三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用

1、三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用應(yīng)用蔡志杰摘 要：現(xiàn)階段，地鐵隧道的安全問題是人們關(guān)注的重點問題之一。本文分析了傳統(tǒng)地鐵隧道變形監(jiān)測方法的不足與三維激光掃描在地鐵隧道變形監(jiān)測中應(yīng)用的優(yōu)勢，提出了利用三維激光掃描點云截取隧道橫斷面，并對截取的斷面擬合橢圓的變形監(jiān)測方法，實現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)在地鐵隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：三維激光掃描；地鐵隧道；變形監(jiān)測；方法對于地鐵隧道來說，隧道變形監(jiān)測對隧道施工及運營中的安全具有十分重要的意義。目前，現(xiàn)有的監(jiān)測方法主要是在隧道壁上埋點，利用全站儀、斷面儀、收斂儀等進行監(jiān)測。但是這些方法既費時、費力，還無法實現(xiàn)對隧道

2、的整體、實時以及自動監(jiān)測。隨著三維激光掃描儀測量精度的不斷提高，其應(yīng)用范圍逐漸擴展到形變監(jiān)測領(lǐng)域。在地鐵隧道的形變監(jiān)測中，三維激光掃描獲得的點云數(shù)據(jù)可以將目前基于點的形變監(jiān)測發(fā)展為基于面的形變監(jiān)測，與現(xiàn)有監(jiān)測方法相比具有巨大的優(yōu)勢。1 傳統(tǒng)地鐵隧道變形監(jiān)測方法的不足隨著城市的不斷發(fā)展，地鐵建設(shè)的規(guī)模逐漸擴大，受多種因素的影響，地鐵隧道變形的問題愈加嚴(yán)重，所以對其進行監(jiān)測十分必要。在傳統(tǒng)的地鐵隧道監(jiān)測中，通常需要大量的監(jiān)測人員，而地鐵隧道的線路較長，其監(jiān)測項目多且數(shù)據(jù)量大，這就給監(jiān)測工作帶來了極大的困難，具體表現(xiàn)為：第一，監(jiān)測點的數(shù)量被限制。由于地鐵隧道變形的監(jiān)測點數(shù)量比較多，就使得工作量增大，

3、監(jiān)測周期加長，進而無法很好的反映地鐵的變形情況。如果減少監(jiān)測點的話，就不能正確反映出地鐵的變形趨勢，從而使地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形荷載分析受到限制，很難進行相應(yīng)的測量工作；第二，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法無法使用高效和機動的測量手段，這會導(dǎo)致某些范圍內(nèi)交通運輸?shù)闹袛?；第三，地鐵隧道設(shè)施復(fù)雜的環(huán)境易對安全監(jiān)測產(chǎn)生干擾。因此需要研究一種高效、經(jīng)濟實用的新型監(jiān)測技術(shù)。2.三維激光掃描在地鐵變形監(jiān)測中應(yīng)用的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，利用三維激光技術(shù)對地鐵變形情況進行監(jiān)測具有諸多的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：第一，三維激光掃描在地鐵變形監(jiān)測中的應(yīng)用不僅可以提高監(jiān)測精度，還能夠快速完成地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，縮短監(jiān)測周期；第二，所使

4、用的傳感器經(jīng)濟且耐用；第三，數(shù)據(jù)采集和處理一體化，具有人工智能和實時處理的功能，最大限度減少人工參與。3.如何進行地鐵隧道變形的檢測在隧道點的云中提取出中軸線，再沿著隧道的中軸線之間的間隔，對隧道的斷面進行連續(xù)的截取，同時將截取的斷面擬合成橢圓，對擬合形成的短半軸、長，和設(shè)計半徑之間的差異進行詳細(xì)的分析研究，最終根據(jù)具有加大差異的斷面，找出一個形變量相對較大的點位。3.1 中軸線的提取隧道點的特征是云帶狀分布，所以我們可以根據(jù)方位角最值搜索算法提取邊緣點，以此來進行隧道中軸線的擬合。隨后，可以把原始點云投影到水平面上，同時將其進行旋轉(zhuǎn)，使隧道同 x 軸呈相同的走向。隧道的中軸線可以通過上、下兩

5、條邊緣線得到，在對上邊緣點搜索的時候，y 軸可以定為方位角的起始方向，在對下邊緣進行搜索的時候，y 軸相反的方向可以定為方位角的起始方向。在隧道點中可以選出任意一個種子點，并且設(shè)定搜索半徑為 r，通過公式將半徑內(nèi)的各點與種子點的方位角計算出來，提取出最大和最小的兩個搜索點，當(dāng)做下一次搜索的種子點，如果把最小方位角設(shè)定為搜索條件，則可以視為向右側(cè)進行搜索，如果把最大方位角設(shè)定為搜索條件，則視為向左側(cè)搜索，兩個方向共同搜索的點集，就形成了一條十分完美的邊緣線。3.2 斷面的連續(xù)截取正如圖 1 所示，順著擬合的隧道中軸線，以同等間隔設(shè)立分割點，并且將分割點之間的間距定為 d，通過公式（1）計算出各分

6、割點處的法平面，隨后對距離各法平面小于 d0 的掃描點進行搜索，最終實現(xiàn)各分割點處對于段面的連續(xù)截取。， （1）3.3 關(guān)于斷面的擬合以及形變的分析通過隧道盾構(gòu)環(huán)片的作用，隧道的兩側(cè)將會漸漸擴張、頂部出現(xiàn)沉隆，而隧道的盾構(gòu)環(huán)片形狀也會由圓形變?yōu)闄E圓。這時候就要我們隊截取出來的斷面進行分別的擬合，把擬合出來的長半軸和短半軸與設(shè)計的圓形半徑進行詳細(xì)的比較分析，最終能夠知道隧道平面在水平和垂直方向上的形變量，并在形變量最大的斷面中，找到形變量最大的點位。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的隧道平面會與 yoz 平面保持平行，所以隨意橢圓的擬合方程便為：（2）4 地鐵隧道變形監(jiān)測發(fā)展趨勢現(xiàn)階段，隨著隧道及地下工程修建技術(shù)水平

7、的不斷提高，信息化施工已經(jīng)逐漸成為地下工程發(fā)展的必然趨勢，此時工程的實時監(jiān)測也將發(fā)揮更大的作用。這種情況下，人們對監(jiān)控量測提出了更高的要求，實時監(jiān)測技術(shù)必將會得到很大的發(fā)展，其發(fā)展趨勢如下：4.1 遙控化的監(jiān)控量測由于計算機技術(shù)及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，遠程監(jiān)控已經(jīng)變成了現(xiàn)實，遙控化的監(jiān)控測量不但節(jié)省了大量的人力和物力，還可以對多項的內(nèi)容同時進行監(jiān)測，這便在很大程度上避免了同施工之間發(fā)生的各種沖突，加快了信息采集與反饋效率的提升效率。4.2 實時化的監(jiān)控測量對于一些例如隧道這樣的地下工程來講，對施工環(huán)節(jié)的要求很高，這需要必須及時反饋監(jiān)測信息，并且可以對施工現(xiàn)場的信息進行實時的掌握控制，最終可以對施

8、工的方法進行及時優(yōu)化和完善。4.3 加強采集的精確度在進行城市地下工程的監(jiān)測中，特別是對已經(jīng)竣工的結(jié)構(gòu)運營階段進行的監(jiān)測過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化并不是很明顯，這就要求監(jiān)測的精度必須非常高。自動化的監(jiān)測不僅能夠確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性和及時性，而且當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出了預(yù)警范圍值，系統(tǒng)還可以報警提示。4.4 自動化的后處理后處理也屬于監(jiān)測內(nèi)容的一部分，我國目前應(yīng)用較多的還是人工后處理的方法，面對復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這種方法的效率明顯較低，這便會直接對檢測的實時性產(chǎn)生影響。所以，我們必須通過計算機軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)實行自動化的處理和分析，并對最終結(jié)果進行反饋。在電子科技不斷發(fā)展的帶動下，要求隧道的發(fā)展必須實現(xiàn)自動化和系統(tǒng)化。面對著隧道以及地下工程的需要，以及我國目前自動化監(jiān)測的現(xiàn)狀，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”計劃及交通部已經(jīng)立項，并且已經(jīng)把對于這方面的研究工作列入了重點的工作范圍。5.結(jié) 語針對地鐵隧道的形狀特征，本文提出了利用中軸線截取斷面進行形變分析的方法，包括提取中軸線、連續(xù)截取斷面以及斷面擬合，實現(xiàn)了三維激光掃描技術(shù)在地