三维激光扫描技术在城市轨道交通区间隧道收敛监测及病害检测中的应用

李敏锋

武汉地铁桥隧管理有限公司，湖北 武汉 430000

摘要：三维激光扫描技术因其数字化、自动化、高效率等特点，在不同领域得到了广泛的应用。本文从城市轨道交通区间隧道变形监测和病害检测的需求出发，通过与传统方法比对，结合工程应用分析验证了移动式三维激光扫描技术在区间隧道收敛监测及病害检测中的可行性与优势，为地铁区间隧道收敛监测及结构病害基础资料的获取提供了一种可靠的技术手段。

关键词:三维激光扫描；区间隧道；收敛监测；病害检测；可靠性

0 引言

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，近年来得到了飞跃的发展并在不同领域得到了广泛的应用[1~4]，是继全球定位系统技术之后又一项测绘技术新突破。

城市轨道交通在城市发展中起着举足轻重的作用，大多处于繁华地段，容易受临近保护区施工干扰产生一定的变形，另外区间隧道受地质条件、施工期质量缺陷、列车振动、服役时长等多种因素的影响,内部应力易出现不均匀变化，会产生隆沉、收敛、错台、开裂、掉块、渗漏水等病害。如果不及时掌握结构变形及质量情况并采取适当措施，势必存在潜在风险并影响运营安全。如何便捷获取结构变形及病害发展情况，指导病害整治显得尤为重要。

采用移动式三维激光扫描技术可以快速获得区间隧道土建结构收敛变形、错台、掉块、渗漏水等基本信息。

1 移动式三维激光扫描系统

1.1系统构成

系统主要由激光扫描仪、高精度惯性测量单元（IMU32）、车轮编码器及安装组件、多传感器同步控制电路以及存储单元、电源管理与保护模块、平板计算机/笔记本电脑、轨道小车等硬件集成，先完成对区间隧道原始数据采集，再内业配合数据后处理软件对高精度激光扫描点云数据进行处理。

本系统采用Z+F9012激光断面扫描仪，点云扫描速度高于100万点/秒，可以获得高精度、高密度、海量的断面扫描数据。

表1  Z+F9012激光扫描仪主要技术参数表
参数	指标	备注
测距方式	相位式
发射频率	不少于1MHz
测距精度	≤1mm	0.1mm分辨率
扫描频率	50-200Hz
角测量精度	0.02°
扫描角度	360°
激光发射角度	≤0.5mrad
激光点尺寸	1.9mm	@0.1m
最大测量距离	≥110m
最小测量距离	≤0.5m

1.2系统功能

系统软件针对激光扫描仪初始采集的高精度激光雷达点云数据，结合同步采集的高精度IMU惯导数据和DMI编码器数据，实现点云和POS高精度配准，之后利用配准后的点云进行高精度隧道灰度图片生产，可生成高清bmp灰度图、高清bmp深度图、管片逐环收敛结果、隧道横断面分析数据、渗漏水检测结果、错台检测结果和限界检测结果等分析成果。

2 运营隧道收敛变形监测

长期收敛监测可采用固定测线法（全站仪、收敛计、红外激光测距仪）、全断面扫描法、激光扫描仪法及满足精度要求的其他测量方法[5]。

与传统的测量技术相比，三维激光扫描仪采取非接触模式，在精密传感器工艺的支持下，通过接收自身发射的激光脉冲回波信号对目标进行空间位置和光谱信息的探测，基于准平行激光束，使用采样间隔小并且分布均匀的点阵或格网获取目标信息，即保证了坐标数据的精度又具有全数字特征、自动化程度及作业效率均高的优势。

3 三维激光扫描收敛变形精度分析

目前，城市轨道交通区间隧道采用盾构法施工较为普遍，设计截面常是标准的圆形，但在施工阶段受管片拼装误差及运营后在外荷载的作用下，会产生一定量的不均匀变形，截面会更接近离心率比较小的椭圆，而且隧道顶端容易沉降，起拱线附近容易扩张。使得断面更易形成椭圆形状，将隧道断面拟合成椭圆形状有一定的合理性[6]，故采用拟合椭圆参数表征管片截面变形较为可靠。

为检核移动三维激光扫描测量的拟合成果内部符合精度，随机选取1063环管片进行拟合计算，得左、右线椭圆拟合标准差均值为±2.5、±2.7mm，与leica TM50全站仪拟合标准差均值为±2.2mm接近，说明三维激光扫描椭圆拟合模型计算的各种参数可靠，管片断面点云椭圆拟合标准差见图1、图2。

图1 区间左线管片点云椭圆拟合标准差

图2 区间右线管片点云椭圆拟合标准差

为检核移动三维激光扫描测量成果的外部符合精度，与leica TM50全站仪测量、拟合管片收敛值相比较，采用徕卡D210激光测距仪直接获取水平直径值作为校核，获取比对值见图3。

图3 三维激光扫描与全站仪拟合管片水平收敛差值对比图

从图3看出，拟合椭圆精度较高，仅有2环管片拟合标准差超过±3mm为±5mm、±4mm，其余均不大于±3mm，所有24环管片椭圆拟合标准差均值为±2.2mm，说明利用断面椭圆拟合模型计算的长轴、短轴和水平收敛等计算可靠。

另外，移动三维激光扫描得到的水平收敛与全站仪测量值最大差值绝对值为8mm，取隧道左、右线1063环管片三维激光、全站仪椭圆拟合标准差均值为±2.6mm、±2.2mm，则计算水平收敛差值中误差近似为±3.5mm。若按2倍中误差±7mm作为差值极限误差标准，仅有3环水平收敛差值超过7mm，说明两组成果基本一致。从两组成果差值符号分析，三维激光扫描得到的水平收敛普遍大于全站仪，说明两组成果存在一定系统误差。考虑系统误差在重复测量的差值计算中可以消除，因此，可认为移动三维激光扫描测量获得管片收敛变形值较为可靠。

4三维激光扫描病害成果可靠性分析

管片错台、掉块复核采用普通钢板尺加拍照方式进行，渗漏水位置复核采用拍照方式进行，复核内容主要是病害位置及程度。通过常规方法与三维激光扫描成果比对，移动三维激光扫描可用于隧道错台、掉块、渗漏水病害识别、分析。

5 工程实例

应用移动式三维激光扫描技术获取区间隧道海量点云数据，进行去噪、配准、融合，利用高精度点云数据及影像等进行隧道收敛监测及病害预判已成功应用于武汉地铁运营监测及新线竣工验收中，为掌握区间隧道结构状态及制定处理措施提供必要的基础资料。

图4 高清bmp灰度图

图5 高清bmp深度图

表2  收敛结果示例

序号	里程	环号	椭圆长轴(m)	椭圆短轴(m)	椭圆度(°)	偏转角(°)	水平直径(m)	差值（mm）	标准差(mm)
1	K8+917.229	0	5.533	5.496	0.007	31	5.520	20	5
2	K8+918.343	1	5.536	5.495	0.007	10	5.531	31	2
3	K8+919.800	2	5.532	5.500	0.006	3	5.532	32	2
4	K8+921.318	3	5.527	5.508	0.003	-4	5.526	26	2
5	K8+922.855	4	5.523	5.508	0.003	21	5.521	21	2
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…

图6管片收敛CAD示例图

表3管片渗水检测结果示例

序号	里程	环号	病害类型	角度/°	渗水面积/m²
1	K9+103.156	124	渗水区	324	0.39
2	K9+142.257	137	渗水区	335	2.35
…	…	…	…	…	…

表4管片错台检测结果示例

序号	环号	管片宽度/m：1.5	隧道内径/m：2.75		断面间隔/mm：10
		管片左侧里程	管片右侧里程	起止角度/°	错台弧长/m	平均错台量/mm
1	139|140	K9+127.242	K9+127.142	240～270	1.44	26
…	…	…	…	…	…	…

图7  隧道限界拟合结果示例

6 结束语

三维激光扫描技术可应用于城市轨道交通区间隧道断面收敛监测及病害检测中，随着运营线路的快速增长，应用前景十分广阔；

三维激光扫描技术其海量的数据对后处理的要求较高，且对于渗漏水、裂缝等病害信息获取及分析的手段、可靠性仍不够，以期通过进一步优化识别机理、算法，提高系统精度、自动化、实时化、智能化程度，进一步拓宽其在城市轨道交通及其他领域的应用研究。

参考文献

[1]白文斌,崔磊,张凤录.三维激光扫描技术在古建测量领域应用研究[J].北京测绘，2013(4):45-47

[2]张蕴明,马全民,李氶鹏,等.三维激光扫描技术在地铁隧道收敛监测中的应用[J].测绘通报.2012(S1):438-440

[3]托雷,康志忠,谢远成,等.利用三维点云数据的地铁隧道断面连续截取方法研究[J].武汉大学学报·信息科学版，2013.38(2)：171-175

[4]刘艳萍,程效军,贾东峰.基于三维激光扫描的隧道收敛分析[J].工程勘察，2013（3）：74-77

[5]姚春桥,廖建生,陈聪,等.轨道交通工程运营期结构监测技术规程[S].DB4201/T  646-2021:13

[6]徐教煌,王嘉伟.三维激光扫描技术在地铁圆形盾构隧道检测中的应用[J].北京测绘，2018，32（6）:674-680