三維激光掃描在盾構(gòu)隧道管片橢圓度 檢測(cè)中的應(yīng)用

1、三維激光掃描在盾構(gòu)隧道管片橢圓度檢測(cè)中的應(yīng)用摘要：盾構(gòu)隧道管片橢圓度測(cè)量方法包括直接法和間接法兩種。本文依托武漢軌道交通5號(hào) 線三標(biāo)復(fù)興路站到彭劉楊路站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)管片橢圓度檢測(cè)實(shí)體案例，以間接法中三維激光 掃描法為研究對(duì)象，從其原理及內(nèi)外業(yè)工作流程闡述了該方法在具體工作中的應(yīng)用，體現(xiàn)了 三維激光掃描技術(shù)在隧道管片橢圓度檢測(cè)方面的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：三維激光掃描橢圓度檢測(cè)隧道管片中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1收稿日期：年-月-日作者簡(jiǎn)介：居宏偉（1984-），男，山東濟(jì)南人，工程師，本科，主要從事地下工程施工及 技術(shù)研究；E-mail： HYPERLINK mailto:364334118 36433

2、4118 引言隨著盾構(gòu)施工方法的快速發(fā)展，人們對(duì)盾構(gòu)施工質(zhì)量的要求越來越高1-5。變形測(cè)量因其測(cè) 量結(jié)果對(duì)于工程師掌握施工情況，了解隧道狀況，并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)及施工方案有著極其重要 的作用，成為盾構(gòu)施工中不可或缺的施工環(huán)節(jié)6-8。相對(duì)于傳統(tǒng)的變形測(cè)量方法，三維激光 掃描技術(shù)可節(jié)約大量的人工和時(shí)間成本，具有作業(yè)效率高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，測(cè)量精度能夠 得到保證且在數(shù)據(jù)采集完成后能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)斷面進(jìn)行加密而無須外業(yè)重復(fù)作業(yè)的 特點(diǎn)9-12。本文利用三維激光掃描技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變形測(cè)量方法對(duì)武漢軌道交通5號(hào)線盾構(gòu)隧道管片進(jìn) 行了橢圓度檢測(cè)，闡述了該技術(shù)在實(shí)際工作中的工作流程。2工程概況復(fù)興路站到彭劉

3、楊站（如圖1）區(qū)間長(zhǎng)587.6m，從復(fù)興路站始發(fā)，彭劉楊路站接收。管片外 徑為6.2m，管片厚0.35m。左線設(shè)置人”字坡，右線設(shè)置“V”字坡，左右線平面局部重疊，左 右線空間最小凈距2.3m。隧道左線覆土厚度6.7m11.5m，右線覆土 10.4m16m。三維激光掃描作業(yè)具體里程范圍如下：左線DK12+036.028DK12+623.743，短鏈0.795m;右線 DK12+036.139DK12+623.738。掃描作業(yè)左線長(zhǎng)586.92m，右線長(zhǎng)587.599m。掃描作業(yè)總計(jì) 全長(zhǎng) 1.17km。圖1工程平面位置圖3工作原理及數(shù)據(jù)采集3.1工作原理三維激光掃描技術(shù)7,10,12 是一種快

4、速直接獲取目標(biāo)物表面所有三維坐標(biāo)，可以利用三維坐 標(biāo)重建三維模型，通過三維坐標(biāo)可以重建物體的線、面、體，進(jìn)行各種計(jì)量、運(yùn)算、分析等。三維激光掃描儀的構(gòu)造是對(duì)全站儀的一種全面升級(jí)，由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀， 自動(dòng)引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)記錄目標(biāo)三維坐標(biāo)。三維激光掃描儀構(gòu)造見 圖2。圖2三維激光掃描儀工作原理圖激光掃描儀整平后自動(dòng)建立一個(gè)三維坐標(biāo)系（如圖3）。圖3三維坐標(biāo)系X軸和Y軸在水平掃描面內(nèi)相互垂直，Z軸與水平掃描面垂直，通過三維激光掃描儀測(cè)得被 測(cè)物到掃描儀的距離S和坐標(biāo)軸至激光束的平角a和豎角6，自動(dòng)算出點(diǎn)云P的三維坐標(biāo) （見公式）。3.2數(shù)據(jù)采集（1）設(shè)備選取本

5、工程為了保證數(shù)據(jù)采集精度，選用一臺(tái)型號(hào)為Scan Station P40的徠卡三維激光掃描儀作 為采集數(shù)據(jù)的設(shè)備（如圖4）。圖4 Leica P40三維激光掃描儀該型號(hào)掃描儀掃描距離為270m，50m范圍內(nèi)掃描精度為3mm，100m范圍內(nèi)掃描精度為 6mm。掃描方式為設(shè)站式，同時(shí)采用與P40配套的標(biāo)靶作為多測(cè)站的公共點(diǎn)觀測(cè)目標(biāo)。（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集一般有四個(gè)步驟，包括靶標(biāo)布設(shè)、站點(diǎn)選擇、掃描參數(shù)設(shè)置、掃描7。靶標(biāo)布置，隧道的掃描由于空間相對(duì)不開闊，可能會(huì)有遮擋物或者視覺盲區(qū)，從而導(dǎo)致 掃描儀無法在一個(gè)固定位置掃描到整個(gè)物體的表面信息。此時(shí)就需要合理的布置站點(diǎn)的位置 和間距，保證成型管片的

6、信息不丟失，不漏掃。站點(diǎn)選擇，在隧道的數(shù)據(jù)采集過程中，為了最低程度上影響點(diǎn)云的采集精度，單站掃描 半徑不宜設(shè)置過大。盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有很多設(shè)備遮擋了已拼裝完成管片，提高了掃描難度。 因此，在掃描時(shí)應(yīng)通過合理選擇測(cè)量站點(diǎn)，盡可能全面的獲得管片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了保證配 準(zhǔn)精度，相鄰測(cè)站要有足夠的公共標(biāo)靶。掃描參數(shù)的設(shè)置13，為了盡可能獲取完整的隧道掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)掃描視場(chǎng)角不進(jìn)行限 制，即選擇全景掃描模式。掃描分辨率設(shè)定為3.1mm10m，在正常掃描靈敏度下的單站掃 描時(shí)間約為3分30秒，可有效兼顧測(cè)量精度與效率。掃描，復(fù)興路站-彭劉楊路站區(qū)間左線長(zhǎng)約586.92m，右線長(zhǎng)約587.599m。掃描作業(yè)

7、范圍 總計(jì)全長(zhǎng)1.17km，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖5所示。圖5現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖4數(shù)據(jù)處理及分析4.1數(shù)據(jù)處理本文首先利用徠卡的Cyclone軟件對(duì)掃描儀獲取的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、噪點(diǎn)及無關(guān)點(diǎn)剔 除后獲得三維點(diǎn)云效果圖以及以隧道頂部中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行投影展開的二維灰度影像圖（如 圖6、圖7所示）；然后利用軟件圖像識(shí)別功能在灰度影像上識(shí)別環(huán)片拼接縫，確定出環(huán)片 拼接縫處的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后相對(duì)應(yīng)的信息計(jì)算環(huán)片中心斷面位置，提取該環(huán)片數(shù)據(jù)信息。圖6三維點(diǎn)云成果圖7二維柵格灰度影像為了更好地對(duì)環(huán)片橢圓度信息進(jìn)行分析，本文根據(jù)環(huán)片兩邊的里程計(jì)算出環(huán)片中部斷面位置， 并在點(diǎn)云中提取對(duì)應(yīng)的信息。4.2數(shù)據(jù)分析 本文對(duì)復(fù)興路站至

8、彭劉楊路站786環(huán)管片進(jìn)行逐環(huán)擬合，將擬合結(jié)果以管片環(huán)為單位，分別 對(duì)擬合橢圓的對(duì)應(yīng)的環(huán)號(hào)、里程、橢圓長(zhǎng)軸、橢圓短軸，橢圓度進(jìn)行計(jì)算，并以報(bào)表的形式 進(jìn)行輸出，部分輸出結(jié)果見表1和表2。表1復(fù)興路站至彭劉楊路站左線部分?jǐn)嗝鏅E圓度根據(jù)盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范14，地鐵隧道橢圓度允許偏差為6%D，對(duì)表1和表2橢 圓度擬合結(jié)果分析可知：左線隧道第112121環(huán)共十環(huán)管片的橢圓度符合規(guī)范要求，其中橢圓度最大值為5%。，出 現(xiàn)在左線第115118環(huán)，橢圓度接近規(guī)范的上限，后期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，繼續(xù)跟蹤其變化，必要 時(shí)采取相應(yīng)預(yù)防措施。右線隧道第313322環(huán)共十環(huán)管片的橢圓度符合規(guī)范要求，其中橢圓度最大值為6

9、%。， 出現(xiàn)在右線第313環(huán)管片上，橢圓度已達(dá)到規(guī)范的上限，后期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，繼續(xù)跟蹤其變化， 必要時(shí)采取相應(yīng)預(yù)防措施。5結(jié)語本文通過武漢軌道交通5號(hào)線三標(biāo)復(fù)興路站到彭劉楊路站的實(shí)體案例，從原理、數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理及分析幾個(gè)方面闡述了三維激光掃描技術(shù)在隧道管片橢圓度檢測(cè)中應(yīng)用的工作流程， 相比傳統(tǒng)的橢圓度檢測(cè)作業(yè)方式效率低、無法進(jìn)行大范圍的檢測(cè)，體現(xiàn)出了該方法的作業(yè)流 程簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高、檢測(cè)精度高等優(yōu)越性，相信在不久的將來三維激光掃描技術(shù)將會(huì)成為 地鐵盾構(gòu)隧道檢測(cè)的常規(guī)檢測(cè)手段。參考文獻(xiàn)1郭乃勝.地鐵施工風(fēng)險(xiǎn)源分析及關(guān)鍵控制技術(shù)D.中原工學(xué)院,2017.2宋曙光.滲流作用下復(fù)合地層盾構(gòu)隧道施

10、工開挖面穩(wěn)定性及控制研究D.山東大學(xué),2016.3楊期祥.成都地鐵砂卵石層盾構(gòu)開挖引起的地表沉降規(guī)律分析D.西南交通大學(xué),2016.楊哲峰.蘇州地鐵盾構(gòu)近接施工力學(xué)機(jī)理與控制技術(shù)研究D.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2015.5郭玉海.大直徑土壓平衡盾構(gòu)引起的地表變形及掘進(jìn)控制技術(shù)研究D.北京交通大學(xué),2014.6宗樹紅.超大直徑盾構(gòu)隧道穿越黃河施工控制技術(shù)研究D.山東大學(xué),2018.7閆鵬慧.基于點(diǎn)云的盾構(gòu)管片拼裝成型質(zhì)量檢測(cè)研究D.華中科技大學(xué),2017.8梅逸飛.盾構(gòu)法施工隧道監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)研究D.武漢理工大學(xué),2013.9張華.移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)在盾構(gòu)隧道管片橢圓度檢測(cè)中的應(yīng)用J.城市勘測(cè),2015(04):103-106.10徐教煌，王嘉偉.三維激光掃描技術(shù)在地鐵圓形盾構(gòu)隧道檢測(cè)中的應(yīng)用J.北京測(cè)繪,2018,32(06):674-680.11聞?dòng)揽?三維激光掃描技術(shù)在地鐵盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究D.江蘇師范大學(xué),2013.12譚磊,劉繼堯，尹鵬濤,魏英華.全站儀測(cè)量地鐵盾