三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用

2019-01-31黄伟浙江华东工程安全技术有限公司浙江杭州310000

中国房地产业 2019年3期

文/黄伟浙江华东工程安全技术有限公司浙江杭州 310000

传统地铁隧道断面测量以吊铅锤法、断面仪法以及全站仪极坐标法、摄影测量法等方法为主，但是，由于这些测量方法在实际测量应用中不仅数据采样的效率较低，并且能够测量的断面数量十分有限，导致其测量结果只能对隧道断面的局部特征进行呈现，在实现大范围、高效测量分析应用中局限性十分突出。此外，上述传统测量方法在实际测量应用中容易受人为因素影响，出现测量误差，对测量的准确性造成影响。针对这种情况，下文通过三维激光扫描技术的测量应用优势分析基础上，结合工程实例，对其在地铁隧道断面测量中的具体应用进行研究。

1、三维激光扫描技术及其作用优势分析

三维激光扫描技术作为一种新型立体扫描技术，具有高精度、高密度以及全自动等特征，在实际扫描测量应用中能够通过百万点/秒的扫描速度对测量目标进行全覆盖、高分辨率的三维激光点云数据扫描获取，以满足其扫描测量的需求，并能够根据扫描获取数据实现三维实景影像模型构建，具有较为显著的扫描测量应用优势。

三维激光扫描技术在进行地铁隧道断面测量应用中，其扫描测量的误差来源主要包括系统误差与偶然误差两种情况。其中，系统误差是由三维激光扫描系统及仪器本身设计、制造、老化等引起的，主要表现为进行测距的精度误差与角度测量误差等；偶然误差则是一种随机误差情况，是由标靶获取以及隧道壁反射面、测量环境等因素导致。为避免三维激光扫描技术进行地铁隧道断面测量中误差及影响，结合其扫描测量的实际情况，可以通过在测量前对三维激光扫描仪器进行检定与调校，确保测量应用仪器设备的系统误差在合理范围内，以减少对隧道断面测量的误差影响；同时，在扫描测量中也可以通过分站式扫描设站点的增加，并确保单站的扫描测量距离不超过30m，来避免因测距常数导致的误差及影响；此外，还可以通过扫描测量中将测站与标靶架设在基桩控制点上，并按照15至20m的密度进行测站以及标靶布置，在强制对中以及通过扫描前进行标靶点坐标输入等方式进行检查，以避免其误差及影响发生。三维激光扫描技术进行地铁隧道断面测量工作实践中，还可以通过对点云数据一定重叠度的控制，确保每一个测站扫描点云数据存在20%至30%的重叠度，以在对每一测站公共部分的点云拼接下，确保其测量区段的点云数据扫描测量精确度。

2、三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用

2.1 工程实例分析

以某城市交通轨道1号线的断面测量为例，该地铁隧道全线长为34.24km，共设置有29个停靠站点，每个站点之间的平均间距约为1.2km。当前，该隧道工程的多数隧道盾构区间已经顺利贯通，即将进行全线铺轨工程。但是，由于施工误差以及地铁隧道沉降变形等因素作用，导致该隧道主体结构的空间位置与设计值发生一定的偏移，需要针对地铁隧道的设计路线结合实际情况对其平、纵断面进行适当的调整，以满足地铁隧道的建设及车辆运行、设备安装等限界要求。也就是说需要针对该地铁隧道的现状，通过对隧道断面的精确测量以进行调线、调坡实施，进而满足其轨道交通线路的施工建设要求，确保其顺利建成并投入运行。下文将以该城市轨道交通线路的某站点区间右线隧道断面测量工作的开展为例，对三维激光扫描技术在该地铁隧道断面测量中的具体应用进行分析论述。

2.2 三维激光扫描技术进行地铁隧道断面测量的实践

三维激光扫描技术进行地铁隧道断面测量应用，其作业过程主要包含扫描测量前的准备工作以及进行点云数据采集、数据处理、测量结果评价等。

2.2.1 准备工作

首先，在扫描测量前的准备工作中，以扫描测量使用设备的选择和进行控制网测量设定为主。上述地铁隧道断面测量中，为确保断面测量的精确度选用的是Leica P40型三维激光扫描仪，该扫描仪的标称扫描距离为270m，且其50m范围内的单点扫描测量精确度为3mm，同时100m范围内的单点扫描测量精确度为6mm。此外，其扫描测量中使用的标靶为仪器配套徕卡黑白标靶，它也是该隧道断面测量中多测站公共点观测的目标。

其次，进行点云数据采集前需要对其平面及高程控制网进行测量设置，具体方法为：以两个站点之间的区间作为一个测量单元，对其地下平面与高程控制网进行测量设置，在隧道区间的两端车站底板上分别进行两个平面控制点和一个高程控制点布设，并通过联系测量对其平面坐标和高程值进行获取，以作为其控制网两端的起始计算坐标点；然后在隧道断面测量区域内每间隔100m进行一个控制点布设，同时作为平面与高程控制网的控制点进行使用，其中，对其平面控制网以导线测量方式进行，使用Leica TS50测量机器人进行测量实现，而高程控制网使用Trimble DiNi03电子水准仪以二等水准进行测量，对测量数据统一使用COSA平差软件进行平差处理，以对隧道内的各个控制点平差后的三维坐标值进行获取并确定。

2.2.2 数据采集与处理

采用三维扫描技术进行隧道断面测量的数据采集阶段，主要是进行点云数据的采集与获取，包含扫描参数设定与测站、标靶布设等。其中，扫描参数设定中，为了实现完整的隧道扫描点云数据获取，对其扫描测量的视场角不进行限定，以全景扫描模式进行，将其扫描分辨率设置为3.1mm@10m，并且对其正常扫描灵敏度下的单站扫描时间设定为3.5min，扫描测量过程中需要兼顾测量精度与扫描测量的效率。其次，进行测量站点与标靶布设中，对其测站布设应以不受遮挡且较为空旷的隧道中心位置为准，确保布设测站的单站能够实现较大范围扫描，同时扫描点云数据分布相对均匀。对标靶布设对直线段需要将标靶与测站之间距离控制为40至50m，而曲线段则需要控制在30至40m之间，并结合现场实际情况进行合理调整。上述隧道断面测量工程中，其测量区间长度约为1.2km，共布设有17个测量站点，并且对每个控制点均设置有徕卡黑白标靶，同时确保两测站均能够实现对控制点上的徕卡标靶的观测。

针对上述三维扫描测量结果，为对其测量精度进行评价，采用常规断面测量的全站仪放样线路中心点测量结果为标准值进行校验后显示，两种检测方式对隧道中心左右横距差值的平均值为4mm，底高差值平均值为2mm，符合其测量精度要求，测量结果较为可靠。