地铁隧道断面收敛测量中3D激光扫描技术的应用

摘 要 3D激光扫描技术的数据收集采样率较高，其在地铁隧道的断面收敛测量过程当中能够提供更加全面、可靠的精确数据，从而为地铁工程的施工方与运营方提供更加详细的判断数据，其所具备的数据测量优势是传统方法所难以企及的。本文将主要就3D激光扫描同传统方法的对比，分析其所具备的优势特性，而后就3D激光扫描的具体应用并结合相关的工程案例，来展开具体的分析与探讨，并测试其内、外两方面的符合性。

关键词 地铁隧道；断面收敛测量；3D 激光扫描技术

中图分类号 U23

文献标识码 A

文章编号 1674-6708（2016） 154-0052-03

在地铁工程项目的施工作业与日常运营维护工作当中，主要的内容之一便是断面收敛测量，它将直接影响到地铁隧道的整体稳定与安全。传统所采用的全站仪法当中，仅能够选择性的测量一部分隧道断面数据信息，无法完整性的反映出地铁隧道的实际问题状况。而采用3D激光扫描技术则能够通过借助于采样率高的特性，为地铁隧道断面的收敛测量提供更加全面、精确的数据信息，从而使地铁隧道工程项目的施工与日常运营，能够具备有更加准确、直观的数据判断。

1 地铁隧道断面收敛测量

在地铁隧道的施工及日常运营当中，往往会受到周边的地面及建筑物的扰动影响，以及在地铁隧道周边所开展的建筑工程施工与地铁隧道的内部施工、地铁列车在运行过程当中所产生的振动等各方面的综合作用，并最终致使地铁隧道产生收敛变形。

1.1 传统方法的缺陷

在地铁隧道断面收敛测量中，传统的测量方法主要是通过布设导线进行坐标的传递在一个隧道管片之中分布安置数个观测站点，采用全站仪对各个观测站点的数据采取形变分析，其中也包括了收敛测量系统、传感器监测等多种方法。但是此种方法却也存在一些缺陷漏洞以及不足之处，具体表现为：

第一，在观测点的布设、测量当中，不能够精确的确保上下行测量站点与检核点处于同一水平线上，并且也不能够保障两者位于同一个平面当中，因而也就无法确保在地铁隧道断面收敛测量当中，上下行的测量站点处于同一个横断面当中。

第二，全站仪法的隧道断面收敛测量速度较慢，且成本支出较高，同时也无法将所有的管片进行有效的测量。

第三，在测量的实际效果与分析当中也具有一定的局限性，传统地铁隧道的断面收敛测量，其数据内容往往以独立的单个站点进行数据统计，而在双测量站点的数据统计当中，及加设有隔离墙的地铁隧道断面测量当中，其不可控制的因素较多，导致了实际测量结果的精确性与可靠性大打折扣。

1.2 3D激光扫描技术的优势

3D激光扫描技术亦可称之为“实景复制技术”，其能够对于较为复杂的环境与其所在空间进行三维立体信息数据的采集，并且能够将所采集到的数据信息快速的扫描，构建出立体空间模型，并最终实现对于客观事物的真实再现。

第一，在当今的建筑工程领域当中，采用3D激光扫描技术能够快速的采集到建筑的立体数据内容，其不仅能够在很大程度上提升建筑立体模型的展示效果，同时在立体图形当中的任意一个位置上均具备3D坐标，能够为建筑的设计施工提供真实、详细的模拟图形，也给建筑工程的检测与分析创造了新的方式。

第二，3D扫描技术对于扫描目标的数据收集手段，并非直接性的接触因此其能够显著的降低在传统以往的数据测量当中对于数据采集目标的损伤与破坏，并最终加强对于数据采集目标的保护，以及为其具体的施工提供更加精确、详细的数据资料，使技术手段能够发挥出其应有的实际效用。

2 3D 激光扫描的具体应用

在地铁隧道的断面收敛测量当中3D扫描仪的实例应用相对较少，因此要确保其测量结果的精确性，并使其能够发挥出立体扫描的技术优势，无论是在业外数据的收集获取中，还是在内业数据信息内容的处理过程当中，均应当制定出详细、完备的测量实施方案，将在测量过程以及数据信息内容的实际处理误差值，控制在合理的范围之内。据此本文将主要依据3D激光扫描技术的优势特征，以及地铁隧道当中断面收敛测量的实际需求，对整个测量过程现作出如下规划。

2.1 测站点的布设与标志球控制

为了确保更加有效的将地铁隧道断面收敛测量的误差值控制在合理范围之内，在具体的测量工作实施过程当中应当将3D扫描仪的布设与标志球的位置进行固定，引进在高铁测量项目当中的CPIII布设法进行标志球的布设，所布设的所有测量点均应当为强制归心，并且所采用的标志球型号、大小等应当完全一致，在正常状况下标志球的中心点大致也是相对稳固的；此外还要考虑到3D扫描仪的实际测量视角，确保其对于每一个标志球的检测准确性误差要低于Imm，并且还应当考虑到其分辨率同标志球的识别率之间所存在的重叠性问题，因此通常将3D扫描仪在每一个测量站点之中其距离确定为40m左右，前后两侧各大致约为20m左右，以保障其相邻的标志球之间扫描仪的间距在20左右。

2.2 外业数据采集

采用3D扫描技术在进行外业数据的采集过程当中，应当严格依据所布设完成的测量站点，以及各标志球之间的实际位置状况来安放扫描仪器与标志球，在布设完成后第一时间检查其位置是否准确、合理，将进行3D扫描作业的所有技术设备进行统一的调试，使其分辨率能够达到完全一致，在取得地铁隧道管壁之上的三维点云数据时，也能够取得标志球位置的点云数据内容。

2.3 数据拼接处理

在地铁隧道断面收敛外业数据的收集工作结束后，同时将所测量的数据内容传输到scen之中实行拼接处理，在此过程当中要依据布设完成后的标志球采取拼接作业，同时还要确保不同的标志球只取准确性低于1mm，在每一个测量站点当中安放的标志球数量应当不低于6个，通过计算机工程软件的自动拼接，同时进行人工检查，对于识取准确性不足的标志球应当重新布设。

2.4 轴线生成与拟合半径

在标志球布设安放完成后需要将已完成拼接的测量数据内容，传输入XOR工程系统软件当中，进而实现对于轴线生成与半径拟合，而后依据所形成的地铁隧道断面轴线及其所制定的公式数据，通过工程系统软件将拟合半径转化为圆柱体。

2.5 断面数据生成

最后将所形成的圆柱体以及地铁隧道管壁当中的三维点云数据，传输到XOR工程系统软件当中生成相应的地铁隧道断面与图表，能够实现等间距离的断面生成，亦或是任何距离的断面生成，再或是只对于超出限定数值标准的环片位置生成相应的隧道断面，而后对于所有生成的断面内容实行总结与归纳，并形成相应的数据报告。

3 工程案例

在天津地铁轨道交通当中的某号线路当中，同传统以往所常采用的上下并行模式所不同的是，此条线路采用了上下合用的大直径隧道，中间用隔离墙分割，管片的宽度约为1.5m，且由数个管片所组装而成。

在本项工程项目当中运用3D激光扫描技术对于内、外的符合性进行了测试。

3.1 内符合性测试

在内符合性测试当中选取了350m的盾构隧道段进行了测试，并且进行了二次扫描。内符合性的测试内容主要包括了对于相同环片下，各测量站点的隧道断面趋势、极值、拟合半径，及其二次扫描接合后相同环片当中的趋势、极值以及拟合半径进行了扫描。为了去除掉由于接合所课程产生的误差，在本次研究中对于同一环片当中的两个测量点数据内容，在进行对比分析之时选用了在入口处没有隔离的部分进行了对比分析。在对其中一环进行二次扫描后，共得到了4组数据，其拟合半径依次为：5.2125m、5.2122m、5.2108m、5.2111m，其实际的轴线移动数值位于Imm～2mm之内，为了确保所测量的数据内容具有一定的可比性，因而在趋势图形制定的过程中采用了5.2145m的半径值。

3.2 外符合性测试

在外符合性的测试当中通常所采用的隧道断面收敛测量方法为全站仪法，将其所测得的隧道断面数据信息同3D扫描仪所测得的数据信息进行对比分析，通常对比断面的趋势以及所产生的扇形面积。以隧道断面收敛测量当中的第258环及364环为例，采用3D扫描其拟合半径值均为5.2145m，全站仪方法的拟合半径值为5.2245m。3D扫描技术在水平方向上逆时针转动进行测量，全站仪方法在天顶方面上同样也是逆时针转动，因此两类隧道断面的收敛测量在进行变化趋势的对比当中，应当借助于镜像对比。

在趋势变化数据图像的对比当中，此两种方法的变化趋势大致相当，全站仪法的半径值较之3D扫描而言略微有所增大，特别是在对于地铁隧道当中的转弯及一些有坡度的断面在进行测量时，其所表现出的差异性会更加明显。而所发生误差性的关键因素即为传统隧道断面收敛测量的全站仪法在水平状况下，其在每一个测量点所测得的半径数值同隧道的横截面数值，不能够保持为90?。的夹角；而采用3D扫描技术其所测得的半径数值则相对较为固定，实际的测量差异也会被控制在5mm以下。在全站仪法当中也会表现出结合不完整的误差，其拟合半径的准确性相对较低，其中第258环当中没有隔离，364环有隔离，其半径间的差值大约为2cm～3cm。在地铁隧道当中的拐弯处或有坡度的位置，其误差值则会更大。

采用扇形度数的面积将两种隧道断面收敛测量法进行对比分析，并且将两项测量数据内容拓展延伸到CAD当中，能够促使所取得的结果数值具有更高的可对比性，将数值依据扇形面积的大小进行统计分析。

采用传统的全站仪法所测得的数据内容，所生成的扇形面积不同的测量环之间其数值差异较大，而采用3D扫描仪技术所测得的数据内容，所生成的测量环之间数值差异较小。258环当中未设置隔离，两种隧道断面收敛测量方法所生成的面积较为相近，在364环当中设置有隔离，两种隧道断面收敛测量方法所生成的面积则差距甚远。此结论同上文当中关于拟合半径以及趋势演化对比所产生出的结论大致相同。

总而言之，在地铁隧道断面收敛测量当中，运用3D扫描仪技术在内、外符合的准确性上均能够较为良好的满足其实际测量的需求，并且在内符合的隧道断面收敛测量当中其准确性要显著由于传统的全站仪方法。

4 工程展望

在地铁隧道断面当中应用3D激光扫描技术，还能够在3D建模与轴线的变化及趋势预测方面取得更加优秀的应用效果。

4.1 3D建模

依据在数据预先处理之后所产生的云端数据内容，能够通过计算机工程软件的计算处理得到相应的地铁隧道内壁三维模型，即使是对于已投入实际运营的地铁项目工程，亦可将其当前所有的相关设施内容均纳入到三维立体模型当中，从而为今后的地铁隧道施工与维护提供更加详实的数据资料。

4.2 轴线变化及趋势预测

如若将标志球的实际位置通过三维坐标系表示出来，那么所模拟出来的隧道轴线即为实际的隧道，将轴线的三维立体模型同初始设计图纸的数据参数进行对比，能够判断出其地铁隧道轴线的整置改变状况，及对其所可能会发生的移动趋势作出相应的预测，从而将其应用于紧急状况下的地铁调度与实际运行管理当中。

5 结论

在地铁隧道断面收敛测量中应用3D激光扫描技术，其所测量的数值精度要显著优于一般的常规性测量方式，其具备有快捷、高效、成本低等显著优势，能够保障在地铁隧道断面收敛测量当中检测保护及施工维护，所需要的各项数据信息更加准确、可靠。3D激光扫描技术在实际的应用过程当中，主要包括了测站点的布设与标志球控制、外业数据采集、数据拼接处理、轴线生成与拟合半径、断面数据生成等五个方面的内容。最终希望通过本文的研究内容能够为相关的地铁隧道断面收敛测量，提供一些可供参考的内容与方法。