移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營(yíng)隧道病害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

高 洪，李 凱，馬全明，韓志晟，孫丕川

(1. 武漢地鐵橋隧管理有限公司，湖北 武漢 430000； 2. 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

在地鐵隧道建成以后，由于所處地質(zhì)條件差或周邊臨近基坑施工等原因，隧道會(huì)出現(xiàn)漏水、裂縫、下沉、變形及環(huán)片錯(cuò)臺(tái)等病害。根據(jù)《城市地下空間檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于盾構(gòu)法隧道健康檢測(cè)的規(guī)定，需要對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)的斷面測(cè)量方式只測(cè)量特定點(diǎn)或特定位置的數(shù)據(jù)，而站式三維激光掃描系統(tǒng)為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù),每隔一定距離就需要架設(shè)一站,每一站掃描時(shí)間都較長(zhǎng)，同時(shí)站式掃描儀有一定區(qū)域的盲區(qū)，不能360°全覆蓋掃描。移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得隧道變形檢測(cè)工作變得高效、簡(jiǎn)便。目前，北京、上海、廣州、武漢等地鐵建設(shè)工程都在積極的研究應(yīng)用這種新型的測(cè)量技術(shù)。本文以武漢地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的大規(guī)模的掃描實(shí)踐為例，首先闡述利用移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行隧道變形監(jiān)測(cè)的基本原理，介紹實(shí)施監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)、外業(yè)工作流程，并結(jié)合具體的工程實(shí)例驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和高效性。

1 移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)的基本原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)集高精度三維掃描儀、GNSS/INS組合定位定姿裝置、線結(jié)構(gòu)激光測(cè)量傳感器以及高清全景相機(jī)等多種傳感器于一體，能夠快速獲取高質(zhì)量的軌道及周圍環(huán)境三維點(diǎn)云，隧道環(huán)片的位置里程、精確的鋼軌廓形等信息。具有生產(chǎn)作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活、速度快，圖像分辨率高，數(shù)據(jù)成果可靠及信息全面等特點(diǎn)。

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成，系統(tǒng)組成部分如圖1所示。

(1) 用于測(cè)定激光雷達(dá)信號(hào)發(fā)射參考點(diǎn)到隧道表面激光腳點(diǎn)間距離的激光掃描儀。

(2) 用于協(xié)調(diào)各傳感器的運(yùn)行，記錄所有回波數(shù)據(jù)、位置信息、掃描時(shí)間的實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。

(3) 軌檢小車：搭載有里程計(jì)、傾斜傳感器、激光測(cè)距傳感器及用于控制掃描儀和各個(gè)傳感器的計(jì)算機(jī)。

(4) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

(5) 用于數(shù)據(jù)后處理、DMI確定、不同數(shù)據(jù)源觀測(cè)值之間的時(shí)間同步、激光采樣點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算、坐標(biāo)數(shù)據(jù)的分類與特征提取、數(shù)據(jù)的融合處理、數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與管理、數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理軟件等[4- 7]。

1.2 移動(dòng)三維測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的基本原理

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)中的測(cè)距單元包括激光發(fā)射器和接收器，激光掃描是主動(dòng)工作方式，由激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，而由掃描裝置控制激光束發(fā)射出去的方向。在接收器接受被返回來(lái)的激光束后由記錄單元進(jìn)行記錄；同時(shí)，軌檢小車上搭載有里程計(jì)、傾斜傳感器、激光測(cè)距傳感器及用于控制掃描儀和各個(gè)傳感器的計(jì)算機(jī)，可以同步采集里程、傾角及軌距數(shù)據(jù)[1- 3]。主要工作原理如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理軟件采用北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院與武漢地鐵聯(lián)合開(kāi)發(fā)的針對(duì)地鐵隧道病害檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

小車搭載了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在采集隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時(shí)可以通過(guò)測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，進(jìn)而得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。進(jìn)入數(shù)據(jù)處理軟件的點(diǎn)云配準(zhǔn)界面，輸入相應(yīng)參數(shù)后可自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，點(diǎn)云配準(zhǔn)完成后，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理并生成圖片。該軟件系統(tǒng)下圓形隧道的水平距離和豎直距離按1∶1真實(shí)尺寸生成，可進(jìn)行量測(cè)，軌道面的水平方向的距離可進(jìn)行量測(cè)，豎直方向不可進(jìn)行量測(cè)。

由于小車輪子半徑測(cè)量誤差、掃描儀同里程計(jì)的時(shí)間誤差及軌道不平整等因素影響，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的點(diǎn)云里程不準(zhǔn)，因此需要進(jìn)行里程校準(zhǔn)，軟件系統(tǒng)可加載里程樁數(shù)據(jù)(靶標(biāo)球，且最少加載兩個(gè)里程樁)，并根據(jù)里程樁對(duì)里程進(jìn)行修正。雙擊圖片后圖片的里程信息和圖片名均已修改，修正完之后顯示修正因子，點(diǎn)云里程校準(zhǔn)完成后，里程計(jì)和掃描儀的時(shí)間系統(tǒng)不再有偏差，里程計(jì)推算出的里程和實(shí)際里程的差值被校正，從而可以根據(jù)掃描時(shí)間推算出每個(gè)掃描點(diǎn)的里程。上述處理完成后，在圖片上查找起始環(huán)號(hào)，確認(rèn)第一個(gè)環(huán)號(hào)的值，以里程作為基準(zhǔn)對(duì)環(huán)片進(jìn)行編號(hào)，點(diǎn)擊自動(dòng)生成環(huán)片，對(duì)整個(gè)區(qū)間的環(huán)片進(jìn)行識(shí)別，便可顯示環(huán)號(hào)和對(duì)應(yīng)的里程，如圖3所示。

對(duì)所有環(huán)號(hào)按起始環(huán)號(hào)進(jìn)行編輯，以重置環(huán)片數(shù)據(jù)庫(kù)，并檢核編號(hào)準(zhǔn)確性。選取環(huán)片的中間位置，左右各偏離100 mm進(jìn)行擬合，選擇最優(yōu)的橢圓結(jié)果作為該環(huán)片的擬合結(jié)果。擬合算法采用Fitzgibbon的橢圓擬合方法，擬合前，先使用RANSAC算法剔除掉噪聲點(diǎn)，以保證擬合效果。

2 內(nèi)外業(yè)作業(yè)流程

移動(dòng)三維激光掃描系統(tǒng)作業(yè)流程主要分為外業(yè)流程和內(nèi)業(yè)流程兩個(gè)部分。

2.1 外業(yè)作業(yè)流程

外業(yè)工作主要包括以下幾個(gè)步驟：

(1) 校準(zhǔn)超高傳感器，將手推車放在水平的軌道上，讀取超高傳感器的當(dāng)前值，將小車旋轉(zhuǎn)180°，再讀取測(cè)量值；按照(Reading1+Reading2)/2計(jì)算誤差。

(2) 找到某處里程樁，以此為起始點(diǎn)進(jìn)行里程定位。

(3) 在里程樁處放置靶標(biāo)球或粘貼靶標(biāo)紙。

(4) 推動(dòng)小車沿隧道進(jìn)行連續(xù)斷面掃描。

2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

內(nèi)業(yè)工作主要包括：

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理：軟件根據(jù)原始數(shù)據(jù)自動(dòng)整合超高數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、軌距、里程等信息，生成可供用戶使用的數(shù)據(jù)。

(2) 里程匹配：匹配目的是便于將現(xiàn)場(chǎng)分成多次采集的數(shù)據(jù)在后一步工作中進(jìn)行合并。里程匹配將數(shù)據(jù)與實(shí)際里程信息對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣多期測(cè)量時(shí)，可以找到相同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

(3) 數(shù)據(jù)導(dǎo)出：導(dǎo)出關(guān)注區(qū)域的橫斷面點(diǎn)集數(shù)據(jù)，每個(gè)盾構(gòu)管片選取兩個(gè)斷面以便相互檢核。

(4) 數(shù)據(jù)分析：將導(dǎo)出的橫斷面點(diǎn)集數(shù)據(jù)導(dǎo)入開(kāi)發(fā)的后處理軟件中，進(jìn)行相應(yīng)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理及分析。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

3 工程案例分析

3.1 項(xiàng)目概況

武漢地鐵某盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間全長(zhǎng)1250 m，全部為地下隧道，測(cè)試線路起止部分在車站直線段，中間為S形曲線，外業(yè)采用移動(dòng)式三維激光掃描儀對(duì)地鐵隧道內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，內(nèi)業(yè)結(jié)合自主研發(fā)軟件獲取內(nèi)壁灰度影像，完成了隧道限界檢測(cè)、逐環(huán)直徑收斂、橫斷面分析，病害檢測(cè)，附屬設(shè)施調(diào)查等成果。

3.2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

試驗(yàn)具體步驟如下：

(1) 以區(qū)間起點(diǎn)為起始位置，區(qū)間終點(diǎn)為掃描結(jié)束位置，并做好起始點(diǎn)和終點(diǎn)標(biāo)記。

(2) 從起點(diǎn)推至測(cè)試終點(diǎn)，采集原始數(shù)據(jù)。

(3) 從終點(diǎn)推至測(cè)試始點(diǎn)，校準(zhǔn)初始數(shù)據(jù)。

(4) 在不同位置(位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定)布置不同厚度靶標(biāo)，做好記錄(非測(cè)試人員任意布置)。

(5)結(jié)束數(shù)據(jù)采集，收集布置靶標(biāo)，檢查測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)是否有遺漏物品，將設(shè)備推行到下道處，清點(diǎn)、搬運(yùn)下道。

準(zhǔn)備工作完畢后，即可推動(dòng)移動(dòng)激光測(cè)量設(shè)備對(duì)高速鐵路隧道進(jìn)行掃描測(cè)量，得到隧道的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在進(jìn)行地鐵隧道的相關(guān)檢測(cè)前，對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是必不可少的部分，其內(nèi)容主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波(噪聲剔除)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及前后兩次掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)等。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 地鐵隧道三維點(diǎn)云成果及灰度正射影像分析

通過(guò)融合解算得到隧道三維點(diǎn)云成果(如圖5所示)和正射灰度影像圖(如圖6所示)，生成點(diǎn)云成果對(duì)比精度報(bào)告，并輸出不同掃描速度點(diǎn)云密度報(bào)告。通過(guò)隧道的正射灰度影像圖，可以得到隧道內(nèi)整體情況和隧道內(nèi)細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)[8- 9]。

3.3.2 隧道斷面分析

分析統(tǒng)計(jì)隧道形變量，并輸出隧道斷面分析報(bào)表。點(diǎn)云自動(dòng)識(shí)別環(huán)片，將每個(gè)環(huán)片進(jìn)行切片，選取特定位置的斷面分析，通過(guò)兩條軌道連線的中點(diǎn)得到斷面中心位置，并可以擬合出設(shè)計(jì)斷面，將實(shí)際斷面和設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行比對(duì)，得到每環(huán)每個(gè)部分的變化情況，隧道橫斷面分析如圖7所示。

3.3.3 隧道病害(滲水及管片破損脫落檢測(cè))

通過(guò)對(duì)隧道點(diǎn)云分析，可提取隧道襯砌脫落的位置及隧道滲水區(qū)域、裂縫區(qū)域的位置，并計(jì)算對(duì)應(yīng)面積[10- 13]，積水區(qū)位置及面積成果如圖8所示。從圖中可以看出，本區(qū)域最大積水面積位于K15+491.09—K15+494.17里程，最小積水面積位于K15+489.96—K15+490.14里程，可為運(yùn)營(yíng)管理部門提供數(shù)據(jù)支持。

3.3.4 限界檢測(cè)

對(duì)軌道凈空進(jìn)行快速精確檢測(cè)，快速獲得軌道高精度斷面數(shù)據(jù)，根據(jù)鐵路軌道的限界規(guī)定判定是否存在異物侵限。將設(shè)計(jì)給出的車輛邊界線疊加到斷面上可以得到每個(gè)環(huán)片的侵界位置及侵界程度，超限區(qū)域如圖9所示。

3.3.5 環(huán)片斷面錯(cuò)臺(tái)分析

通過(guò)軟件處理可自動(dòng)生成環(huán)片實(shí)際位置，并能夠?qū)φ麄€(gè)區(qū)間的環(huán)片進(jìn)行識(shí)別，可顯示環(huán)號(hào)和對(duì)應(yīng)的里程，選取環(huán)片縫中間左右間隔5 cm的區(qū)域進(jìn)行錯(cuò)臺(tái)分析，利用相鄰環(huán)片的斷面圖，以軌道中心為基準(zhǔn)相互疊加得到兩環(huán)片相對(duì)位置變化情況，從而得到延軌道方向的錯(cuò)臺(tái)變化。

以錯(cuò)臺(tái)7 mm為邊界，篩選得到所有錯(cuò)臺(tái)大于7 mm的管片位置、錯(cuò)臺(tái)弧長(zhǎng)、錯(cuò)臺(tái)位置、錯(cuò)臺(tái)量。環(huán)片斷面錯(cuò)臺(tái)分析數(shù)據(jù)成果如圖10所示。

3.3.6 隧道壞片橢圓度分析

利用掃描的隧道數(shù)據(jù)，可逐環(huán)統(tǒng)計(jì)隧道管片直徑。以橢圓度0.005為界限，得到橢圓度超過(guò)界限的環(huán)號(hào)和對(duì)應(yīng)的環(huán)片水平直徑。水平直徑表示隧道在水平方向的形變數(shù)值，橢圓度表示隧道整體的變形程度，橢圓度越大，隧道變率越大。通過(guò)軟件可自動(dòng)分析得到所有超過(guò)界限的環(huán)片號(hào)和相關(guān)數(shù)據(jù)信息，隧道環(huán)片橢圓度分析見(jiàn)表1。

表1 隧道環(huán)片橢圓度分析

3.4 移動(dòng)三維激光掃描精度分析

3.4.1 移動(dòng)三維激光掃描同人工觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

為分析三維激光掃描儀進(jìn)行斷面測(cè)量的精度，用全站儀對(duì)相同里程的斷面進(jìn)行人工測(cè)量，將擬合后的數(shù)據(jù)同三維激光掃描儀的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11—圖13所示，結(jié)果顯示兩種方法的數(shù)據(jù)差值絕大部分(超過(guò)96%)位于-15～15 mm內(nèi)，個(gè)別差值達(dá)到20 mm。經(jīng)分析，個(gè)別數(shù)據(jù)差值較大的原因可能是受隧道內(nèi)該位置有施工材料、積水等因素的影響，導(dǎo)致軟件計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)些許偏差，此為粗差，可在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行修改完善。

利用三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)處理后生成的點(diǎn)云模型不僅可以用于隧道斷面的加密，還可以作為地鐵隧道限界檢測(cè)的依據(jù)，為列車的運(yùn)行提供良好的模擬環(huán)境，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可重復(fù)利用，避免了外業(yè)數(shù)據(jù)的重復(fù)采集；同時(shí)，斷面測(cè)量成果還可以為隧道三維建模等工作提供相應(yīng)支持。

3.4.2 移動(dòng)三維激光掃描兩次掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析

利用同一時(shí)間、同一基準(zhǔn)得到的兩次掃描結(jié)果，將相同位置的兩段點(diǎn)云利用軌道中心為基準(zhǔn)進(jìn)行疊加，橫軸為里程、縱軸為變形量。即可得到兩次掃描點(diǎn)云的誤差，從而得到移動(dòng)三維激光掃描的精度情況。

根據(jù)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)分析可知，兩次掃描點(diǎn)云空間位置差值均在3 mm以內(nèi)，兩個(gè)掃描間隔很短，可以認(rèn)為在此期間隧道沒(méi)有發(fā)生形變，說(shuō)明三維激光掃描的精度達(dá)到了3 mm。移動(dòng)三維激光掃描兩次掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析如圖14所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)具有非接觸測(cè)量、測(cè)量速度快、精度高、點(diǎn)云空間密度大等特點(diǎn)，可以為列車的運(yùn)行提供良好的模擬環(huán)境，點(diǎn)云數(shù)據(jù)可重復(fù)利用，避免外業(yè)數(shù)據(jù)的重復(fù)采集，為地鐵隧道斷面測(cè)量、變形檢測(cè)監(jiān)測(cè)等工作提供了新的技術(shù)手段，獲取的數(shù)據(jù)利用價(jià)值高。本文詳細(xì)論述并通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證了利用移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道變形檢測(cè)實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，精度準(zhǔn)確，說(shuō)明移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)可以作為地鐵隧道襯砌變形及限界檢測(cè)監(jiān)測(cè)等工作的方法，具有廣闊的前景。由于該技術(shù)目前的應(yīng)用處于起步階段，有些內(nèi)容仍有待進(jìn)一步完善，如環(huán)片脫落、滲漏水等災(zāi)害的檢測(cè)目前還只能通過(guò)人工識(shí)別的方式，里程配準(zhǔn)方法自動(dòng)化程度和精確度不高，外業(yè)數(shù)據(jù)采集在滿足地鐵隧道變形檢測(cè)精度要求的前提下需要探索一套最簡(jiǎn)便快速的工作方法等。隨著移動(dòng)三維激光掃描技術(shù)在地鐵中應(yīng)用的不斷推廣和發(fā)展，該技術(shù)將逐步完善并在地鐵相關(guān)工作中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。