三维激光扫描技术在隧道断面测量中的应用

胡超

摘要：地下铁道工程特别是地铁隧道工程因隧道净空一般自身较小，施工地质环境与工艺复杂，特别是采用盾构法施工时，管片间错台错缝变化相对量较大，隧道后期徐变时间长且不可控与逆转，故在贯通后与运营期须进行比公路与铁路隧道更高密度的断面与特征点测量检查，以期保证行车与建筑限界不相互冲突。随着科技发展，工程建设规模的日渐庞大，三维激光扫描技术逐渐进入地铁隧道检测中。

关键词：三维激光扫描；隧道断面测量

各类型隧道工程项目竣工前都必须对项目所建隧道工程进行检查，其中最基本的一条即对隧道断面进行检测（部分顶管法施工除外），以检核其净空尺寸是否满足设计和使用功能要求。地下铁道工程特别是地铁隧道工程因隧道净空一般自身较小，施工地质环境与工艺复杂，特别是采用盾构法施工时，管片间错台错缝变化相对量较大，隧道后期徐变时间长且不可控与逆转，故在贯通后与运营期须进行比公路与铁路隧道更高密度的断面与特征点测量检查，以期保证行车与建筑限界不相互冲突。随着科技发展，工程建设规模的日渐庞大，三维激光扫描技术逐渐进入地铁隧道检测中。

本文仅描述三维激光扫描技术在地铁隧道贯通后在隧道断面测量中的这一功能应用，其他不作发散。

工程作业环境介绍：我司监理的某地铁工程某盾构区间贯通已有一年多，经壁后多次注浆加固和堵漏、隧道徐变自稳、隧道管片清洗后，拟准备验收移交，在此之前需再次对隧道净空断面进行测量检查。车站内后续为移交做准备而布设的控制点已经多方测量，经检查隧道两端车站稳定，隧道贯通后洞内改建的控制点稳定，施工单位已用全站仪采集了设计单位要求测量的断面特征部位数据，第三方测量单位采用美国FARO Focus 3D三维激光扫描仪进行测量检查复核。

一、三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术是激光扫描仪通过发射高频激光脉冲，测量每个激光脉冲从发出经被测物体表面返回仪器所需的时间差来计算距离S，以仪器中心为坐标原点，同步测量每个激光脉冲横向角度值α及纵向角度观测值β，获得激光采样点的坐标：

图1扫描点位坐标计算原理图

与传统的断面检测技术进行比较分析，三维激光扫描检测本身优势相对较为明显。一是无接触的完成数据的测量工作，高速的完成物体表面三维信息数据的收集和整理，也便于对于一些自然环境相对较为复杂，人工难以测量的位置进行测绘。二是测量的实际效率相对较高，激光点云采样的密度高，测点本身的数据信息相对较为丰富，本身具备传统测量手段没有办法完成的高精度数字化数据收集工作。整个测量系统运作的实际速度较快，能够一次性的实现高精度的收集百万/秒以上的点位信息。三是工作中劳动强度相对较低，能够有效地降低数据收集、分析等过程中的劳动强度，实现了数据信息的自动化收集处理，避免了传统日常测量结果往往会因人为因素的影响而导致最终结果的真实性偏差。

二、隧道断面扫描测量辅助性工作

在普通常规隧道断面测量使用全站仪工作时，一般采用现场后方交会自由设站方法安置仪器，断面测量点位需现场不停测量检查计算后方可确定测量位置，为防止错漏，现场一般会以红漆标记。激光扫描仪在作业时有其特殊要求，为提高扫描影像处理时生成的隧道灰度影像图片在设计线路中的位置，现场须用全站仪测设数据影像资料中的控制点，大约30米一对黑白标靶并粘贴布置在左右不同环号管片上，并简要标记序号，可直接利用隧道内的控制点采样极坐标法测量获取；并在实施扫描时在测站首尾布设球形标靶（本次球形靶以下部吸盘固定）。安置黑白靶与球形靶主要是为了方便数据影像拼接，同时黑白靶另一重要功能便是在图像拼接时纠偏拟合偏差，确定数据影像拟合的隧道在设计隧道线路中心线的相对位置。

图2 黑白平面标靶与球形立体标靶

三、隧道断面数据获取

1.外业数据获取

标靶布设完成后，即可开始利用扫描仪进行三维扫描测量，测量时人工辅助搬站。该过程相对比较简单，即安置稳定好架腿后连接仪器，简单初平，设置好仪器扫描采样参数后即可在任意方向开始扫描作业。在数据采样完成后仪器自动停止作业，人工简单检查后即可搬站在下一作业区段内重复采样作业。

扫描仪采样可与黑白靶坐标测量错开数个区段即可，可以同时测量作业，本区间长约800米，左右双线隧洞断面测量外业共耗时约5小时，共出动测量人员5人，全站仪一台、FARO激光扫描仪一台，相关辅助工具若干。

图3 扫描仪现场作业图

三维激光扫描过程中遵循相邻测站使用不低于3个公共靶球连接的形式，用全站仪获取黑白平面标靶中心的坐标用于后续内业进行绝对坐标转换。本次扫描按每站小于50 m实施，扫描仪安置在黑白平面标靶大概中间位置（黑白靶黏贴时分布在隧道管壁左右两侧），扫描时球形靶保持静止。扫描仪一测站耗时约三至五分钟。

2.内业数据处理与断面信息获取

外业完成后，及时把扫描测量信息数据导入电脑中（电脑CPU计算性能配置宜相对较高），利用仪器配套的附属软件导出数据后生成单站扫描信息影像。在逐一拼接后形成完整的整条隧道影像，拼接时利用黑白靶获取的三位坐标对影像进行拼接纠偏，并利用坐标信息确定拼接后的隧道线性位置。相关数据影像与相邻两幅影像拼接示意如下图：

图4 相邻两幅灰度影像标靶与拼接点转刺

第三方测量单位利用MATLAB软件二次开发编辑了相关数据包。输入区间隧道平纵参数，设置好相关参数后即可调用前面拼接生成的线性隧道数据，生成需要的断面特征点相对于隧道设计中心的偏差数据信息。

图5 点云数据提取与隧道切片参数设置

生成的断面点坐标数据再利用盾构隧道施工测量计算软件计算得到断面点与设计隧道内轮廓线的相互位置关系，并可生成示意图。如下图所示：

图7 EXECL软件生成的隧道断面信息示意图

3.数据质量对比

经检查对比，施工单位利用全站仪测量的断面点计算的净空偏差情况与第三方单位利用激光扫描仪测量所得数据信息吻合度高；全站仪与扫描仪成果互差基本落在1公分以内，极个别接近2公分，满足隧道断面测量精度要求；各方认可断面测量信息数据的真实性、可靠性，断面数据信息均有效。

四、作业评价

本次断面测量工效情况如下表：

单位	测量人员/人	主要仪器	外业时间/天	内业时间/天	报告编辑
施工单位	4	全站仪TS60	5	3	3
第三方测量	5	全站仪TS30 激光扫描仪	0.5	1	1

从统计情况可以看出，利用激光扫描仪可以大大减轻测量人员外业劳动强度，内业处理也相对时间较短，数据信息汇总更为方便。三维激光扫描技术不失为隧道断面测量的利器。

结束语：

三维激光扫描不仅可以对隧道空间信息进行测量，还可利用于隧道病害与形变监测分析等，常规如隧道渗漏、破损、隧道椭变、道床形变、净空收敛等。因三维扫描涵盖信息量大，用户可根据自己需要，内业分析处理得到针对不同要求需要的模块结果，一次测量多次利用而不需从新测量，减少了大量现场补测修测、重测、二次采集等工作。

三维扫描技术有很多优点，但也不可忽视其利用存在限制。特别是以下几点难以短期解决：

1.设备价格高昂，以文中FARO为例，裸机价格在60万以上；相对于某一施工单位项目部来说，不如全站仪便宜，且扫描仪出场较少，日常利用率较低；

2.设备使用上特别是内业过程中，扫描仪数据处理复杂，普通测量人员难以掌握工作流程，且配套软件不常见且贵，作业者不长期做内业工作难以熟练，必须培养专业人员专机专用；

3.数据成果准确性或精度方面，业内尚无规范文件或高层次学者予以充分明确肯定，行业也无作业流程指导性指南或文件，业内人士接触与实践利用的又较少。

业内亦出现数据处理集成度较高的三维激光扫描仪软件，如南方公司推出的MS100系统，与其他单位联合开发，贴合地铁隧道工程实际，数据信息处理、分类、利用更便捷，但价格高昂，在百万以上，普通用户难以购买。

瑕不掩瑜，三维激光扫描仪正在逐渐被大家知晓并有大量实例尝试，随着科技发展与建筑行业精细化管理深入，相信会有更多工程利用该技术，给测量工作者减轻一些繁重的工作，给其他专业也带去便利性。