三维激光扫描在地铁运营隧道变形监测的应用

三维激光扫描在地铁运营隧道变形监测的应用

潘磊

中铁隧道勘察设计研究院有限公司  广东省   511458

【摘 要】：随着经济的发展，中国交通运输行业迎来了蓬勃发展的时期，在城市中的地铁建设也迎来了关键的时期，随着地铁的建设和维护，地铁隧道与轨道存在着诸多的问题，这些问题如果不解决会为地铁运营埋下安全隐患，还可能造成安全事故。近年来，国家相关部门颁布了多项地铁轨道运营的政策来促进城市地铁的健康发展。在众多轨道交通问题中地铁隧道变形是其中至关重要的问题，采用三维激光扫描这类先进的科学技术可以有效检测上述问题。三维激光扫描技术使用的原理是高速激光，然后自动、快速、高精度、高密度测量地表的三维空间坐标信息，再将采集过来的数据进行整合，从而再现实景。三维激光扫描技术与传统的测绘制图技术相比，前者更加智能化、自动化、科学化，能精确地将大数据、数字空间等信息采集，特别是经历了几十年的发展，此技术已经被运用到建筑、文物保护军事勘测以及自然灾害的预测等诸多领域，此技术已日趋成熟。

【关键词】：三维激光扫描；地铁运营隧道；变形监测

引言

在地铁隧道中来说，隧道变形是其中危害比较大的问题，因此，做好隧道变形监测能为隧道施工和运营保驾护航，是十分重要的一项措施。在目前地铁隧道监测中，一般是在隧道壁埋点，然后用专业的仪表仪器来做全方位的监测，但是这样监测方法不仅需要投入大量的人力物力和时间，还无法对隧道的全貌进行自动监测。随着科学的发展，三维激光扫描技术也在不断提升，它可以监测隧道形变，通过三维激光扫描而获取的数据可以将点的形变发展为面的形变监测，这样监测方法就更先进更科学，在地铁运营隧道形变监测中是一大进步，是质的飞跃。

一、地铁隧道变形的影响因素

1、施工期间的影响

一般来说，城市地铁建设一般是位于地下岩土层下的，地铁隧道挖掘方法多种多样，如明挖、覆盖法、暗挖、筛分法等，但毫无例外，每一种挖掘方法都会破坏原有地下岩土层的平衡，对地下岩土层的地质造成伤害。在地铁隧道挖掘施工或运营过程中，会影响岩土层的连接，更严重的情况会导致隧道内出现滑坡、塌方等安全事故。

2、地铁附近的建筑物（构筑物）的负荷

城市的地铁隧道一般是建设在商圈或人流量大的人口密集区域，而这些区域一般都是一个共同点：建筑物高且密集，这类高层的建筑物下挖地铁隧道会使地表的负荷增加，而且受力不均匀。当岩层受到隧道段饱和软粘土层的负荷，在承受上方荷载，隧道下方就会出现大面积、长时间的下沉趋势，即使负荷很低，隧道下方也会有些许沉降。

3、地铁列车振动

地铁在隧道加速或减速运行过程中，会造成轨道内部受力不均衡，并且在运行时还会造成隧道内部的周围岩层结构振动，当这种振动与地铁列车振动形成内外共振时，就会产生严重的后果。

4、隧道区间和车站的沉降

在地铁修建时就要对轨道地基压实平整，如果在地铁的正中心地带施工，那么可能会干扰到隧道区间的地质层，车站与隧道二者之间就会存在间隙，车站某部分就会下沉。而且，当地铁在区间内高速运行时，地铁的载荷会变大，那么隧道就可能会产生形变，因此，还要考虑地铁给其下方隧道带来的变化。

5、隧道附近基坑的开挖

隧道附近开挖基坑与隧道变形在一定程度上成正比，当基坑越大，隧道变形的概率也就越大。当开挖基坑时，地基底部时压实的，那么他对地面就会有一股向上的力，与地基底的土层向外产生的力相排斥。随着基坑不断开挖，基坑也就越来越深，当其深度不断增加，地基上下侧的内部落差就会不断增大，从而荷载也会不断增加。如果在地铁隧道上继续挖地基，地基挖得越深，其受力就会越大，最终导致隧道内主体建筑发生严重变形。

5、地下水对隧道变形的影响

地铁修建在挖掘隧道和基坑时会有地下水渗入，当挖掘深度比较浅时，只会有少量的地下水渗入，此时对隧道的挖掘没有大的影响，然而随着基坑挖掘的不断渗入，地下水的渗流会不断增大，此时就会危害隧道内的安全。当地铁隧道开始运营时，地下水的渗入会破坏隧道内部的结构，更为严重的会造成交通事故，危害着人们的财产和生命安全。如果隧道内长期有地下水的渗入，长此以往，地层内的岩土出现软化、溶解、冻融等现象，更严重的情况是由于隧道内的压力不断增大，最终导致隧道发生坍塌，造成无法挽回的损失。

二、三维激光扫描系统构成和工作流程

三维激光扫描技术又被称为实景复刻技术，它的基础是激光测距技术，它由激光测距技术发展而来，通过对隧道内部获取的数据进行分析和处理，从而建立一个三维实体模型，此模型依托科学先进的技术，然后再通过对各项数据做差异化分析，因此精确度是相当高的。

建立三维激光扫描系统需要具备点云数据配准、断面提取、断面对比分析和断面收敛变形分析等功能来搜集隧道内的各项数据。该系统有五大优点：首先，点云数据预处理可以预处理隧道的测量数据，将无效信息直接剔除；其次，点云数据配准可以将完成转化后的数据做统一安排，这样后期数据在处理环节也可以更为方便快捷；再次，断面处理则是针对已经预先设定好的间隔提取断面云点，在对隧道中心轴线进行最小二乘拟合；接着，隧道内形变量计算分析是在断面点云数据的基础上来做断面拟合的，并将其与原始的设计图稿和之前的工程项目资料做对比，从而得到隧道具体的形变程度和状况；最后，数据输出则是将数据监测分析和处理的结果以文字或图表的形式展现出来，一目了然。

三、三维激光扫描在地铁运营隧道变形监测的应用

1、地铁隧道形变监测数据通信系统

该系统是通过区分主系统和从系统的方式来通信，它将运行过程中收集到的各种数据集中并用无线信号收发器发送到低碳的监测数据库。此通信用特殊的总线来连接整个三维激光扫描形变监测系统，系统对数据的接受和发送均使用无线信号，这样能更好地与上位机进行通信，使得上位主机能快速受到数据，系统采集到的所有数据会被储存在PLC中。采集到的数据在传输过程中，数据的位数长度会和等待发送的数据相同。因为经常需要发送的数据位数非常多，这个时候除开CRC校验，还需要另外一种效验方式，通过对系统采集到的数据重复发送，能够让上位机更好的整合截断的数据。通过采用技术稳定的通信协议，将通信各项过程梳理简洁，这样更能确保数据准确，同时能为数据融合和检测信息的打下坚定的基础。

2、外业数据采集

三维激光扫描仪采集到的原始数据坐标系是以仪器为坐标原点，由此生成的坐标系统，是实际工程的应用过程中，坐标系统能够将扫描仪采集到的点云坐标转换成隧道施工坐标。APM定位法是需要在扫描仪的基座上装两个棱镜，还需要另外一个球形棱镜来充当定向标靶。在扫描仪工作中，通过全站仪来测量出这三个棱镜对应位置的绝对坐标，再通过扫描仪与其基座的位置关系来推算出这几个棱镜的相对坐标。其中扫描仪基座上的两个棱镜的坐标由通过仪器几何中心直接算出，在点云中直接识别出定向标靶坐标，这样就能够分别得出三个棱镜分别在两套坐标系中的坐标，由此完成点云的坐标转换。

结语

采用三维激光扫描技术来进行地铁隧道的扫描工作，相对于其他扫描方式，三维激光扫描能够让我们的到的地铁表面数据更高速、更高分辨率、更全面。地铁隧道表面扫描到的点分辨率是和仪器的中心有关系，扫描的点与仪器中心的距离越远，其对应的分辨率就越低。总而言之，三维激光扫描能够更好的对地铁隧道结构进行有效分析，解决了传统扫描方法效率低下、劳动强度大、检测周期长等诸多弊端。

参考文献

【1】孙泽会，曾奇，刘德厚，陈鸿，余海忠.三维激光扫描技术在地铁隧道变形监测中的应用[J].铁路技术创新，2019（05）：68-72.

【2】邵文，郑佳佳，占晓明.三维激光扫描技术在地铁变形监测中的应用研究[J].科技视界，2019（30）：16-17.

【3】董建春.三维激光扫描技术在地铁安全监测中的应用[J].矿山测量，2019，47（05）：75-77+81.