三维激光扫描技术在地铁隧道施工质量检测中的应用研究

文章编号：1672-8262( 2018)03-114-03

城市勘测

Urban Geotechnical Investigation & Surveying

中图分类号:P234.4

Jun.2018No.3文献标识码:B

三维激光扫描技术在地铁隧道施工质量

检测中的应用研究

王智*，李勇,张洪德，曹庆磊，门茂林 (青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032)

摘要:地铁隧道在施工过程中，需实测初支断面和二衬断面空间形态，进而计算断面超欠挖量来检验施工质量，初支 断面的超欠挖分析数据可以指导后续二衬施工，实测的二衬断面与设计数据进行对比分析，为后续调线调坡提供依 据,传统的断面测量方法以单个点描绘隧道开挖质量，无法完整展现隧道空间形态及施工质量，以三维激光扫描仪代 替传统手段不仅作业效率高、成果展现形式多样，其可以进行三维建模对地铁隧道进行漫游和空间分析处理，具有传 统测量手段无法比拟的优势，以青岛地铁工程为例介绍了三维激光扫描技术在地铁隧道施工中的应用，得到了一些 有益的结论。

关键词：地铁隧道;三维扫描；断面测量

1引言

地铁隧道开挖是隧道施工的重要工序，超挖过多，

据的获取提供了有效的测量手段，它采用非接触式激 光测量技术，以点云的形式采集并保存空间物体表面 的三维几何信息和纹理数据[5]。仪器主要包括测距系 统以及扫描系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内 部校正等系统。三维激光扫描仪工作原理是:仪器对 待测物体发射激光，根据激光发射和返回的时间差，得 出扫描仪与物体的几何距离，根据水平方向和垂直方 向步进角距值，计算出点位的三维坐标,并由仪器存储 设备予以记录储存，再经过后处理软件的建模，便可得 到被测物体的空间三维模型[6]。本文介绍了将三维激 光扫描技术应用于地铁施工质量检测中，并在青岛地 铁工程得到了成功的应用。

不仅因出渣量和衬砌量增多而提高工程造价，而且由 于局部超挖会产生应力集中问题，影响围岩稳定性;而 欠挖则直接影响到衬砌厚度，对隧道质量及后期运营 产生安全隐患[1]。因此超欠挖控制是地铁隧道施工质 量评定的重要内容之一,进行超欠挖控制的方法是使 用测量仪器观测隧道断面若干个点，形成实际的开挖 轮廓线，并在同一坐标系中与设计轮廓线进行比较，从 而获取断面的超欠挖量和部位，供有关部门进行综合 分析利用，及时指导下一步施工[2]。目前对地铁隧道 进行断面测量主要有两种方法，一种是断面仪法[3]，这 种方法需要先放样出隧道中心线，然后在指定里程的 隧道中心线处架设仪器,按照设定的测量参数对当前 里程断面进行空间数据采集,作业效率较低，且断面仪 用途单一。另外一种常用的方法是采用全自动测量全 站仪，并搭载有断面测量机载程序，这种方法不需要放 样出隧道中心线,架站方式灵活，自动化程度相对较 高，但是结果仍然是以逐个独立的点位表现，局限于平 面展现，无法全面反映隧道开挖超欠挖情况。

三维激光扫描仪测量是近几年应用于地铁隧道工 程测量的新型测量技术,它是一种通过发射激光来扫 描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器, 是一种非接触式主动测量系统[4]。它突破传统的单点 测量技术，使得外业测量更加高效便捷，为空间三维数

* 收稿日期:2017—08—29

2数据采集

为了使三维激光扫描仪的成果与地铁建设坐标基

2. 1控制点布设

准一致，需要在隧道内布设足够密度和精度的控制点， 为三维激光扫描提供空间基准，也便于后续和设计进行 对比从而分析隧道开挖质量,若隧道未贯通，应采用经 联系测量传递到隧道内的控制点，若隧道已贯通，应采 用两井定向或两站一区间地下控制点联测后的成果。

考虑到隧道内控制点间距一般在100 m~ 150 m 左右，不满足扫描仪数据采集起算基准要求，需要对隧 道内控制点进行加密，根据扫描仪性能及隧道内现场 实际情况，加密点宜30 m~50 m布设一个，可采用1\"

作者简介:王智（1986—），男，硕士,工程师，注册测绘师，主要从事精密工程测量和工业测量技术工作。

第3期王智等.三维激光扫描技术在地铁隧道施工质量检测中的应用研究115

或0.5\"级全站仪采用极坐标法测量。点位布设要求便 于架设对中杆，同时便于保护以便重复使用。

2.2架站方案设计

外业测量时，在车站和区间内控制点上架设标靶， 仪器根据现场通视情况任意架站，但需和两个标靶通 视，仪器整平后根据扫描仪性能参数及现场环境设定 扫描站间距、扫描点密度,保证各测站之间具有一定的 扫描重叠度。同步进行隧道三维激光扫描，获取隧道 三维点云数据，同时也获取标靶点云数据。

Q加密点

控制点

#却

足

X

足

茱站点

钯姑点，

茱站点

图1

隧道内控制点布设及架站方案示意图

如图1所示，隧道内控制点一般间距比较长，经全 站仪加密后的点位宜在30至50米左右，每次测量过 程中，应在头尾处测量至少两个控制点，以保证多余观 测从而进行检核，如图中左侧和右侧架站点所示，在中 间的架站点，通过联测相邻测站的靶球从而达到相邻 测站拼接的目的。从图中可以看出，中间架站数越多， 即需要耙球传递的测站越多，整个拼接的点云的绝对 精度越低，因此，为保证精度，宜在中间架站点联测隧 道内控制点，以保证点云拼接的绝对精度。2.3扫描仪数据采集

在获取扫描点云的同时利用扫描仪内置或外置相 机拍取照片，用于对点云的纹理题图，同时为了满足更 多工程的需求，通过专业的后处理软件进行快速贴图， 呈现更加逼真的真彩色点云数据，丰富了扫描成果。

三维激光扫描仪得到的原始观测数据主要包括: ①根据2个连续转动用来反射脉冲激光镜的角度值得 到激光束水平方向值和竖直方向值;②根据脉冲激光 传播时间而计算得到的仪器到扫描点的距离值;③扫 描点的反射强度;④通过数码相机获取的场景影像数 据等。前2种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫 描点的反射强度和场景影像数据则用来给反射点匹配 颜色或给模型映射纹理。

3数据处理

3.1点云配准拼接

(1)

计算标靶三维坐标计算:利用导线和水准测 量的成果，进行标靶三维坐标的计算。

(2) 点云拼接:根据标靶三维坐标将每个测站的

点云数据归算到隧道施工使用的三维坐标系统中。青 岛地铁隧道某区间采用三维激光扫描仪后拼接的三维 点云如图2所示：

图2青岛地铁隧道某区间三维点云模型

(3)剔除噪音数据:根据隧道设计数据，剔除隧道 壁外的噪音数据。噪音数据主要是盾构管片的连接螺 栓孔、螺帽、注浆孔及电缆、照明设备和其他附着在管 壁上的设施。

如图3所示，将隧道通风管道剔除后得到的点云 模型。

图3剔除噪音数据后点云模型

3.2设计数据录入

设计数据录人包括三个部分:平曲线、竖曲线以及 设计断面。

他中点

钹和曲浅

H曲线

田财

__s费点

图4地铁设计平曲线要素点

设计平曲线要素录入主要包括各个要素点的里

程，如直缓点、缓圆点、圆缓点、缓直点等以及相应曲线 要素的长度、直线的方位角、圆曲线的半径等信息，如

116城市勘测2018年6月

图4所示。设计竖曲线要素包括里程、长度、竖曲线半 径，转角前后的坡度等信息。设计断面包括每个断面 类型的设计、里程范围等信息。

3.3断面超欠挖分析

方交会设站时，每站至少前后各一个控制点，并测设一 定数量的检核点，相邻的扫描测站间最好存在两个以 上的公共连接点，有公共面时应使用公共面拼接，没有 公共面时使用公共点拼接，并对连接区域或点位进行 精细扫描。

目前地铁隧道断面测量使用的方法主要是断面仪 法和全站仪机载程序法，三维激光扫描仪方法并没有 得到广泛应用，究其原因，一方面是设备昂贵,另一方 面是该方法后处理过程烦琐，对作业人员技术要求较 高，另外针对地铁测量的分析软件不成熟。但是在外 业高密度采集大量断面时，三维激光扫描仪的速度明 显高于断面仪法和全站仪机载程序法，且生成的点云 数据可以构建三维模型，可以更好地服务于隧道的健 康监测，是未来隧道断面测量的趋势。

参考文献

[1] 王智.地铁盾构姿态自动测量系统的研究与实现[D].上

海：同济大学测量与国土信息工程系，2011.

[2] 彭飞.激光断面仪在隧道初衬质量检测中的应用[J].山

西建筑,2010,36(6) :325 ~326.[3] 王智，张恩，李勇.地铁隧道结构断面测量方法及对比分

析[A].第六届全国交通工程测量学术研讨会论文集 [C]. 2013:307-308.[4] 郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影

响因素分析[J].测绘工程,2005,14(2):32 ~35•

[5] 罗德安,廖丽琼.地面激光扫描仪的精度影响因素分析

[•[].铁道勘察,2007,4(6):5~7.[6] 夏春初，王智，张洪德.三维激光扫描仪在地铁竣工测量

中的应用及精度分析[J].城市勘测,2016(2) :129~131.

在内业拼接好的具有地铁隧道统一控制坐标系下 三维坐标的三维空间点云数据中，在后处理软件中提 取一定厚度的指定里程断面的点云数据，与事先输人 好的隧道设计模型数据规定的里程处进行相应断面比 较,即可得到断面的超欠挖情况，如图5所示。

4总结

要保证三维激光扫描仪成果的精度，需在外业扫

描作业时为点云数据的高精度拼接创造条件，使用后

Study on Application of 3D Laser Scanning Technology in Subway Tunnel Construction Quality Inspection

Wang Zhi，Li Yong，Zhang Hongde，Cao Qinglei，Men Maolin

(Qingdao Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Research,Qingdao 266032,China)

Abstract：In the subway tunnel construction process, primary support sections and two lining section should be

measured. And then calculate the amount owed to dig section to test the quality of construction. The overexcavation analy­sis data of the initial support section can guide the subsequent two lining construction. Analysis of measured two lining section and design data provide the basis for the subsequent adjustment line of slope. The traditional section measurementwith single point description of tunnel excavation quality, can not show complete tunnel space form and construction qual­ity. Using 3D laser scanner to replace the traditional method not only high efficiency,the results show a variety of forms, the three-dimensional modeling of the subway tunnel were analyzed and compared with roaming space. Taking Qingdao subway engineering as an example to introduce the application of 3D laser scanning technology in subway tunnel con­struction, some useful conclusions are obtained.

Key words：subway tunnel;three-dimensional scanning；section measuring