基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

楊永波

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

楊永波

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

研究了將地面激光技術(shù)應(yīng)用于地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)，運(yùn)用精簡(jiǎn)后點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建地鐵隧道模型，對(duì)隧道進(jìn)行整體變形分析，構(gòu)建地鐵隧道三維模型不僅提高了變形監(jiān)測(cè)精度，而且能夠反映隧道整體變形趨勢(shì)。

地面激光技術(shù);隧道變性;監(jiān)測(cè)技術(shù)

前言

隨著新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，激光技術(shù)也不斷的取得新的進(jìn)步，其精度不斷得到提高，在比較高的精度變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)，使用高精度的激光掃描儀已經(jīng)成為現(xiàn)在的研究趨勢(shì)。在本文中，探討了地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)構(gòu)建了地鐵隧道的模型，從而從整體的變形角度對(duì)隧道進(jìn)行研究。

一、地面激光技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)中，所運(yùn)用的控制點(diǎn)坐標(biāo)是按照單點(diǎn)三角測(cè)量的時(shí)間序列排序的，所需要的檢測(cè)時(shí)間比較長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，而且監(jiān)測(cè)的結(jié)果受到多個(gè)方面的因素的影響。地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中可以通過(guò)短時(shí)間就可以全面獲取變形監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，并且對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而進(jìn)行變形分析，正因?yàn)槿绱说孛婕す饧夹g(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，在地面激光技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用存在著多個(gè)方面的問(wèn)題需要解決:隧道掃描多個(gè)站臺(tái)數(shù)據(jù)的過(guò)程中缺乏相應(yīng)的控制，因此道之所掃描出來(lái)的數(shù)據(jù)拼接精度不高;其次，地面激光儀器可以在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)掃描得到云數(shù)據(jù)，然而所獲得的這些數(shù)據(jù)是處于不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)，很難在其中找到同名點(diǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)將地面激光數(shù)據(jù)和其他的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多站數(shù)據(jù)的拼接，從而提高數(shù)據(jù)拼接的精度。

二、實(shí)驗(yàn)與研究

1、實(shí)驗(yàn)具體流程。選擇某地區(qū)的地鐵交叉部分作為研究對(duì)象，長(zhǎng)度為100米，對(duì)其進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。因?yàn)槭艿浇ㄔO(shè)施工的影響，導(dǎo)致該段地鐵隧道發(fā)生變形，其變形的程度與地鐵的安全運(yùn)行存在這直接的聯(lián)系，所以必須重視對(duì)該地鐵進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，一共使用了三種監(jiān)測(cè)方法，包括了:地面激光技術(shù)、全站儀監(jiān)測(cè)技術(shù)以及光線位移計(jì)，具體的流程如下所示:

首先，所設(shè)置的控制點(diǎn)與站點(diǎn)分為三個(gè)組成部分，包括了對(duì)不同時(shí)間序點(diǎn)的云數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在不同時(shí)許點(diǎn)的坐標(biāo)全站儀多次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以及在不同時(shí)需控制點(diǎn)水準(zhǔn)儀高程數(shù)據(jù)進(jìn)行多次采集。其次，對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在不同時(shí)序點(diǎn)所采集到的云數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的拼接與濾波，通過(guò)點(diǎn)云法向量進(jìn)行精簡(jiǎn)，采用點(diǎn)云構(gòu)建網(wǎng)進(jìn)行變形分析。另一方面，對(duì)在全站儀和水準(zhǔn)儀所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)平方差計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行單點(diǎn)的變形監(jiān)測(cè)分析以及采用光線位移計(jì)進(jìn)行變形分析獲得數(shù)據(jù)，最后把該數(shù)據(jù)與點(diǎn)云構(gòu)建網(wǎng)的變形分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2、隧道的變形監(jiān)測(cè)分析。對(duì)所采集到的云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接以及預(yù)處理，精簡(jiǎn)預(yù)處理的云數(shù)據(jù)，所得的數(shù)據(jù)量得到大量的減少，變?yōu)樵瓉?lái)的五分之一，這些點(diǎn)是在原始云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的，依然保留著原來(lái)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，同時(shí)由于經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)預(yù)處理數(shù)據(jù)，其所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)用以進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)的速度得到大幅度加快。在構(gòu)建三角網(wǎng)的時(shí)候，由于可以保留大量的原始信息，因此所得到的變形分析結(jié)果具有極高的準(zhǔn)確性。其次，通過(guò)掃描儀進(jìn)行多次的掃描，采用建模對(duì)多次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行變形分析。隧道變形的趨勢(shì)體現(xiàn)在2次掃描數(shù)據(jù)的疊加情況，為了提高其度量標(biāo)準(zhǔn)的精準(zhǔn)度，可以對(duì)2個(gè)建模進(jìn)行高程相減來(lái)表達(dá)隧道的變形趨勢(shì)，如此一來(lái)，可以提高變形趨勢(shì)的準(zhǔn)確性，提高決策依據(jù)的可靠性。

對(duì)第1次掃描處理所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理之后的圖像顯示:

對(duì)2次不同時(shí)間段掃描處理所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模處理之后的圖像顯示:

從疊加的圖像中可以明顯的觀察到第1次掃描的結(jié)果和第2次掃描的結(jié)果在隧道建模的高程上存在著差異，第2次的隧道模型與第1次的隧道模型相比，其高程更為高一些，由此可見(jiàn)，隧道出現(xiàn)了變形。

3、對(duì)通過(guò)地面激光技術(shù)所監(jiān)測(cè)的結(jié)果、全站儀監(jiān)測(cè)的結(jié)果以及光纖位移計(jì)所監(jiān)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比:

(1)在J20的站點(diǎn)，光纖位移計(jì)觀測(cè)值是-9.3935，全站儀觀測(cè)值是-9.3910，地面激光技術(shù)觀測(cè)值是-9.3912，其與光纖位移計(jì)的差值是0.0023，與全站儀的差值是-0.0002;(2)在J21的站點(diǎn)，光纖位移計(jì)觀測(cè)值是-9.3935，全站儀觀測(cè)值是-9.3918，地面激光技術(shù)觀測(cè)值是-9.3920，其與光纖位移計(jì)的差值是0.0015，與全站儀的差值是-0.0002;(3)在J22的站點(diǎn)，光纖位移計(jì)觀測(cè)值是-9.3935，全站儀觀測(cè)值是-9.3923，地面激光技術(shù)觀測(cè)值是-9.3925，其與光纖位移計(jì)的差值是0.0010，與全站儀的差值是-0.0002;(4)在J23的站點(diǎn)，光纖位移計(jì)觀測(cè)值是-9.3936，全站儀觀測(cè)值是-9.3918，地面激光技術(shù)觀測(cè)值是-9.3920，其與光纖位移計(jì)的差值是0.0016，與全站儀的差值是-0.0002;(5)在J24的站點(diǎn)，光纖位移計(jì)觀測(cè)值是-9.3935，全站儀觀測(cè)值是-9.3913，地面激光技術(shù)觀測(cè)值是-9.3916，其與光纖位移計(jì)的差值是0.0020，與全站儀的差值是-0.0003。

從以上數(shù)據(jù)中的比較，可知地面激光技術(shù)檢測(cè)值與全站儀檢測(cè)值最為接近，二者的誤差比較小，這是由于地面激光技術(shù)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行全站儀修正與處理;其次，地面激光技術(shù)檢測(cè)值與光纖位移計(jì)檢測(cè)值的誤差比較大，雖然這個(gè)誤差仍然處于5mm的范圍之內(nèi)，但是與全站儀檢測(cè)結(jié)果的誤差值相比而言，是比較大的。由此可見(jiàn)，光纖位移計(jì)雖然具有精度高的檢測(cè)功能，但是該儀器需要提前放入隧道體里面，如此一來(lái)，便會(huì)對(duì)隧道造成破壞，也會(huì)大幅度的提高了成本，并不理想。因此，地面激光技術(shù)是監(jiān)測(cè)隧道變形的最適宜的選擇。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于地面激光技術(shù)的隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)具有著理想的監(jiān)測(cè)效果，值得廣泛推廣以及應(yīng)用。

［1］蔡來(lái)良，吳侃，張舒.點(diǎn)云平面擬合在三維激光掃描儀變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪科學(xué).2010(05)

［2］徐進(jìn)軍，王海城，羅喻真，王尚慶，嚴(yán)學(xué)清.基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理［J］.巖土力學(xué).2010(07)

［3］孫孝成.GPS技術(shù)在大跨度橋梁變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2012(04)

［4］王騰軍，楊海彥，楊志強(qiáng).基于云模型的大壩變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究［J］.測(cè)繪通報(bào).2012(02)

［5］王婷婷，靳奉祥，單瑞.基于三維激光掃描技術(shù)的曲面變形監(jiān)測(cè) ［J］.測(cè)繪通報(bào).2011(05)