高精度扫描仪在地铁隧道施工中的应用

徐卫东，王 磊，芦荣海，朱水鹏

(1. 北京九碧木测信科技有限公司, 北京100085； 2. 拓佳丰圣(上海)科贸有限公司, 北京 100124； 3. 北京市政建设集团有限责任公司，北京 100055)

随着城市轨道交通要求的不断增多，对城市区域的隧道开挖要求需求越来越多,无疑对隧道开挖监测和检查的速度和质量提出了更高的要求[1]。如何精确、高效地采集隧道断面数据,根据采集的数据自动化地获取相关参数,并在此基础上进行相关分析与应用是国内隧道(地下空间)目前亟需的解决方案[2]。解决方案对数据采集要求效率高,能够提取更为准确的断面数据成果,并一键智能地输出符合工程标准的报告[3]。而地面激光扫描技术,也称“实景复制”技术,是一种新型的空间数据获取技术。与传统的测量手段相比,该技术具有数据获取速度快,实时性强,数据量大,主动性强,能全天候工作,全数字特征,信息传输、加工、表达容易,操作方便等优点[4]。

本文参考B样条曲线拟合的主点选取方法及非断面信息的剔除等方法[5-7]，以地铁7号线东延01标段隧道断面扫描数据为例。三维激光扫描仪的测量精度能够满足隧道结构变形监测的要求，可以准确、快速获取隧道空间数据，提高了作业效率[8]，并基于断面曲线及隧道中轴线的变形分析方法能够从局部和整体两个层面反映隧道结构的变形情况[9-10]，利用自主研发的TMS隧道三维激光扫描监控平台软件为地铁隧道结构变形监测提供一种科学可行的解决方案。

1 项目背景

北京地铁7号线东延01标段全长3.25 km，包含2站2区间，采用明挖车站、盾构区间的结构形式，整个标段有下穿燃气调压站和东五环路、上跨南水北调东干渠等施工难点。其中，焦黄区间盾构段长981 m，隧道断面直径6 m；黄豆区间盾构段长1541 m，隧道断面直径6 m。该标段如图1所示。

隧道开挖过程中，需要及时对隧道开挖的现状进行测量，确定隧道的超欠挖情况，并监控隧道的风险，以防发生隧道塌方事故。如图2、图3所示。

因此，本文项目采用拓普康GLS-2000三维激光扫描仪对开挖的隧道进行扫描，获得高精度的点云数据，然后利用针对本文项目部自主研发的TMS隧道三维激光扫描监控平台软件，进行隧道超欠挖分析、监控量测及分析预警，满足标段项目部的生产需要。具体功能如图4所示。

2 项目实施方案

在隧道现场，本文项目采用拓普康GLS-2000三维激光扫描仪进行扫描，获取高精度的点云，仪器如图5所示；仪器的每一站都安置在隧道的已知点上，并扫描后视点的棱镜进行定向，如图6所示。

由于拓普康GLS-2000三维激光扫描仪具有“测站后视法”扫描功能，每一站扫描的点云均具有全局的坐标，因此只需直接将每一站扫描的点云合并到一起即可，无需拼接，方便了点云的后处理。GLS-2000三维激光扫描仪可以直接扫描后视棱镜，提高了后视定向的精度。GLS-2000的3.5 mm@150 m测距精度，也确保了点云数据的高精度，能够满足隧道工程对测量精度的要求。隧道扫描点云如图7所示。

自主研发的TMS隧道三维激光扫描监控平台软件，可以满足本标段项目部的生产需要，如图8—图10所示。

此外，该软件还可以针对项目部的特殊需求，定制开发所需的功能。

3 结 语

采用三维激光扫描仪进行隧道测量，是目前先进的技术手段之一。三维激光扫描仪获取的点云不但精度高，而且点密度高，又可以全自动地进行扫描观测，具有全站仪方式不可比拟的技术优势，必将会在隧道测量的工程项目中得到越来越广的应用。