劉妍¹,孫海麗(li) ²

(1.自然資源部第一航測遙感院，陝西西安710054；2.首都師範大學,北京100048)

摘要:無控製方式的移動激光隧道檢測係統能獲得高質量的三維點雲(yun) 數據，能對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nei) 都可以正常使用，相比集成慣導的移動軌道掃描係統，大大降低了成本，提升了外業(ye) 檢測效率。采用移動隧道檢測係統對天津地鐵某區間進行安全檢測，通過獲取隧道全息全斷麵數據，進行隧道點雲(yun) 數據采集、斷麵變形解算(全斷麵變形分析和收斂直徑計算)、病害提取，生成隧道內(nei) 壁和軌道影像、漫遊視頻，用於(yu) 對隧道斷麵、限界、病害等信息進行全方位的分析，生成多種格式成果，為(wei) 移動激光掃描技術在地鐵隧道中的應用提供借鑒。

關(guan) 鍵詞:隧道安全檢測；移動激光隧道檢測係統；數據分析；點雲(yun) 數據；正射影像

　　1.引言

　　隧道幾何結構安全狀況直接影響隧道的使用性能，對隧道結構的狀態進行監測、檢測與(yu) 維護整治尤為(wei) 重要。由於(yu) 城市軌道交通運營維護期間天窗時間短，隧道檢測效率、檢測數據處理精度及有效性都將影響軌道交通的正常運營，隻有提高和長久保持隧道結構的強度和穩定性，對隧道及時進行變形檢查和維護，才能滿足列車快速、平穩、舒適、安全的運輸要求。

　　目前，隧道變形監測主要采用全站儀(yi) 或三維激光掃描測量。基於(yu) 全站儀(yi) 的自動變形監測方法，精度可靠，在實際工程中的應用仍然比較廣泛。全站儀(yi) 自動變形監測測量通過全站儀(yi) 測量隧道環片標誌點，或采用無棱鏡反射方式測量，可實現全自動化測量，監測精度雖然較高，但效率較低，成本較高，而且測量點位密度較稀疏，隻能選擇部分斷麵進行檢測，不便於(yu) 進行全斷麵變形檢測。

　　三維激光掃描測量因其獲取數據速度快、點密度大精度高、使用簡單方便等優(you) 點，將成為(wei) 隧道檢測的主要技術手段。

　　Leica、Amberg、武漢漢寧軌道交通技術有限公司推出了移動軌道掃描係統，集成了CNSS、IMU、激光掃描儀(yi) 、裏程計等傳(chuan) 感器，能對軌道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nei) 都可以正常使用，並為(wei) 竣工分析提供測繪級精度的三維點雲(yun) ，但要求外業(ye) 掃描過程中要聯測控製點。首都師範大學研製的無控製方式的移動激光隧道檢測係統，無需集成GNSS和慣性導航係統，僅(jin) 借助激光掃描儀(yi) 在移動軌道小車平台上勻速運行，便可獲得高質量的三維點雲(yun) 數據。本文利用無控製移動激光隧道檢測係統在地鐵隧道進行測試，介紹其作業(ye) 流程、數據處理方法及其應用。

　　2.無控製移動激光隧道檢測係統

　　無控製方式的移動激光隧道檢測係統，借助激光掃描儀(yi) 在移動軌道小車平台上勻速運行，獲得高質量的三維點雲(yun) 數據，檢測速度支持高達4.5 km/h的作業(ye) 速度；支持輔助裏程計、軌距測量儀(yi) 等傳(chuan) 感器，提高了相對定位精度；能對隧道及周邊實現全覆蓋移動掃描，在露天或隧道內(nei) 都可以正常使用；能進行斷麵、限界檢測及正射影像生成，相比集成慣導的移動軌道掃描係統，大大降低了成本；采用無控製點聯測方式，提升了外業(ye) 檢測效率。

　　移動激光隧道檢測係統支持多種掃描儀(yi) ，采用無控製點聯測方式檢測隧道相對變形，不需考慮軌道和隧道的整體(ti) 沉降、軌道平順性等變形特性，僅(jin) 關(guan) 注隧道空間結構的相對變化，可進行隧道的定期監測、保護區施工監測、成型隧道驗收施工等，適用於(yu) 隧道收斂檢測線路管理維護竣工分析、限界測量、淨空測量、病害檢測等多個(ge) 領域。

無控製移動隧道激光檢測係統配套的隧道激光點雲(yun) 采集與(yu) 處理軟件是隧道激光掃描監控量測係統，主要有移動點雲(yun) 采集、隧道數據處理與(yu) 成果分發功能。利用移動式三維激光掃描測量技術可快速獲取隧道表麵大量的點的三維坐標和圖像灰度值等信息，對這些點雲(yun) 數據進行預處理與(yu) 變形解算後，可以獲得被掃描隧道的收斂直徑、錯台變形、內(nei) 壁影像、漫遊視頻等量測成果，生成測量報表、斷麵CAD、病害報表等，為(wei) 地鐵盾構隧道施工及運營維護檢測提供完整解決(jue) 方案。圖1為(wei) 移動隧道檢測作業(ye) 流程。

圖1、移動隧道檢測作業(ye) 流程

數據處理主要包括點雲(yun) 影像預覽、點雲(yun) 預處理、斷麵收斂變形分析、錯台分析、淨空檢測、病害標注、隧道高清影像生成與(yu) 實景漫遊構建報表生成等工作內(nei) 容。

3.隧道安全狀態分析

　　本文以天津地鐵安全檢測項目為(wei) 例，采用移動隧道檢測係統對某一區間進行工程化測試，通過獲取隧道全息全斷麵數據，進行隧道點雲(yun) 數據采集、斷麵變形解算(全斷麵變形分析和收斂直徑計算)、錯台分析、病害提取、隧道內(nei) 壁和軌道影像生成漫遊生成應用，對隧道斷麵、限界、病害等信息進行全方位的分析。

　　運營地鐵隧道安全檢測的內(nei) 容主要包括隧道斷麵檢測、限界檢測及滲漏水等病害檢測。在地鐵隧道位置、結構的幾何參數檢測中，收斂和限界檢測尤為(wei) 重要。盾構隧道收斂變形檢測主要結合隧道結構特征，進行穩健估計橢圓擬合，獲得橢圓長半軸、短半軸、水平直徑、橢圓度等信息。限界檢測可結合實測點雲(yun) 掃描得到的軌麵點雲(yun) 進行軌道麵提取，解算軌麵高程基準，建立軌麵坐標係，並結合鐵路設計相關(guan) 規範提供的地鐵列車或設備限界數據進行隧道斷麵限界檢測以及接觸網導高和拉出值拱頂淨高的計算。

　　激光掃描數據具有“全覆蓋、密度高”的特點，為(wei) 便於(yu) 後續深入分析，掃描後提供的全斷麵數據可導出成逐環全斷麵dxf文件，例如，收斂直徑、環內(nei) 錯台、淨空檢測以及環間錯台dxf成果文件，並標注環片拚接塊的實際位置，方便查看和數據管理。

　　隧道激光掃描監控量測係統的解算成果分為(wei) 全斷麵CAD圖及統計報表(Excel表格)，其中，統計報表主要包含整個(ge) 數據的收斂直徑、錯台弧長、平均錯台量等分析數據，可進行進一步分析應用。

　　對隧道內(nei) 滲漏水發生的位置、分布及其麵積等進行定量量測，主要采用該係統的隧道內(nei) 壁影像功能。隧道現狀影像的主要特點為(wei) 高頻次、高分辨率，相對於(yu) 普通數碼像機照片，具有全覆蓋、精確量算和無需光照等優(you) 勢，有利於(yu) 及時發現隧道內(nei) 的各項安全隱患，克服了人工巡檢的漏檢、非標準化、指標隨意等缺點。本試驗對應的內(nei) 壁影像圖局部放大如圖2所示，從(cong) 圖中能夠看到，結合激光掃描生成的高清隧道影像質量較高。

圖2、高清影像局部放大圖

　　為(wei) 解決(jue) 隧道掃描點雲(yun) 數據和解算成果的可視化難題，避免人工建模所需的大量人力，可利用掃描點雲(yun) 的XY坐標、裏程、反射率信息以及檢測成果直接生成三維漫遊場景，並以第一人稱生成漫遊視頻，將隧道現狀、環號-裏程、直徑變形、錯台、附屬設施等關(guan) 鍵信息融合到視顏中，相關(guan) 人員可更全麵地查看監控量測成果。

　　地鐵隧道中最常見的病害是滲漏水，常規的滲漏水檢測以人工拍攝巡檢方式為(wei) 主，數據成果量化、保存與(yu) 共享比較困難。基於(yu) 移動激光掃描方式獲取隧道壁高精度、高密度的三維點雲(yun) 坐標信息及激光反射信號的強度信息，結合強度信息可對掃描目標的結構.材質、含水量等信息進行提取和反演，實現目標探測與(yu) 識別。如圖3所示，結合移動激光掃描獲取的隧道點雲(yun) 數據生成的正射膨像強度圖能給出滲漏水的兒(er) 何信息，如滲漏水的麵積，彌補傳(chuan) 統方法獲取單一。幾何數據的缺陷，便於(yu) 病害成果的幾何量測與(yu) 數據管理。

圖3、隧道滲漏麵積計算

4.結束語

　　結合移動激光隧道檢測係統進行隧道安全狀態檢測，檢測速度可支持最高4.5km/h的作業(ye) 速度，能提高作業(ye) 效率，提供全斷麵、收斂直徑、環內(nei) 錯台、環間錯台等變形檢測成果表和CAD圖，並進行表觀膨像的初步識別和判讀，製作隧道實景漫遊視額。

　　移動激光隧道檢測係統可采用無控製方式，對隧道進行移動式激光檢測，適用於(yu) 隧道結構相對變化檢測，但對於(yu) 一些絕對測量場最(如沉降監測、軌道平順性檢測)，則需要增加慣性導航係統，並聯測控製點。

　　實踐結果表明，無控製方式的移動激光隧道檢測係統可開展隧道結構病害的快速檢測，在采集範圍、影像分排率及采集效率方麵具有一定的優(you) 勢。通過激光掃措可獲取隧道內(nei) 壁高分辨率影像和漫遊視頻，便於(yu) 相關(guan) 專(zhuan) 業(ye) 人員直觀清楚地了解隧道內(nei) 壁的附屬設施和病害現狀，還可為(wei) 後期的隧道綜合調度指揮和結構病害分級跟蹤管理提供工作底圖，也可為(wei) 後續線路的BIM信息化管理提供基礎數據。建議在隧道竣工驗收測量、監護項目結構調查、長期收斂測量以及應急搶險等特殊工況條件下的快速普查等項目中，開展無控製方式的移動激光隧道檢測係統試驗應用。

參考文獻：（略）