个测站的数据采集ꎬ 能很好地满足运营地铁隧道一般只能在夜间较短时间内进 行作业的要求ꎮ １ 工程实例 本次选取重庆轨道交通六号线一段长约 ２００ ｍ 的轻轨 隧道进行试验ꎬ采用的仪器为 Ｔｒｉｍｂｌｅ ＴＸ８ 激光扫描仪ꎬ数据 处理软件为 Ｔｒｉｍｂｌｅ Ｒｅａｌｗｏｒｋｓ 软件ꎮ 现场控制点分布及第 一期扫描的测站和标靶布设方式如图 １ 所示ꎮ 图 １ 测站及标靶布设图 ２０１６ 年 ６ 月 ３０ 日及 ２０１６ 年 １１ 月１４ 日分别对该区间隧 道进行了两次扫描ꎮ １.１ 数据预处理 数据采集完成后ꎬ将各站的扫描数据导入 ＲｅａｌＷｏｒｋｓ 软 件ꎬ提取标靶的中心点坐标并进行配准ꎬ然后基于控制点的 已知坐标将数据转换到重庆独立坐标系中ꎮ 第一期扫描数 据经过配准及坐标转换后形成的点云数据如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 隧道点云数据 截取其中一段点云数据进行分析ꎬ首先进行点云去噪ꎬ 剔除侧壁支架、管线、道床及作业人员等噪声数据ꎬ去噪前后 的点云分别如图 ３ａ、ｂ所示ꎮ 图 ３ 隧道试验区间点云数据 １.２ 精度分析 为了分析三维激光扫描仪的测量精度ꎬ在隧道内选取两 个断面布设平面反射标靶ꎬ用三维激光扫描仪对各标靶进行 扫描并提取中心点坐标ꎬ同时采用测角精度为 ０.５″、测距精 度为 ０.６ ｍｍ＋１１０ －６ Ｄ 的高精度全站仪测量各标靶的中心点 坐标ꎬ两者的测量结果见表 １ꎮ 从表 １ 可以看出ꎬ三维激光扫描仪获取的坐标与全站仪 测量坐标的差值最大不超过 ４ ｍｍꎬ经计算得到水平点位中 误差 σ０＝０.５６ ｍｍ、高程中误差 σｚ＝ ２.４５ ｍｍꎬ满足城市轨 道交通工程测量规范中变形监测Ⅱ级所要求的３ ｍｍ 及 ５ ｍｍ[１３]ꎬ表明此款三维激光扫描仪的测量精度能够满足隧 道结构变形监测的要求ꎮ ２５１测 绘 通 报 ２０１７ 年 第 ９ 期 表 １ 标靶坐标对比 点号 Ｘ 坐标Ｙ 坐标Ｚ 坐标 全站仪/ ｍ激光扫描/ ｍ差值/ ｍｍ全站仪/ ｍ 激光扫描/ ｍ差值/ ｍｍ全站仪/ ｍ 激光扫描/ ｍ差值/ ｍｍ ＤＭ１￣１４９.９８５ ４４９.９８４ ４－１.０１８.４８７ ７１８.４９０ ９３.２３０７.７５４ ７３０７.７５７ １２.４ ＤＭ１￣２４９.７０５ ７４９.７０４ ０－１.７１８.２９１ ９１８.２９４ ５２.６３０９.７４８ ８３０９.７５１ ３２.５ ＤＭ１￣３４５.７７９ ９４５.７７８ ６－１.３１６.３７７ ５１６.３７９ ４１.９３０６.５６９ ２３０６.５７０ ６１.４ ＤＭ１￣４４５.８６３ ７４５.８６２ ９－０.８１６.４３１ ７１６.４３３ ２１.５３０９.０１５ ７３０９.０１７ １１.４ ＤＭ２￣１１５.５４２ ０１５.５３９ ５－２.５８８.５８１ ２８８.５８１ ３０.１３０９.３４４ ９３０９.３４７ ６２.７ ＤＭ２￣２１５.５１１ ４１５.５０９ ９－１.５８８.５７５ ０８８.５７５ ５０.５３１０.４１４ ９３１０.４１８ １３.２ ＤＭ２￣３０３.０９０ １０３.０８７ １－３.０８５.２５５ ２８５.２５６ ００.８３１０.２２６ ３３１０.２２８ １１.８ ＤＭ２￣４０３.０４２ ２０３.０４０ １－２.１８５.３６８ ７８５.３６９ ６０.９３０９.３２９ ９３０９.３３３ ３３.４ 注Ｘ、Ｙ 坐标均省略前 ３ 位数字ꎮ １.３ 断面提取及变形分析 三维激光扫描的点云包含了隧道结构表面的坐标信息ꎬ 从多期扫描数据中提取相同位置的断面曲线进行对比ꎬ可分 析隧道的变形情况ꎮ 首先在 ＲｅａｌＷｏｒｋｓ 处理软件中基于点 云数据生成隧道结构的三角网模型ꎬ如图 ４ 所示ꎮ 图 ４ 隧道试验区段三角网 提取断面时ꎬ设置起止位置及断面间距ꎬ软件即可自动 生成相应的断面曲线及断面中心点坐标、法线等属性信息ꎮ 在试验区段以 １ ｍ 为间距提取 ３２ 个断面ꎬ如图 ５ 所示ꎮ 图 ５ 试验区段断面曲线 断面曲线提取完成后ꎬ通过断面分析器可对同一位置的 两期断面数据进行对比ꎬ其中一个断面的分析结果如图 ６ 所 示ꎮ 从图中可以看出ꎬ两期断面数据的差值大多在 ２ ｍｍ 以 内ꎬ最大不超过４ ｍｍ 且断面各位置的差值呈正态分布ꎬ表明 该断面没有发生明显变形ꎮ 为了对隧道的整体变形趋势进 行分析ꎬ提取各个断面的中心点坐标并连接形成隧道结构的 中轴线ꎬ通过两期中轴线数据的对比分析隧道的整体变形情 况ꎮ 各个断面中心点坐标在 Ｘ、Ｙ、Ｚ ３ 个方向上的差值如 图 ７ 所示ꎮ 图 ６ 断面对比分析 图 ７ 隧道中轴线坐标偏差 从图 ７ 可以看出ꎬ基于两期扫描数据提取的隧道中轴线 坐标在 ３ 个维度上的差值均在 ６ ｍｍ 以内ꎬ并且在不同断面 位置无趋势性差异ꎬ表明该隧道区间结构在整体上无明显变 形ꎬ结构稳定ꎮ ２ 结 语 本文在分析传统隧道结构变形监测手段缺陷及三维激 光扫描技术优势的基础上ꎬ提出了三维激光扫描技术在地铁 隧道安全监测中的作业流程并进行了工程实践ꎮ 分析结果 表明ꎬ三维激光扫描仪的测量精度能够满足隧道结构变形监 测的要求ꎬ可以准确、快速获取隧道空间数据ꎬ提高了作业效 率ꎬ基于断面曲线及隧道中轴线的变形分析方法能够从局部 和整体两个层面反映隧道结构的变形情况ꎬ为地铁隧道结构 变形监测提供了一种科学可行的解决方案ꎮ 广告 ３５１２０１７ 年 第 ９ 期 袁长征ꎬ等三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用
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