关键词： 三维激光扫描 椭圆度检测 隧道管片
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1[收稿日期：年-月-日
作者简介：居宏伟（1984—），男，山东济南人，工程师，本科，主要从事地下工程施工及技术研究；E-mail：364334118@qq.com ] 引言
随着盾构施工方法的快速发展，人们对盾构施工质量的要求越来越高[1-5]。变形测量因其测量结果对于工程师掌握施工情况，了解隧道状况，并及时调整设计及施工方案有着极其重要的作用，成为盾构施工中不可或缺的施工环节[6-8]。相对于传统的变形测量方法，三维激光扫描技术可节约大量的人工和时间成本，具有作业效率高、可靠性强等特点，测量精度能够得到保证且在数据采集完成后能够实时根据点云数据对断面进行加密而无须外业重复作业的特点[9-12]。
本文利用三维激光扫描技术代替传统的变形测量方法对武汉轨道交通5号线盾构隧道管片进行了椭圆度检测，阐述了该技术在实际工作中的工作流程。
2 工程概况
复兴路站到彭刘杨站（如图1）区间长587.6m，从复兴路站始发，彭刘杨路站接收。管片外径为6.2m，管片厚0.35m。左线设置“人”字坡，右线设置“V”字坡，左右线平面局部重叠，左右线空间最小净距2.3m。隧道左线覆土厚度6.7m~11.5m，右线覆土10.4m~16m。
三维激光扫描作业具体里程范围如下：左线DK12+036.028~DK12+623.743，短链0.795m;右线 DK12+036.139~DK12+623.738。扫描作业左线长586.92m，右线长587.599m。扫描作业总计全长1.17km。
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图1 工程平面位置图
3 工作原理及数据采集
3.1 工作原理
三维激光扫描技术[7,10,12]是一种快速直接获取目标物表面所有三维坐标，可以利用三维坐标重建三维模型，通过三维坐标可以重建物体的线、面、体，进行各种计量、运算、分析等。
三维激光扫描仪的构造是对全站仪的一种全面升级，由马达驱动一台高速精确的激光测距仪，自动引导激光并以均匀角速度扫描，实现全自动记录目标三维坐标。三维激光扫描仪构造见图2。.png)
图2 三维激光扫描仪工作原理图
激光扫描仪整平后自动建立一个三维坐标系(如图3)。
图3 三维坐标系.png)
X轴和Y轴在水平扫描面内相互垂直，Z轴与水平扫描面垂直，通过三维激光扫描仪测得被测物到扫描仪的距离S和坐标轴至激光束的平角α和竖角β，自动算出点云P的三维坐标（见公式）。
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3.2 数据采集
(1)设备选取
本工程为了保证数据采集精度，选用一台型号为Scan Station P40的徕卡三维激光扫描仪作为采集数据的设备（如图4）。.png)
图4 Leica P40三维激光扫描仪
该型号扫描仪扫描距离为270m，50m范围内扫描精度为±3mm，100m范围内扫描精度为±6mm。扫描方式为设站式，同时采用与P40配套的标靶作为多测站的公共点观测目标。
(2)点云数据采集
数据采集一般有四个步骤，包括靶标布设、站点选择、扫描参数设置、扫描[7]。
①靶标布置，隧道的扫描由于空间相对不开阔，可能会有遮挡物或者视觉盲区，从而导致扫描仪无法在一个固定位置扫描到整个物体的表面信息。此时就需要合理的布置站点的位置和间距，保证成型管片的信息不丢失，不漏扫。
②站点选择，在隧道的数据采集过程中，为了最低程度上影响点云的采集精度，单站扫描半径不宜设置过大。盾构施工现场会有很多设备遮挡了已拼装完成管片，提高了扫描难度。因此，在扫描时应通过合理选择测量站点，尽可能全面的获得管片的点云数据。为了保证配准精度，相邻测站要有足够的公共标靶。
③扫描参数的设置[13]，为了尽可能获取完整的隧道扫描点云数据，对扫描视场角不进行限制，即选择全景扫描模式。扫描分辨率设定为3.1mm@10m，在正常扫描灵敏度下的单站扫描时间约为3分30秒，可有效兼顾测量精度与效率。
④扫描，复兴路站-彭刘杨路站区间左线长约586.92m，右线长约587.599m。扫描作业范围总计全长1.17km，现场作业如图5所示。
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图5 现场作业图
4 数据处理及分析
4.1 数据处理
本文首先利用徕卡的Cyclone软件对扫描仪获取的海量点云数据进行拼接、噪点及无关点剔除后获得三维点云效果图以及以隧道顶部中心线为基准进行投影展开的二维灰度影像图（如图6、图7所示）；然后利用软件图像识别功能在灰度影像上识别环片拼接缝，确定出环片拼接缝处的点云数据；最后相对应的信息计算环片中心断面位置，提取该环片数据信息。
图6 三维点云成果
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图7 二维栅格灰度影像
为了更好地对环片椭圆度信息进行分析，本文根据环片两边的里程计算出环片中部断面位置，并在点云中提取对应的信息。
4.2 数据分析
本文对复兴路站至彭刘杨路站786环管片进行逐环拟合，将拟合结果以管片环为单位，分别对拟合椭圆的对应的环号、里程、椭圆长轴、椭圆短轴，椭圆度进行计算，并以报表的形式进行输出，部分输出结果见表1和表2。
表1 复兴路站至彭刘杨路站左线部分断面椭圆度
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根据盾构法隧道施工与验收规范[14]，地铁隧道椭圆度允许偏差为±6‰D，对表1和表2椭圆度拟合结果分析可知：
①左线隧道第112~121环共十环管片的椭圆度符合规范要求，其中椭圆度最大值为5‰，出现在左线第115~118环，椭圆度接近规范的上限，后期应加强监测，继续跟踪其变化，必要时采取相应预防措施。
②右线隧道第313～322环共十环管片的椭圆度符合规范要求，其中椭圆度最大值为6‰，出现在右线第313环管片上，椭圆度已达到规范的上限，后期应加强监测，继续跟踪其变化，必要时采取相应预防措施。
5 结语
本文通过武汉轨道交通5号线三标复兴路站到彭刘杨路站的实体案例，从原理、数据采集、数据处理及分析几个方面阐述了三维激光扫描技术在隧道管片椭圆度检测中应用的工作流程，相比传统的椭圆度检测作业方式效率低、无法进行大范围的检测，体现出了该方法的作业流程简单、测量效率高、检测精度高等优越性，相信在不久的将来三维激光扫描技术将会成为地铁盾构隧道检测的常规检测手段。
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论文作者:居宏伟
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年1月第3期
论文发表时间:2020/4/22
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