地铁隧道变形监测中的三维激光扫描技术研究

发表时间：2018-11-14T17:16:54.063Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第20期 作者： 黄鑫

[导读] 有效减轻了监测的劳动强度、缩短了监测作业时间，并且获得了更加准确、全面的检测数据，大大提高了检测的质量。本论文以地铁隧道变形检测中的三维激光扫描技术为研究切入点，对其进行了详细的研究和论述。

黄鑫

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摘要：在地铁隧道施工建设完成之后，做好地铁隧道变形监测尤为重要，是保证地铁工程施工质量，确保地铁安全运营的重要条件。在地铁隧道变形监测中技术中，充分融入三维激光扫描技术，有效减轻了监测的劳动强度、缩短了监测作业时间，并且获得了更加准确、全面的检测数据，大大提高了检测的质量。本论文以地铁隧道变形检测中的三维激光扫描技术为研究切入点，对其进行了详细的研究和论述。

关键词：地铁隧道；变形监测；三维激光；扫描技术

地铁隧道在施工建设完成之后，受到土地扰动、周边工程施工、建构物负载等因素的影响，在具体施工中会出现纵向、横向变形，严重影响了地铁隧道的安全运行。这就要在具体的施工中，加强地铁隧道变形监测工作。传统的检测具有明显的缺点，如：工作效率低下、数据不全、自动化程度低，而将三维激光扫描术引入到地铁隧道变形监测过程中，有效地弥补了传统监测的不足。 1.地铁隧道变形检测相关概述

随着城市化进程的加快，城市人口增加、机动车辆增加。各大城市都面临着较为严重的交通压力。为了有效的缓解城市交通压力，各大城市都加强了地铁隧道的建设。但是在地铁隧道建设完成之后，受到复杂地质地理因素的影响，原本设计的地铁线路可能会出现多种结构改变，如：沉降、弯曲、扭曲变形、开裂等，在一定范围内的结构变形，并不会对地铁隧道的发展产生重要的影响，一旦地铁隧道出现严重的结构变形，就会导致地铁隧道出现结构与道床剥离、地铁轨道设备几何形位改变等。

除此之外，地铁隧道建设完成后，在运营过程中，还会受到地面和周边建筑物负载、隧道周边工程施工、隧道工程结构施工、地铁列车运行过程中所产生的振动等因素的影响，也在一定程度上加强了地铁隧道的变形。

因此，对于新建的地铁隧道线路，必须要加强变形监测，根据监测结果充分了解其平面位移、竖向位移情况，以有效保障地铁隧道的运营安全[1]。同时，变形监测数据，还可以为以后的地铁隧道设计，提供一定的借鉴和依据。 2.三维激光扫描技术以及特点 2.1三维激光扫描技术

三维激光扫描技术主要是指在地铁隧道变形监测过程中，利用激光扫描装置进行自动、系统、快速的扫描，并将所获得相应数据进行整理分析，以获得对象的表面三维坐标。这种三维激光扫描技术是一种高科技的测绘技术，集成了多种高新技术的测绘仪器，并在具体监测过程中，采用非接触式的高速激光测量方式。

三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的具体应用，应包括以下四个步骤：

步骤一：在地铁隧道内部建立一个监测基准网，并形成一个闭合的观测系统。通常，地铁隧道内部基准网往往在铺轨施工期间完成，并采用地铁的基本控制网进行建立。

步骤二：根据地铁隧道的实际情况，在每隔一定的距离上，可采用CPⅢ控制点埋设的方式，设置一个激光反馈观测点。通常，激光反馈观测点往往选择在增加横断面上，这样便于激光反馈点的收集。之后，根据激光反馈点所的到的数据进行分析，从而根据分析结果得出地铁隧道的变形程度。

步骤三：以地铁隧道和你建立的检测基准网为基础，采用三维激光扫描仪，对激光反馈光测点进行扫描，从而得到整个地铁隧道线路的三维激光扫描数据。

步骤四：将三维激光反馈点所得到的数据进行综合整理，并据此建立三维模型，进行综合检测。在这一过程中，对于大量的数据分析，要保证数据的完整真实，不能在分析过程中，随意更改[2]。 2.2三维激光扫描技术特点

具体来说，三维激光扫描技术在地铁隧道变形检测中的应用，具有一定的优势： 第一、效率高。

三维激光扫描技术在监测的过程中，所用的时间仅仅为传统监测时间的几十分之一，能够在短时间内完成高质量的监测。尤其是对于地形结构复杂的区域内部来说，三维激光扫描技术监测优势尤为明显。 第二、三维可视化

三维激光扫描技术在监测中，可以快速获取地铁隧道内部精确信息，充分反映其本身特点，并在此基础上，实现了地铁隧道内部表面的三维可视化。

第三、安全稳定，精度均匀

与传统的监测方法相比较，三维激光技术在应用中由于扫描仪自动识别，大大降低了监测过程中人为因素所造成的误差，在一定程度上提高了观测的精准度。另外，在监测过程中，由于三维激光获取数据密度较大，精度分布较为均匀，所谓在此基础上构建出的三维立体模型，具有较强的完整性和连贯性。 第四、数据监测更加全面

三维激光扫描技术在应用中，可以对隧道内部各个区域的沉降、结构变形、收敛情况进行详细、直观的了解，使得数据监测更加全面。

3.三维激光扫描技术的具体应用 3.1制定监测方案

制定科学的检测方案，是实施三维激光扫描技术监测的第一步。在制定监测方案的过程中，不仅要根据地铁隧道的实际情况，还要对

地铁隧道的地表结构、地下结构所可能产生的变形量作为重要的考虑因素。

通常情况下，地铁隧道变形监测主要分为两个阶段：（1）初期阶段：监测周期短、频率高，尤其是在监测过程中，发现某局部地段出现较快、较明显的变形时，应进一步短缩检测周期；反之，在监测中如果发现一切正常，则应逐渐延长监测周期。通常，在初期阶段，一般为三个月观测一次；（2）地铁隧道开始运营之后，应逐渐延长监测周期，变为每半年一次，或者每年监测一次，直到地铁隧道变形趋于稳定状态。

另外，在制定监测方案的时候，为了进一步保证三维激光检测数据的准确定，应在测量段设置标靶，并采用传统的测量方法进行导线和水准测量[3]。

如重庆轨道六号线在轻轨隧道的监测过程中，就对现象控制点分布、第一期扫描测站和标靶布设方式进行了详细的制定，如下图所示：

图1：测站及标靶布设图 3.2导线和水准测量

利用三维激光扫描技术对地铁隧道变形监测过程中，应根据监测部位的不同，选择不同的仪器进行检测。通常，对于导线部分的监测过程中，在隧道内部主要是采用高精度的全站仪进行有效的测量；而对于水准测量部分，只有通过高精度的电子水准仪监测，才能确保在监测过程中，获得高精度的数据，从而为后期数据处理提供准确的准备。 3.3三维激光扫描获得数据

通过三维激光技术，可以获得CCD的影响数据、GPS数据、点云数据，并根据所获得数据，进行有效的监测。但在具体的地铁隧道变形监测过程中，受到其内部没有GPS信号的影响，只需要通过点云数据即可。

在具体的地铁隧道内部监测过程中，应根据地铁隧道的实际环境，以及三位激光扫描仪的性能指标，确定具体扫描的间距、重叠度，并根据所制定的监测方案，对导线、水准进行有效的测量，获得三位坐标、隧道内部点云数据、各个标靶点的点云数据，并将所获得的数据进行后期加工处理。 3.4内业数据处理

内业数据处理主要包括两部分，即：导线和水准测量数据处理、点云数据处理。 3.5导线和水准测量数据处理

主要是将导线和水准监测获得的数据，利用常规的平差软件进行计算，以获得各标靶的三维坐标。 3.6点云数据处理

主要是利用专用的数据处理软件，将三维激光扫描所获得的点云数据，进行有效的处理。其处理步骤主要包括： 步骤一：数据裁剪

主要是将所获得的数据进行滤波，以消除粗差，并将冗余的数据进行剔除。 步骤二：数据配准和整合

主要是通过各个标靶上的三维坐标数据、所获得的点云数据，将不同测站上的相同坐标，并将数据坐标转至统一的坐标系统，使其形成一个整体。通过这一步骤，可以通过导线和水准测量的数据，以进一步提高点云数据的精度。 步骤三：三维数据建模

主要是根据所整理的点云数据，建立隧道内的三维模型。 步骤四：三维模型后处理

几何模型建立之后，要对模型进行拓扑错误检查、漏洞修补、模型平滑简化等处理。 3.7成果数据判断

将根据点云数据所建立的三维模型进行套合比，以更好地发现变形区域。具体判断的过程中，主要是：根据地铁隧道监测变形测量要求而制定的方案，根据所获得的点云数据将特征区域的三维模型断面截取出来，并对其进行曲线拟合。并将统一位置的初次断面数据进行对比，即可得出特征区域的地铁隧道变形情况。

将对比得出的结果与相关规范规定（如下表1所示），以帮助其作出最后的调整方案[4]。

4.结束语

综上所述，地铁隧道建设完成之后，受到多种因素的影响，会出现变形的现象。因此，必须要加强对隧道地铁线路的变形监测。传统的变形监测中具有工作效率低下、数据不全、自动化程度低等缺点，甚至留下安全隐患。而三维激光扫描技术的应用，充分改变了这一弊端，使得地铁隧道变形监测效率更高、精准度更高、监测数据更全面，并通过三维可视化的方式，大大提高了地铁隧道变形检测的效率和

质量。

参考文献

[1]袁长征，滕德贵，胡波，等.三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用[J].测绘通报，2017（9）：152-153. [2]杨波.三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用研究[J].工程技术：全文版，2016（5）：00154-00155.

[3]潘国荣，张超.三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的开发应用[J].东华理工大学学报：自然科学版，2016（S1）：1-5. [4]王芬.三维激光扫描在地铁隧道变形监测中的应用浅析[J].城市建设理论研究：电子版，2014（22）.