周 帆

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200438)

随着我国城市化进程的快速发展，城市发展规模由小变大，城市建设项目增多，为了响应国家低碳型城市，各大城市均开展规划了多条地铁和轻轨，城市地铁是城市交通的生命线，是便民的交通，满足了大家出行的需求。中国地铁建造速度如雨后春笋一般，开通运营的地铁里程逐年增加，公众对地铁盾构隧道结构设施的形变治理越来越关注。基于施工队伍在盾构的施工过程中，因为盾构环片被外界扰动、外部水土的损失和隧道结构本身的沉降等原因，所以大概率给水土层造成流失和变形，从而影响地铁隧道的结构安全，地铁盾构环片的结构变形是地铁运营行车安全的一个重要考虑因素，同时也会给地铁隧道带来环片错台、结构的渗漏水、混凝土道床的剥离、隧道内附属设备的损害、混凝土环片的掉块损伤，这一系统的病害会给业主带来一系列的问题，比如：隧道维修成本变高、隧道环片的永久性损伤等。可视化、快速化、准确化的监测地铁盾构结构的变形及病害的精准状况，提出有效的工程治理方法，让业主更好的对隧道结构维护保养，是保障地铁安全运营的重要需求[1-3]。

目前地铁隧道结构设施的普查主要依靠人工测量和人工巡查，既耗时又耗力，而且巡查不到位，容易造成安全隐患。由于地铁白天运营，仅有晚上停运的时间可以进行隧道结构设施的巡查测量，晚上检测的时间窗口期非常短，可作业时间短，因此传统的人工普查难以满足地铁隧道结构设施实际运营普查的要求。

本文阐述了快速移动三维扫描测量系统在地铁隧道结构设施普查中的应用，通过快速移动三维扫描测量系统技术，集成高精度三维激光扫描仪、高精度惯导系统、多个测量传感器、电控模块以及高清CCD相机，快速获取地铁隧道结构设施普查的信息，通过云数据实时处理，实现多项成果实时分析。该方法突破了传统测量的基本流程，采集的数据可以结合我院自主研发软件完成隧道水平收敛、隧道结构设施病害分析、侵界分析、管片两端及关键设施设备的绝对坐标值等调查成果，满足地铁隧道结构设施普查的需求。

地铁隧道的三维激光和视觉相机的移动扫描数据采集，采用自主开发的集成惯导仪器、小车的里程计、进口的扫描仪、高清的CCD相机等仪器设备，严控时间同步，把集成设备放置在具有自动力的移动扫描匀速的小车上对隧道结构进行快速移动三维扫描。同时测量隧道内已知的CPⅢ控制点，将已知的CPⅢ控制点三维坐标输入，建立成快速移动扫描坐标系至地方坐标系的转换，完成隧道内点云数据的三维坐标转换。

地铁隧道的快速移动三维扫描系统主要是由硬件的系统和软件的系统组成，这其中硬件的系统主要是移动数据的采集系统，含括了移动扫描的轨道小车、进口三维扫描仪、CCD高清的影像采集模块和惯导系统。这款使用的一体化软件系统是根据惯导系统定位原理及多个传感器的数据采集方法进行自主研发的[4]。

1.1 快速移动三维扫描测量系统外业采集

快速移动的扫描测量属于非接触测量，由仪器发出信号，打到隧道内壁上，信号返回接收，在轨道小车移动的测量过程中尽量减少扫描区域站人，防止实物遮挡的现象，从而影响扫描数据的外业采集质量。一般测量时间越长，惯性测量单元的误差累积越大，所以需在隧道内布设若干靶标，用于校正点云数据。靶标通过高精度的全站仪采集其三维的绝对坐标，与已知的CPⅢ控制点进行联测，一般50 m～100 m布设一对，同于后期解算隧道内各种设施设备的三维坐标，为业主治理隧道提供准确的定位。

1)快速的移动三维扫描技术是一种有效的测量技术，采用快速的移动扫描车技术对隧道环片进行扫描拍照，对扫描拍照获取的点云数据进行三维建模和计算，每次的外业扫描可以得到隧道的轴线、全断面环片影像、隧道收敛、内壁的激光反射率影像等一系列成果，扫描测量系统最大的检测速度为4.5 km/h、变形测量的精度为±2 mm，扫描的影像分辨率最高达2 mm。

2)CCD高清全景相机采集的全隧道高清图片通过自研发软件制作高分正射影像数据，从而分辨出0.3 mm及以上的裂缝，以及识别隧道裂缝、掉块、渗水等病害。

3)三维激光扫描仪与惯导设备同步进行数据采集，可将三维激光扫描仪与惯导设备纳入到同一坐标系中。利用采集到的扫描系统在惯性参考系中的各种参数，与三维激光扫描仪扫描的隧道内CPⅢ点进行联合解算，从而得到管片两端及关键设施设备的绝对坐标值。

在现有的移动扫描小车的基础上，通过引入惯性测量单元(IMU)，融合扫描小车采集的隧道里程、点云数据、环号的信息以及靶标的三维坐标，解决了快速移动三维扫描技术在地铁隧道难以获取点云真实三维坐标的难题。

此外，在移动扫描小车上加装由9个CCD相机及嵌入式工控机组成的高清影像扫描模块，在三维激光扫描的过程中同步获取隧道高清影像，不仅可以解决病害标注及裂缝识别对影像较高分辨率的需求，同时可利用工控机对扫描仪、CCD相机及惯性测量单元进行一体化控制，保证了采样数据在时间轴上的同步性，更方便于数据的处理。

快速移动三维扫描测量系统现场数据采集操作图如图1所示。

1.2 移动三维扫描数据内业处理

1)扫描点云数据处理流程。2)CCD高分影像数据处理流程。CCD相机集成设备由9个镜头组成，因此采集的原始数据的一张张独立的照片，相互之间并无关联，冗余度也非常大，并且原始采集的图像质量一般，图像中光照不均匀，对比度较低。因此需要对原始数据进行图像预处理及图像拼接。3)三维点云绝对坐标计算。扫描系统是由各种硬件的系统组成，由于每个都有各自的坐标系统，所以在数据处理的时候定位系统需要进行一定的中间坐标系转化工作，最后都转化到同一个坐标系统里面去。惯性导航坐标系到隧道坐标系的转换通过在现场隧道管片上布设控制点进行坐标转换完成。具体转换方式同激光雷达三维坐标系到惯性导航坐标系的转换，包含旋转参数和平移参数。通过将最原始的极坐标系激光扫描二维坐标系转化到三维坐标，结合惯导导航坐标系，加上轨道车参考坐标系，输入隧道现场CPⅡ～CPⅢ控制点所在的南京市2000坐标系及1985国家高程基准的成果数据，进行三维点云绝对坐标的计算。把移动扫描的数据与惯导导航的成果融合处理后，得到地铁区间隧道结构的整体三维点云成果图，如图2所示。

2.1 项目概况

本次结构设施普查的项目位于南京地铁某线路某区间地铁隧道，单区间长1 044 m，共计870环盾构环片，环片设计内径为5.9 m。对该盾构区间隧道采用快速移动三维扫描测量系统技术进行数据采集，采集的数据结合我院自主研发软件完成了隧道水平收敛、错台分析、裂缝分析、结构掉块损伤及渗漏、侵界分析、道床剥离分析、管片两端及关键设施设备的绝对坐标值等调查成果。仅用1 h便完成了该区间全部数据的采集，数据成果利用云端处理，成果可靠，精度满足要求[5]。

2.2 应用成果分析

1)隧道直径收敛分析。扫描范围为0环～870环，包含11环钢环加固环，钢环加固环则同时提取同一断面钢环收敛数据与混凝土管片收敛2 组数据。本区间混凝土管片水平最大值为5.967 3 m，位于第734环，与设计值相差0.067 3 m，最小值为5.885 3 m，位于第869环，与设计值相差-0.014 7 m，整个区间水平直径统计如图3所示。

2)环片错台分析。环间错台指的是两相邻环的管片在垂直于隧道轴线方向产生位置的错开。通过对盾构隧道纵向接缝的识别，在环缝两侧固定间距提取断面点云切片进行环间错台量的解算。

以错台角度表示错台位置对应的角度值，顶部为0°，按照顺时针方向增大，每环输出最大错台量及其对应角度值。扫描检测结果显示，该区间上行线相邻两环的错台量最大值为18.9 mm，其中绝对值大于10 mm的共有168处，10 mm～15 mm的有156处，15 mm～20 mm的有12处；
该区间下行线相邻两环的错台量最大值21.7 mm，其中绝对值大于10 mm的共有111处，10 mm～15 mm的有96处，15 mm～20 mm的有10处，大于20 mm的有5处。错台分析和提取见图4,图5。

3)CCD高清影像生成。原始采集的图像质量一般，图像中光照不均匀，对比度较低，可能会混淆裂缝区域与背景区域。因此需要通过图像预处理算法来改善图像质量，提高裂缝的对比度，使裂缝信息更清晰明显。经过匀光算法、阈值分割法、SURF算法图像拼接，特征点匹配，将第一幅图像的特征点为训练集，第二幅图像的特征点为查询集，获取欧氏距离，最后进行图像拼接形成一张照片，采用自主开发的数据处理软件，对采集的视觉相机数据进行处理，可生成隧道高分辨率的正射影像图，如图6所示。

4)隧道结构裂缝、掉块损伤、渗漏普查。基于高分辨影像对隧道病害进行识别，隧道环片的掉块、裂缝的病害信息能清晰地在灰度影像中判读，这些信息可反映隧道内壁结构的表观现状、结构掉块损伤和渗漏情况，如图7所示。

5)隧道影像专题图。隧道内壁影像专题图反映隧道内实际信息，结果隧道环号、里程、直径、病害及附属设施等可人工制作专题图为隧道巡检工作带来裨益，见图8。

通过对该区间的快速三维激光扫描测量普查，可以得到该区间隧道结构设施的水平直径收敛、错台分析、隧道内壁影像、隧道结构裂缝、掉块损伤、渗漏普查、隧道影像专题图等相关成果，满足地铁公司业主对隧道结构设施普查的要求。

利用快速移动三维扫描测量系统技术快速高效的完成了地铁隧道结构设施的状态普查，普查成果满足要求，可以准确的得到隧道结构设施的水平收敛值、环片错台情况、隧道内壁影像、隧道结构裂缝、掉块损伤、渗漏普查、隧道影像专题图等，成果可靠丰富。该方法具有作业效率高、成果可靠、产品丰富的特点，可以作为今后的主要普查测量方法[6]。随着地铁运营隧道附近的城市建设项目越来越多，交叉施工越来越复杂，施工对隧道盾构结构有扰动，会加速隧道盾构结构的变形，定期采用快速移动三维扫描系统技术对地铁隧道结构设施进行可视化的普查，更好的掌握结构变形的规律，利用扫描高清影像和精准的绝对定位技术，为业主提供全方位精确的结构现状的情况，为日常隧道应急抢险工作提供有效详实的基础信息，为地铁平时安全运营保驾护航[7-10]。

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