王智，周志，张洪德，胡玉祥，孟庆年

(1.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032； 2.青岛市西海岸基础地理信息中心有限公司，山东 青岛 266555；3.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛 266032；4.青岛市海陆地理信息集成及应用重点实验室，山东 青岛 266032)

1 引 言

地铁隧道竣工后，由于地质及周边施工的影响，隧道结构随之会发生变形[1]，或是发生裂缝、渗水等情况[2]，从而对地铁运营产生安全隐患，为检测隧道的安全状况，一般做法是通过人工巡检的方式来进行检查、判别裂缝、渗水等情况[3]，该方法效率低，且容易漏检[4]，隧道变形则一般通过全站仪、水准仪进行实测隧道收敛变形和沉降[5]，通过后处理并与设计或是初始状态进行对比，来分析、判别隧道的空间形态变化情况[6]。

借助于三维激光扫描技术，可以快速地获取地铁隧道空间全息数据，并基于全息数据进行后处理，可以获得被扫描隧道空间的全息三维模型[7]，进而对模型中各个点、线、面的空间数据进行更加细致地分析，从而判断隧道是否存在变形、渗水、错台等病害现象[8]。目前用于地铁数据采集的扫描仪主要分为两类，一类是静态固定架站式扫描[9]，这类仪器作业需要在不同的测站之间布设标靶，以便于后续数据处理时将各个测站拼接为一个整体，生成的影像不均匀，绝对坐标匹配可利用隧道内导线点或CPⅢ控制点。第二类是轨道移动扫描系统[10]，其可以借助于轨道沿着隧道方向进行数据采集，相对于静态架站式扫描仪，其作业效率更高。利用隧道移动扫描系统在青岛地铁隧道进行测试，介绍了其作业流程、数据处理方法以及成果应用，得到了一些有益结论。

2 全息数据采集及预处理

隧道移动三维扫描系统借助于轨道可沿着隧道方向前进，在移动扫描系统行进过程中，光电编码器将车轮滚动的距离转换成数字信号，其根据系统初始位置标定的零位标记开始计算[11]，并同时在二维方向做三维扫描，扫描点在空间形成的轨迹为线性的三维螺旋模型[12]。通过整合三维激光扫描仪、里程计、轨距测量仪等多种传感器，移动隧道测量系统可获取高质量的三维点云数据及专业的轨道检测维护成果，轨检效率高达每小时 3 km～4 km左右[13]。适用于轨道检测、线路管理维护、竣工分析、限界测量、净空测量、轨道探伤等多个领域[14]。如图1所示为徕卡隧道移动扫描系统的外观图。

图1 徕卡隧道移动扫描系统

作业时采用最小约束法，即联测隧道沿线控制点对点云进行约束平差，作业过程如图2所示。

图2 外业采集流程

图3 点云坐标匹配标靶识别

内业下载原始测量数据，进行轨迹解算，获取全息数据点云，在做后续应用分析之前，需将点云匹配到绝对坐标系下，在三维点云中依次识别标靶，新建控制点标识，如图3所示，识别的标靶将出现十字丝并显示控制点点号。

绝对坐标匹配实质上是空间坐标转换，即先根据标靶在移动扫描系统坐标系(XA，YA，ZA)和绝对坐标系(XB，YB，ZB)中两套坐标求取转换参数，然后利用下式将点云转换到绝对坐标系下[15]。

(1)

式(1)中，(△X，△Y，△Z)是三个平移参数，m是缩放比例参数，R为旋转矩阵，令绕三个坐标轴旋转的角度分别为(ωx，ωY，ωZ)，则R为下式：

(2)

点云预处理还包括点云去噪及抽稀等操作，点云去噪是为了保证后续处理应用的结果及精度，将点云中干扰部分进行删除的过程，点云抽稀是为了提高后续应用处理的效率，将点云中点间距增大，从而减小点云的密度。

3 隧道安全状态分析

隧道建成后，其安全影响因素包括隧道空间几何形态的变化以及渗水、裂缝等，空间几何形态的变化情况中，限界最为重要，其直接影响行程安全及各种设备的正常运行，限界是规定地铁隧道在指定的空间区域不能有任何障碍物的空间尺寸要求。通常表现形式是在二维横断面图上表示相关尺寸，如图4所示为青岛地铁马蹄形隧道所需的限界尺寸。

为获取二维平面限界尺寸图，将三维点云向隧道中轴线的垂直面进行投影，根据限界测量要求，在中轴线上每隔 5 m选取一个断面基准点，将三维点云和断面基准点向隧道中轴线的垂直面上投影，以断面基准点为中心，搜索其法线方向上的三维点云，通过边界检测算法检测出投影后的点云边界，并形成点云集，获取二维横断面图。

图4 地铁隧道所需限界尺寸示意图

为了与设计对比，从而判断限界结果是否满足要求，导入设计数据，包括平曲线、竖曲线、超距、断链以及二衬设计断面，与绝对坐标系下的三维点云进行叠合，分析边界差异情况，计算超欠挖值，如图5所示，根据超欠挖分析情况及实测断面轮廓线计算、分析限界情况的变化。

图5 地铁隧道超欠挖分析图(单位/cm)

由于地下水的影响，地铁隧道的渗水情况在各个城市均有发生，通过移动扫描系统获取的三维点云可以快速探测到渗水部位，从而为后续处理措施提供决策依据，移动扫描系统中的三维激光扫描仪不仅可以快速获取目标表面高精度、高密度的三维点坐标信息，还能够获取激光反射信号的强度信息，利用RGB反射强度信息可以快速判别出渗水情况，如图6所示，将三维激光点云强度反射图沿着隧道底板中轴线展开即可获取渗水情况，图中深蓝色区域即为渗水部位。

对于盾构TBM管片隧道，借助于移动扫描系统获取的点云，可对管片错台、收敛、椭圆度等安全因素进行计算、分析。

图6地铁隧道渗水情况展开图(单位/cm)

4 总 结

采用三维激光扫描等前端技术获取地铁隧道建构筑物及隧道区间高精度点云数据及三维模型，建立全面、准确、真实的地铁土建竣工三维全息数字档案，是反映和评价土建施工质量的“家底工程”，也是后续开展地铁安全监测、病害检测、改建扩建、城市应急事故处置、地下空间改造以及周边地下空间衔接开发利用等管理维护工作最根本的基础。

借助于移动扫描系统获取的三维点云，并与设计数据相对比，可快速获取隧道超欠挖信息以及侵界情况，根据扫描仪激光获取的反射强度信息，能够获得隧道整体的渗水情况，与架站式扫描仪相比，移动激光扫描技术具有作业效率高、点云密度大、无须拼站等优点，为地铁隧道安全监测提供了更加高效、精确的测量手段。