隧道區(qū)間3D掃描測量技術(shù)研究及應(yīng)用

■ 中鐵十一局集團電務(wù)工程有限公司 萬傳建

引言

現(xiàn)階段，軌道交通包含大量隧內(nèi)施工，隧內(nèi)供電等專業(yè)均需經(jīng)過大量的隧道打孔作業(yè)才能開始安裝，受地下條件的限制，地下隧道的空間定位測量一直是一個重難點工序。供電專業(yè)的安裝與軌道密切相關(guān)，傳統(tǒng)的供電測量方法主要以軌道線路中心線為基準，在軌道完成后通過DJJ-8測量儀的方法在區(qū)間里進行隔段抽樣測量單個支架，傳統(tǒng)測量方法需要進行大量人工抽樣測量，并且需要在鋪軌完成后才可以實施，這就嚴格限制了物資訂貨和進場施工的進度，要求其也必須在軌道完成后進行。本文針對供電工程施工受站前單位制約的情況，提出利用3D掃描與BIM技術(shù)結(jié)合的方法，以解決供電隧道施工中定測的問題，在隧道貫通后即進場測量，為材料加工節(jié)約時間，縮短施工周期，統(tǒng)籌各專業(yè)測量施工，提高效率，節(jié)約項目成本[1]-[2]。

1.基于3D掃描的隧道接觸網(wǎng)測量

軌道交通接觸網(wǎng)懸掛分為剛性和柔性兩種，剛性接觸網(wǎng)主要用于地鐵隧道內(nèi)機車供電；柔性懸掛主要用于地鐵車場、隧道外、國鐵等機車供電。在施工和維護中需要對接觸網(wǎng)導(dǎo)高、拉出值、定位器坡度等進行反復(fù)測量，以保證電力機車平穩(wěn)受流，安全運行。

目前，國內(nèi)外接觸網(wǎng)參數(shù)測量主要以光學手持式測量儀器和車載式測量儀器為主。在測量過程中，前者只是數(shù)據(jù)測量的顯示，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲記錄；后者為車輛式光學測量，具備人工操作數(shù)據(jù)記錄功能，記錄位置準確性有偏差，過程監(jiān)控主要為圖片形式，只能測量接觸網(wǎng)中導(dǎo)線的數(shù)據(jù)參數(shù)，不具備接觸網(wǎng)全參數(shù)測量功能。本文主要針對接觸網(wǎng)參數(shù)的采集及應(yīng)用進行研究，利用3D掃描設(shè)備實時動態(tài)測量接觸網(wǎng)各項參數(shù)。針對不同類型的接觸網(wǎng)，可以準確測出接觸網(wǎng)的導(dǎo)高、拉出值、定位器坡度，具備同步里程、桿號記錄、側(cè)面限界等記錄功能，完成特定位置的測量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步保存、導(dǎo)出，為接觸網(wǎng)施工管理、運營維護等提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2.3D掃描技術(shù)實施分析

3D掃描技術(shù)被稱作“真實場景復(fù)制技術(shù)”，又稱“高清測量技術(shù)”，通過高速激光掃描測量，建立掃描對象的三維坐標，達到場景按比例復(fù)制的效果[3]。三維激光掃描技術(shù)通常采用高分辨率圖像采集系統(tǒng)，結(jié)合測距傳感器和高精度角度傳感器，獲得被測對象的距離、角度等三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)輸入初始點實現(xiàn)準確定位。目前，三維激光掃描儀可實現(xiàn)1km以內(nèi)，掃描精度達2.5mm，可滿足當前軌道交通測量誤差的需求。

2.1 3D掃描數(shù)據(jù)的獲取

3D掃描設(shè)備可以直接掃描被測物體或區(qū)段，獲得對應(yīng)真實點云數(shù)據(jù)[4]，并通過軟件提取出軌道中心線、疏散平臺、環(huán)網(wǎng)安裝高程線、接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)等數(shù)據(jù)以及需要避開的孔縫數(shù)據(jù)，為接觸網(wǎng)安裝調(diào)整、快速建模軟件計算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（1）現(xiàn)場掃描

掃描前，需踏勘現(xiàn)場，清除隧道兩側(cè)雜物，并保證無其他作業(yè)人員。在區(qū)間起終點，CPIII基準點處設(shè)置靶標，記錄對應(yīng)的坐標信息，便于后期數(shù)據(jù)融合及坐標系建立。采用RMMS移動測量儀或地面站式掃描儀作為主要掃描設(shè)備，采集盾構(gòu)截面點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)與貫通測量數(shù)據(jù)在同一坐標系。以調(diào)線調(diào)坡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過自主研發(fā)的BIM插件建立1:1軌道模型線，模型線數(shù)據(jù)與貫通測量數(shù)據(jù)在同一坐標系。

掃描時，需保證設(shè)備平穩(wěn)、勻速前進，設(shè)備前方設(shè)置安全員檢查鋼軌實時情況，避免設(shè)備顛簸，并在掃描完成后保存現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)。圖1為現(xiàn)場掃描圖，圖2為掃描所得點云模型圖。

圖1 現(xiàn)場掃描

圖2 掃描所得點云模型

（2）點云數(shù)據(jù)處理

將多個測站掃描的點云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標下，從而顯示隧道區(qū)間完成的點云信息[5]-[6]。在隧道掃描中，主要依據(jù)靶標數(shù)據(jù)將掃描點云數(shù)據(jù)按照區(qū)間融合拼接，進一步做精度優(yōu)化處理。在隧道區(qū)間引入靶標數(shù)據(jù)，通過坐標變換實現(xiàn)多片點云數(shù)據(jù)的拼接。多片點云數(shù)據(jù)的拼接主要依托點云軟件自動融合，圖3為點云軟件融合流程。

圖3 點云軟件融合流程

（3）隧道幾何特征線提取

隧道幾何特征線包括沿隧道縱向的中心線和垂直于中心線的截面輪廓線，是準確描述隧道幾何形狀的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)線。隧道幾何特征線的提取可采用斷面外推的自動算法實現(xiàn)[7]。針對構(gòu)建的點云數(shù)據(jù)，通過設(shè)置可自動跟蹤隧道中軸線并同步截取等間隔隧道橫截面的方法，獲取隧道幾何特征線。在點云數(shù)據(jù)中獲取點云法向并建立描述法向分布的單位高斯球，在高斯球上確定最顯著大圓，逐步確定隧道中心處中軸線方向，利用局部點云數(shù)據(jù)精確隧道橫截面方向，與截面斷面點形成閉合的輪廓線[8]。根據(jù)中軸線防線走勢預(yù)測下一截面位置，根據(jù)下一區(qū)段點云數(shù)據(jù)重新調(diào)整新的斷面截面和輪廓線，從而獲取至掃描區(qū)段所有截面，同時獲取精準的斷面輪廓線，完成隧道中軸線的提取。根據(jù)各專業(yè)需要提取的隧道特征線，為下一步獲取所需數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。圖4為隧道中心線提取圖，圖5為盾構(gòu)縫提取圖。

圖4 隧道中心線提取

圖5 盾構(gòu)縫提取

2.2 3D掃描數(shù)據(jù)的應(yīng)用

通過高精度車載RMMS移動測量系統(tǒng)平臺，獲得高密集、高精度的激光點云數(shù)據(jù)。根據(jù)各專業(yè)施工要求，提取隧道點云特征線，導(dǎo)出Revit所能識別的點云模型，完成3D快速建模，從而實現(xiàn)鐵路隧道施工測量、材料統(tǒng)計、接觸網(wǎng)、電力施工指導(dǎo)及城市軌道交通材料統(tǒng)計及施工管理，如圖6、圖7所示，提高現(xiàn)場安裝效率，縮短工期[9]-[10]。

圖6 接觸網(wǎng)懸掛

圖7 疏散平臺支架

（1）快速建立三維模型

利用獲取的精準點云數(shù)據(jù)，結(jié)合快速建模插件，導(dǎo)入軌面中心線坐標、隧道中心線坐標、隧道區(qū)間材料型號數(shù)據(jù)，結(jié)合準備的構(gòu)件、專業(yè)設(shè)備及相關(guān)材料參數(shù)化族（圖8），完成隧道區(qū)間三維模型的建立（圖9）。通過查看校對斷面檢查安裝點位置，判定其是否滿足設(shè)計要求，如距離孔縫的位置，對不符合要求處重新修改定位點。

圖8 支架參數(shù)化族

圖9 計算建模

（2）模型參數(shù)導(dǎo)出

三維模型建立調(diào)整后，采用構(gòu)件編碼作為數(shù)據(jù)庫與三維模型的交互紐帶，明確需要導(dǎo)出的主要參數(shù)，并將主要性能參數(shù)放置于數(shù)據(jù)庫中，按照數(shù)據(jù)屬性導(dǎo)出所需數(shù)據(jù)[11]。接觸網(wǎng)剛性懸掛導(dǎo)入超高點坐標文件、股道數(shù)據(jù)文件、剛性懸掛族、拉出值數(shù)據(jù)、選擇匯流排長度，軟件自動導(dǎo)出懸掛點跨距、左右側(cè)錨栓選型長度、偏移后的剛性懸掛BIM模型。圖10為數(shù)據(jù)導(dǎo)出圖，圖11為模型導(dǎo)出圖。

圖10 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

圖11 模型導(dǎo)出

3.應(yīng)用效果

隧道區(qū)間3D掃描測量技術(shù)，利用3D激光掃描儀、CCD相機、多傳感器同步控制單元搭建了一套具有快速、高精度、密集點云采集、里程同步等功能的高精度移動測量系統(tǒng)。該技術(shù)基于坐標系變換理論，快速實現(xiàn)數(shù)字測量，準確高效采集隧道區(qū)間的模型數(shù)據(jù)，通過快速建模插件，成功構(gòu)建隧道區(qū)間模型。該技術(shù)提出的三維激光測量、雙向構(gòu)建BIM模型的組合式數(shù)據(jù)獲取方式，能夠有效解決傳統(tǒng)隧道測量采用的卷尺、手持式激光測距儀的測量方法，有效避免因軌道調(diào)整造成測量的誤差。

現(xiàn)以杭州地鐵5號線隧道施工為例，將3D掃描快速建模方法與傳統(tǒng)隧道測量方法進行對比研究，其主要發(fā)現(xiàn)包括以下幾個方面：一是傳統(tǒng)接觸網(wǎng)剛性懸掛施工定制精準材料需要全線測量4次，在打孔后的精準測量才能得出滿足需求的錨栓訂貨數(shù)據(jù)，而3D掃描測量技術(shù)實現(xiàn)提前測量，減少現(xiàn)場工序的制約，縮短工期；二是傳統(tǒng)施工各專業(yè)均有各自測量工作，3D掃描測量技術(shù)一次即可得出各專業(yè)（電力、通信）數(shù)據(jù)，且掃描速度快（目前約為4.5km/h），大幅減少現(xiàn)場測量工作；三是采用3D掃描測量技術(shù)，電力照明支架訂貨選型準確率達98%，角度誤差＜1°，剛性懸掛錨栓選型準確率97%，各專業(yè)錨栓定位可滿足施工要求。

綜上所述，3D掃描測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)隧道項目的快速建模，實現(xiàn)接觸網(wǎng)、疏散平臺、電力、通信專業(yè)的模擬安裝，從而完成現(xiàn)場施工方案的模擬、優(yōu)化，準確高效完成材料統(tǒng)計，減少現(xiàn)場測量次數(shù)，提前開展工序，提高現(xiàn)場安裝準確率，減少返工，縮短工期。

4.結(jié)語

本文介紹了可用于隧道區(qū)間快速掃描測量的3D掃描技術(shù)，為隧道區(qū)間測量提供了一種安全高效的測量方法。該技術(shù)運用高精度車載RMMS移動測量系統(tǒng)平臺，獲得高密集、高精度的激光點云數(shù)據(jù)，以BIM模型為載體，利用3D掃描和快速建模軟件，快速形成BIM模型數(shù)據(jù)庫，對模型進行調(diào)整、編碼，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的共享，準確高效完成隧道區(qū)間供電專業(yè)測量定位、材料統(tǒng)計，縮短施工周期；利用3D掃描技術(shù)，可以快速完成隧道數(shù)據(jù)的測量和隧道模型的重構(gòu)，一次性獲得各專業(yè)所需數(shù)據(jù)，大幅度減少現(xiàn)場測量工作，提高材料統(tǒng)計和材料預(yù)制的效率和準確度，同時，該技術(shù)為隧道區(qū)間施工提供有效參數(shù)，在剛性懸掛、疏散平臺、環(huán)網(wǎng)施工效率和精度等各方面都取得了良好的效果。在項目管理中，有效借助接觸網(wǎng)全參數(shù)完成接觸網(wǎng)的精調(diào)、消缺整改，為聯(lián)調(diào)聯(lián)試提供技術(shù)保障，也為實現(xiàn)接觸網(wǎng)數(shù)字化、精準化管理提供了數(shù)據(jù)支撐，有利于進一步保障機車的運行安全。