高 洪，李 凯，马全明，韩志晟，孙丕川

(1. 武汉地铁桥隧管理有限公司，湖北 武汉 430000； 2. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

在地铁隧道建成以后，由于所处地质条件差或周边临近基坑施工等原因，隧道会出现漏水、裂缝、下沉、变形及环片错台等病害。根据《城市地下空间检测监测技术标准》关于盾构法隧道健康检测的规定，需要对隧道进行监测。传统的断面测量方式只测量特定点或特定位置的数据，而站式三维激光扫描系统为了获得高质量的数据,每隔一定距离就需要架设一站,每一站扫描时间都较长，同时站式扫描仪有一定区域的盲区，不能360°全覆盖扫描。移动式三维激光扫描系统的出现，使得隧道变形检测工作变得高效、简便。目前，北京、上海、广州、武汉等地铁建设工程都在积极的研究应用这种新型的测量技术。本文以武汉地铁运营隧道的大规模的扫描实践为例，首先阐述利用移动式三维激光扫描系统进行隧道变形监测的基本原理，介绍实施监测的主要内、外业工作流程，并结合具体的工程实例验证该方法在实际应用中的可行性和高效性。

1 移动三维激光测量系统的基本原理

1.1 系统构成

移动三维激光测量系统集高精度三维扫描仪、GNSS/INS组合定位定姿装置、线结构激光测量传感器以及高清全景相机等多种传感器于一体，能够快速获取高质量的轨道及周围环境三维点云，隧道环片的位置里程、精确的钢轨廓形等信息。具有生产作业机动灵活、速度快，图像分辨率高，数据成果可靠及信息全面等特点。

移动三维激光扫描系统主要由以下几个部分组成，系统组成部分如图1所示。

(1) 用于测定激光雷达信号发射参考点到隧道表面激光脚点间距离的激光扫描仪。

(2) 用于协调各传感器的运行，记录所有回波数据、位置信息、扫描时间的实时检测与数据记录设备。

(3) 轨检小车：搭载有里程计、倾斜传感器、激光测距传感器及用于控制扫描仪和各个传感器的计算机。

(4) 惯性导航系统：通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

(5) 用于数据后处理、DMI确定、不同数据源观测值之间的时间同步、激光采样点的坐标计算、坐标数据的分类与特征提取、数据的融合处理、数据库的设计与管理、数据的格式转换等数据处理软件等[4- 7]。

1.2 移动三维测量系统数据获取的基本原理

移动三维激光扫描系统中的测距单元包括激光发射器和接收器，激光扫描是主动工作方式，由激光发射器产生激光，而由扫描装置控制激光束发射出去的方向。在接收器接受被返回来的激光束后由记录单元进行记录；同时，轨检小车上搭载有里程计、倾斜传感器、激光测距传感器及用于控制扫描仪和各个传感器的计算机，可以同步采集里程、倾角及轨距数据[1- 3]。主要工作原理如图2所示。

1.3 数据处理

数据处理软件采用北京城建勘测设计研究院与武汉地铁联合开发的针对地铁隧道病害检测的数据处理系统。

小车搭载了惯性导航系统，在采集隧道点云数据的同时可以通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，进而得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。进入数据处理软件的点云配准界面，输入相应参数后可自动进行点云配准，点云配准完成后，对点云进行处理并生成图片。该软件系统下圆形隧道的水平距离和竖直距离按1∶1真实尺寸生成，可进行量测，轨道面的水平方向的距离可进行量测，竖直方向不可进行量测。

由于小车轮子半径测量误差、扫描仪同里程计的时间误差及轨道不平整等因素影响，可能会导致计算的点云里程不准，因此需要进行里程校准，软件系统可加载里程桩数据(靶标球，且最少加载两个里程桩)，并根据里程桩对里程进行修正。双击图片后图片的里程信息和图片名均已修改，修正完之后显示修正因子，点云里程校准完成后，里程计和扫描仪的时间系统不再有偏差，里程计推算出的里程和实际里程的差值被校正，从而可以根据扫描时间推算出每个扫描点的里程。上述处理完成后，在图片上查找起始环号，确认第一个环号的值，以里程作为基准对环片进行编号，点击自动生成环片，对整个区间的环片进行识别，便可显示环号和对应的里程，如图3所示。

对所有环号按起始环号进行编辑，以重置环片数据库，并检核编号准确性。选取环片的中间位置，左右各偏离100 mm进行拟合，选择最优的椭圆结果作为该环片的拟合结果。拟合算法采用Fitzgibbon的椭圆拟合方法，拟合前，先使用RANSAC算法剔除掉噪声点，以保证拟合效果。

2 内外业作业流程

移动三维激光扫描系统作业流程主要分为外业流程和内业流程两个部分。

2.1 外业作业流程

外业工作主要包括以下几个步骤：

(1) 校准超高传感器，将手推车放在水平的轨道上，读取超高传感器的当前值，将小车旋转180°，再读取测量值；按照(Reading1+Reading2)/2计算误差。

(2) 找到某处里程桩，以此为起始点进行里程定位。

(3) 在里程桩处放置靶标球或粘贴靶标纸。

(4) 推动小车沿隧道进行连续断面扫描。

2.2 内业作业流程

内业工作主要包括：

(1) 数据预处理：软件根据原始数据自动整合超高数据、点云数据、轨距、里程等信息，生成可供用户使用的数据。

(2) 里程匹配：匹配目的是便于将现场分成多次采集的数据在后一步工作中进行合并。里程匹配将数据与实际里程信息对应起来，这样多期测量时，可以找到相同位置的数据进行对比分析。

(3) 数据导出：导出关注区域的横断面点集数据，每个盾构管片选取两个断面以便相互检核。

(4) 数据分析：将导出的横断面点集数据导入开发的后处理软件中，进行相应项目的数据处理及分析。

内业数据处理流程如图4所示。

3 工程案例分析

3.1 项目概况

武汉地铁某盾构区间，区间全长1250 m，全部为地下隧道，测试线路起止部分在车站直线段，中间为S形曲线，外业采用移动式三维激光扫描仪对地铁隧道内数据进行采集，内业结合自主研发软件获取内壁灰度影像，完成了隧道限界检测、逐环直径收敛、横断面分析，病害检测，附属设施调查等成果。

3.2 数据采集及预处理

试验具体步骤如下：

(1) 以区间起点为起始位置，区间终点为扫描结束位置，并做好起始点和终点标记。

(2) 从起点推至测试终点，采集原始数据。

(3) 从终点推至测试始点，校准初始数据。

(4) 在不同位置(位置根据现场情况确定)布置不同厚度靶标，做好记录(非测试人员任意布置)。

(5)结束数据采集，收集布置靶标，检查测试现场是否有遗漏物品，将设备推行到下道处，清点、搬运下道。

准备工作完毕后，即可推动移动激光测量设备对高速铁路隧道进行扫描测量，得到隧道的激光点云数据。在进行地铁隧道的相关检测前，对激光点云数据进行预处理是必不可少的部分，其内容主要包括点云数据的采集与存储、点云数据的滤波(噪声剔除)、点云数据的坐标转换及前后两次扫描数据的配准等。

3.3 试验结果分析

3.3.1 地铁隧道三维点云成果及灰度正射影像分析

通过融合解算得到隧道三维点云成果(如图5所示)和正射灰度影像图(如图6所示)，生成点云成果对比精度报告，并输出不同扫描速度点云密度报告。通过隧道的正射灰度影像图，可以得到隧道内整体情况和隧道内细节数据[8- 9]。

3.3.2 隧道断面分析

分析统计隧道形变量，并输出隧道断面分析报表。点云自动识别环片，将每个环片进行切片，选取特定位置的断面分析，通过两条轨道连线的中点得到断面中心位置，并可以拟合出设计断面，将实际断面和设计断面进行比对，得到每环每个部分的变化情况，隧道横断面分析如图7所示。

3.3.3 隧道病害(渗水及管片破损脱落检测)

通过对隧道点云分析，可提取隧道衬砌脱落的位置及隧道渗水区域、裂缝区域的位置，并计算对应面积[10- 13]，积水区位置及面积成果如图8所示。从图中可以看出，本区域最大积水面积位于K15+491.09—K15+494.17里程，最小积水面积位于K15+489.96—K15+490.14里程，可为运营管理部门提供数据支持。

3.3.4 限界检测

对轨道净空进行快速精确检测，快速获得轨道高精度断面数据，根据铁路轨道的限界规定判定是否存在异物侵限。将设计给出的车辆边界线叠加到断面上可以得到每个环片的侵界位置及侵界程度，超限区域如图9所示。

3.3.5 环片断面错台分析

通过软件处理可自动生成环片实际位置，并能够对整个区间的环片进行识别，可显示环号和对应的里程，选取环片缝中间左右间隔5 cm的区域进行错台分析，利用相邻环片的断面图，以轨道中心为基准相互叠加得到两环片相对位置变化情况，从而得到延轨道方向的错台变化。

以错台7 mm为边界，筛选得到所有错台大于7 mm的管片位置、错台弧长、错台位置、错台量。环片断面错台分析数据成果如图10所示。

3.3.6 隧道坏片椭圆度分析

利用扫描的隧道数据，可逐环统计隧道管片直径。以椭圆度0.005为界限，得到椭圆度超过界限的环号和对应的环片水平直径。水平直径表示隧道在水平方向的形变数值，椭圆度表示隧道整体的变形程度，椭圆度越大，隧道变率越大。通过软件可自动分析得到所有超过界限的环片号和相关数据信息，隧道环片椭圆度分析见表1。

表1 隧道环片椭圆度分析

3.4 移动三维激光扫描精度分析

3.4.1 移动三维激光扫描同人工观测结果对比

为分析三维激光扫描仪进行断面测量的精度，用全站仪对相同里程的断面进行人工测量，将拟合后的数据同三维激光扫描仪的测量数据进行对比，结果如图11—图13所示，结果显示两种方法的数据差值绝大部分(超过96%)位于-15～15 mm内，个别差值达到20 mm。经分析，个别数据差值较大的原因可能是受隧道内该位置有施工材料、积水等因素的影响，导致软件计算结果出现些许偏差，此为粗差，可在后续数据处理中进行修改完善。

利用三维激光扫描仪采集的点云数据经处理后生成的点云模型不仅可以用于隧道断面的加密，还可以作为地铁隧道限界检测的依据，为列车的运行提供良好的模拟环境，采集的点云数据可重复利用，避免了外业数据的重复采集；同时，断面测量成果还可以为隧道三维建模等工作提供相应支持。

3.4.2 移动三维激光扫描两次扫描数据对比分析

利用同一时间、同一基准得到的两次扫描结果，将相同位置的两段点云利用轨道中心为基准进行叠加，横轴为里程、纵轴为变形量。即可得到两次扫描点云的误差，从而得到移动三维激光扫描的精度情况。

根据测试得到的数据分析可知，两次扫描点云空间位置差值均在3 mm以内，两个扫描间隔很短，可以认为在此期间隧道没有发生形变，说明三维激光扫描的精度达到了3 mm。移动三维激光扫描两次扫描数据对比分析如图14所示。

4 结 语

移动三维激光扫描技术具有非接触测量、测量速度快、精度高、点云空间密度大等特点，可以为列车的运行提供良好的模拟环境，点云数据可重复利用，避免外业数据的重复采集，为地铁隧道断面测量、变形检测监测等工作提供了新的技术手段，获取的数据利用价值高。本文详细论述并通过实际工程验证了利用移动三维激光扫描技术进行隧道变形检测实用性强，操作简单，精度准确，说明移动三维激光扫描技术可以作为地铁隧道衬砌变形及限界检测监测等工作的方法，具有广阔的前景。由于该技术目前的应用处于起步阶段，有些内容仍有待进一步完善，如环片脱落、渗漏水等灾害的检测目前还只能通过人工识别的方式，里程配准方法自动化程度和精确度不高，外业数据采集在满足地铁隧道变形检测精度要求的前提下需要探索一套最简便快速的工作方法等。随着移动三维激光扫描技术在地铁中应用的不断推广和发展，该技术将逐步完善并在地铁相关工作中发挥越来越重要的作用。