沈 国 根

(扬州市市政建设处，江苏 扬州 225002)

0 引言

因其对周边环境影响小，隧道结构是城市快速公路、地铁等重要交通设施的重要结构形式。但是由于地质条件的影响，如长江中下游地区的典型软弱地基，容易造成隧道收敛变形，尤其是盾构隧道，从而威胁隧道设施的运营安全[1]。针对收敛变形，学者提出了各种检测和监测技术，如自动化近景摄影技术[2]、倾角仪[3]、智能收敛仪[4]、三维激光扫描[5]和光纤传感技术[6]等，在技术特征、成本等方面各项技术都有各自的优点和不足。

三维激光扫描技术具有扫描面积大、速度快、可与快速检测车结合使用等优点，在隧道收敛变形快速检测中得到了相对广泛的研究和应用。本文在某地铁隧道收敛变形检测中，采用了三维激光扫描技术，现场检验了该技术的应用效果。

1 三维激光扫描原理

三维激光扫描仪系统一般包括激光扫描和测距系统，在测量时将激光脉冲依次扫过待测区域，每个脉冲经待测结构表面反射并被相机捕获，测量系统可以测量光路程大小以及反射角度，进一步解析可获得测点的空间坐标(也称为点云)，如图1所示，计算公式如式(1)所示。

x=rcosαcosθy=rcosαsinθz=rsinα

(1)

2 基于三维激光扫描的隧道收敛变形分析方法

2.1 椭圆拟合

根据理论计算和实际检测发现，盾构隧道发生收敛变形后隧道截面有从圆形变化到椭圆形的趋势，因此，对测量数据进行椭圆形拟合是切合实际的。椭圆拟合是根据提取环片中间位置的点云进行椭圆拟合，拟合模型采用二次曲线方程式(如式(2))进行拟合。其中，A～F均为拟合系数；x和y分别为坐标轴的横、纵坐标。

Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0

(2)

拟合时引入抗差、平差估计方法，在粗差不可避免的情况下，使用选权迭代法，使参数的估值尽可能避免粗差的影响，得到正常模式下的最佳估值，如图2所示。

2.2 收敛计算

根据点云拟合椭圆的长轴、短轴分别与设计值直径的差值为收敛初始值，其中长轴一般代表水平向，短轴代表竖直向。

3 某地铁隧道工程应用研究

3.1 试验工程概况

试验工程为某地铁线路的典型区间，在前期的人工巡检过程中，发现了渗水、掉块破损、裂缝道床分离病害等典型病害，同时考虑地质情况，选取了左、右线里程分别为K39+650～K40+012和K39+600～K40+108的区间，左线所包含对应的管片环号是L696～L1037环，右线所包含对应的管片环号是R720～R1099环。

在试验中，为了比较检测精度，还采用了高精度激光测距仪对隧道测点距离进行了测量。考虑到竖向直径测量一般需要搭设脚手架或采用升降机，本次试验中仅对若干点的水平直径进行了测量，并与三维扫描结果进行了比对。同时，文章中也仅包含了水平向的收敛检测结果。

3.2 试验结果

3.2.1收敛变形检测结果

系统在三维激光扫描后直接进行椭圆拟合并识别长、短轴的半径长度，典型结果如图3所示。

此试验段标准圆设计内直径是5.5 m，利用识别的长轴直径计算水平收敛变形，左、右线的结果分别如图4和图5所示。从结果中可以发现，收敛变形最大的位置比较集中，如左线收敛超过60 mm的管片均位于环号L951～L955，右线收敛超过40 mm的管片均位于环号R1021～R1085之间；左线的收敛变形显著要比右线的大，具体原因有待进一步调查、分析。

3.2.2收敛变形检测误差比较

本次对比验证，左线选择L740,L820,L980和L1028共四环，右线选择R720,R820和R1010共三环。对比测量采用高精度激光测距仪，其精度可达到0.1 mm。测量对比结果如表1所示，两种方法在左线的测量差值为1 mm，右线的测量差值达到3 mm，造成左右测量误差差异的原因不明，需进一步考察。综合考虑，目前所采用的三维激光扫描系统的收敛测量精度可达到5 mm。

表1 水平收敛测量误差对比表

4 结语

收敛变形是表征隧道结构健康、安全的重要指标，本文采用三维激光扫描技术，对某地铁隧道试验区段开展了收敛变形快速检测的应用研究，研究结果表明：

1)三维激光扫描技术可以快速准确地识别隧道结构，并自动识别隧道的内部尺寸，通过椭圆拟合获得水平和竖向直径；

2)隧道水平收敛的检测误差在5 mm以内，若考虑更高精度的测量，需采取措施提高测量精度，如在关键区域采用多次测量降低误差。

考虑三维激光扫描系统在隧道内快速检测的特点，可大幅降低检测时间和人力成本，因此，本方法具有广阔的应用前景。