移动式三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用

近年来，中国的城市轨道交通建设飞速发展，截至2020年末，在中国不含港澳台的区域内累计已有40个城市开通城轨交通运营，运营线路长度达到了7 969.7 km[1]。在以杭州市为代表的软土地区的轨道交通运营过程中，由于软土本身的特性和地铁保护区的各类施工活动，不可避免会对地铁隧道产生影响，严重时会破坏隧道结构。因此，在地铁隧道运营过程中，需定期对隧道进行安全监测并评估隧道运行状况，根据评估结果确定是否采取相应处理措施。

地铁隧道安全检测就是作业人员利用各种测量仪器对隧道建设的各个阶段、隧道内的各个部位进行数据采集、数据后处理，然后分析隧道的健康状况、变化规律、发展趋势。地铁隧道呈狭长管状结构，隧道内昏暗潮湿，运营地铁天窗时间一天仅有4 h左右，因此，传统的隧道检测方法具有很大的局限性。

近年来，三维激光扫描技术在地铁隧道安全检测领域得到了很大的发展。在隧道开挖过程中，可利用该技术测量超欠挖情况，避免隧道发生塌方事故；在隧道运营过程中，可利用其对隧道进行定期安全检测，以保证地铁安全运行。相对于传统隧道检测方法，三维激光扫描技术有效地提高了隧道安全检测的工作效率和检测精度，并且节约了大量人力和财力。截至目前，隧道变形监测领域用到的三维激光扫描系统大多是固定式三维激光扫描系统。虽然固定式激光扫描系统扫描点云数量和精度都能达到工程变形监测要求，但是由于隧道几何形态呈狭长条状的特点，利用固定式激光扫描系统会造成两测站重叠部分存在大量冗余点，使得后期点云拼接困难[2]。针对隧道的几何形态特征，许多公司研发出用于隧道安全监测的动态三维激光扫描系统，本文就是利用GRP5000隧道动态扫描系统来实现隧道的变形监测，并利用全站仪来检验其监测结果的精度。

GRP5000系统是一款由瑞士Ambeger技术公司生产的激光扫描全息成像设备[3]。如图 1所示，GRP5000系统的主要硬件包括轨道测量小车、Pro‐filer 6012超高速激光扫描仪、GBC5000柱体电池、笔记本电脑。

移动式三维激光扫描系统配备的扫描仪皆采用相位测距法进行外业数据扫描。相位测距法虽然扫描距离短，但精度高，点密度大，特别适用于隧道内点云数据的采集工作。图 2为相位测距法原理，该方法通过计算从物体反射回来的激光波相位差来计算目标物体的距离[4, 5]。相位测距法的计算公式如下：

式中，S为测量距离；C为光速；φ为相位差；f为连续波频率。

架站式三维激光扫描系统采用全景扫描模式，即扫描仪在一个固定的位置上对目标物体进行全方位扫描，扫描过程中扫描仪在步进器的驱动下同时进行竖直面和水平面旋转[6]。这种扫描模式操作简单，但有一定局限性，一方面作业时需要多次设站、搬站、架站；另一方面由于设站位置不同会造成距离测站不同远近的地方扫描点云稀疏情况不同，且后期需要人工点云配准。

针对固定式三维激光扫描系统的不足，移动式三维激光扫描系统采用线扫描模式进行扫描。如图 3所示，在轨道小车前进过程中，激光扫描仪发射的光束以螺旋线的形式对隧道进行全断面扫描。扫描仪的旋转轴和隧道中轴线的切线平行，激光的入射角和隧道壁基本保持垂直关系[7]。因为扫描仪上激光发射器的旋转速度远远大于轨道小车的前进速度，所以激光发射器旋转一周扫描得到的点可以看成一个完整的横断面。

本文以杭州市某运营地铁区间段为例进行变形监测分析。该区间属于圆形盾构隧道，隧道坡度大，拐弯半径小，由5~6块钢筋混凝土管片拼装而成，内部直径5.5 m，管片宽度1.2 m，拼接方式为错缝拼接。

Amberg.Rail软件是GRP5000系统专用数据采集与处理软件，该软件可以进行工程定义、数据准备、隧道几何尺寸矫正、数据处理等。外业数据采集流程如图 4所示。

外业扫描前需要对扫描仪进行设置，最大里程分辨率设置为0.005，每个断面点数选择5 000，扫描仪最大转速选择100 Hz。外业扫描完毕后，会在相应的作业中生成测量数据，经过Amberg.Rail软件预处理后，可得到该地铁隧道的影像图，如图 5所示。

根据起始里程、终点里程和间距提取断面，保证每个管片上提取一个断面。在断面提取时，原则上只能提取环片中间位置(两螺栓孔之间)，但特殊情况下(联络通道)可在环片两边提取断面，但需要备注。

提取到的隧道断面如图 6所示，其中含有大量的噪声点，这些噪声点主要来自隧道表面的螺栓、电缆、钢架、通讯箱、反光镜等。

噪声点会严重影响后期隧道变形分析结果，造成变形分析片面和不精确。本文用Amberg数据后处理程序对前期处理的断面数据进行去噪和拟合。该程序把随机抽样一致(random sample consensus, RANSAC)算法和最小二乘法(least square method, LSM)结合起来，去噪和拟合效果较好。图 7展示了隧道断面采用RANSAC-LSM算法拟合的结果。图 7(a)为该区间的一个原始断面；图 7(b)为利用RANSAC算法拟合出的一个模型；图 7(c)为利用LSM进行二次拟合[8, 9]的结果。

一般利用椭圆度和收敛变形来分析隧道断面变形情况，从而反映隧道整体变形情况[10]。椭圆度θ=(a-b)/r，其中，a为椭圆断面的长半轴；b为椭圆断面的短半轴；r为标准半径[11]。收敛变形量∆D=Dx-D，其中Dx为GRP5000系统扫描采集的断面直径；D为标准断面直径。抽取该区间第472~571环总共100个断面进行椭圆度和收敛变形分析。图 8为该段隧道断面椭圆度直方图；图 9为收敛变形折线图。

从图 8可以看出，该区间隧道变形较大且不均匀，变形区域主要集中在后半部分第527~571环。从图 9可以看出知，该区间的断面收敛变形主要在30~60 mm之间，后半段收敛变形较大，最大变形达到83 mm。一般认为椭圆度在0.5%~1.5%之间，收敛变形量小于60 mm为合格。所以，针对该地铁隧道区间变形较大的管片，检测人员需要加强巡查和变形监测，必要时对其进行加固处理，以确保隧道无病害运行。

本文选择第512~561环共40组断面作为精度检验区间，采用徕卡TM50全站仪(其测角精度为0.5″，测距精度为0.6 mm+1×10-6)进行隧道断面收敛变形分析，检验移动式三维激光扫描系统变形监测结果的精度。表 1为两种监测方法收敛变形的对比分析结果。

从表 1中可以看出，GRP5000系统扫描结果与全站仪测量结果吻合性较好的断面占比达到95%。全站仪扫描结果普遍大于GRP5000系统扫描结果，主要是因为全站仪确定的扫描断面始终是与水平面垂直的，而隧道都是有坡度的，所以造成扫描结果偏大，且在曲线段更大一些。此次对比结果中超过3 mm的断面均位于隧道曲线段，在隧道直线段内，收敛变形差异皆在3 mm以内。

本文以杭州市某地铁隧道区间为研究对象，将移动式三维激光扫描技术应用于该区域的隧道变形监测中，发现将移动式三维激光扫描技术应用于隧道变形监测领域，可较为精准地分析出隧道的变形情况，并利用全站仪对其扫描结果精度检验。结果表明，三维激光扫描监测结果和全站仪监测结果基本吻合，但在隧道内曲线段，三维激光扫描结果与全站仪测量结果相差较大，针对这一现象，需要进一步研究和分析。

相较于传统隧道变形监测方法，移动三维激光扫描技术具有数据采集效率高、测量精度不受外界影响，隧道变形分析全面等优势，更适用于监测环境恶劣，天窗时间短的运营地铁隧道。