基于三维激光扫描仪的超大直径管片模型检测技术

王若鹏 张成君

摘要：本文借助江阴靖江长江隧道工程，基于三维激光扫描仪对超大直径管片模型检测进行研究，通过分析三维激光扫描仪的基本原理，移动式三维激光扫描仪操作控制要点，对三维点云数据的可视化处理与分析，总结分析了管片模型的制造精度，对管片生产严格把关。

关键词：三维激光扫描仪;管片模型;数据处理;精度分析

一、概述

江阴靖江长江隧道工程是《長江经济带立体综合交通走廊规划（2014-2020）》中批复的江苏省14条过江通道之一，是《江苏省城镇体系规划（2015-2030）》中规划的公路过江通道，是《江苏省高速公路网规划》中规划高速公路S90的过江通道。江阴靖江长江隧道工程主体施工项目位于江阴大桥和泰州大桥之间。隧道过江段采用公路、铁路以三管隧道方式穿越长江，公铁分期实施，近期实施公路双管隧道，预留远期铁路单管隧道实施条件。隧道过江段采用盾构法施工，盾构机开挖直径高达16.06m，管片外径15.5m，内径14.2m，是目前内地水下最大直径的泥水平衡盾构机，是世界上最大的泥水平衡盾构机之一。右线盾构段长4952m（桩号YK3+433-YK8+385），左线盾构段长4937.19m（桩号ZK3+432.396-ZK8+369.590）。

随着监测技术的不断发展，由于三维激光扫描仪的激光具有相干性、单色性、高亮度、方向性等特性，将其使用在监测装置中，在速度、精度、易操作等方面优势显著。三维激光扫描仪通过扫描物体，可提供其表面三维点云数据，通过多角度立体扫描物体，可获得被测对象高度、位置等信息，通过对点云信息处理，然后建模，最后拼接成图，进而获得高精度和高分辨率的物体数字模型。本工程对隧道掘进管片拼装精度要求极高，管片的成型质量精度在隧道建设中至关重要。本文以隧道管片模型为研究对象，研究了基于移动式动态三维激光扫描仪相结合的超大直径管片模型的立体化检测。

二、三维激光扫描仪

1.技术原理

三维激光扫描仪技术是利用激光测距，通过终端发射的激光束并对反射的激光进行接收，利用发出和反射激光束之间的相位差计算距离，从而控制精度。另外，可以记录管片模型外表面三维坐标、材质以及反射率等物理信息，从而快速复制并建立起三维实体模型等各种检测数据信息

2.移动式三维激光扫描仪

按成像方式分为静态检测和动态检测。常规检测为静态检测，及通过固定点位检测，最后合成点云数据进行分析;而盾构隧道管片模型为弧度，模型有许多预埋螺栓孔，当采用分站式静态扫描时，每一测站上均能有效获取精度高、数量大的点云数据。但是，静态测量存在一定的局限性，由于技术局限性，在扫描两个相邻区段是，测站必须有一定的重叠，才能保证数据处理的衔接，便于分析，从而产生大量的冗余数据，增加数据分析和处理的难度和效率。

基于移动式三维激光扫描仪检测系统经自主设计研发，通过集成高精度三维激光扫描仪、人机协作机械臂、PLC控制系统等关键硬件，开发带数据处理功能的上位机软件，通过上位机软件控制下位机PLC，PLC发出指令，控制伺服电机驱动传动系统实现数据的自动采集，并进一步反馈到上位机实现数据的自动处理，并自动输出检测成果报表，实现三维激光扫描仪检测管片成品和模型的自动化。该系统具有一定柔性，能满足13m～16m管片成品和模型三维尺寸的检测。

三、超大直径管片模型检测

1.模型检测

隧道管片通过移动小车放置在定位工装上，小车平移进入检测设备内部，到位后触发软限位电机制动，小车停止，进入检测待机状态;上位机软件系统发出扫描指令，机械部件在电机驱动下沿PLC和机械臂的规划路径开始进行扫描检测，带动三维激光扫描仪以一定的速度扫描管片成品和模型的三维点云数据，扫描完毕将扫描标号传递给PLC系统;三维激光轮廓扫描仪通过以太网将扫描的点云数据传送到上位机软件，上位机软件通过点云算法对数据进行处理，并将输出结果自动写入标准检测表格模板中。

通过在管片模型检测车上安放扫描仪，结束管片车在既定轨道上移动的优势，激光器发射的光束随着管片车的移动，以螺旋线的形式发射出去，并对隧道进行全断面扫描。通过分析发射和反射激光束的相位差，精确获取管片外轮廓图像以及管片模型内各点以轨道连线的中点为坐标原点的坐标系坐标。

在检测过程中，管片模型检测车沿着轨道前进，且始终与管片断面保持垂直，确保检测断面始终与管片轴线垂直。通过在管片模型检测车的车轮上安装行程传感器，实时记录行走路径，形成动态扫描，即可采集到整个管片模型的三维信息。

2.数据分析与处理

对扫描的数据进行分析和处理时，先将采集的云数据导入后处理软件中，对扫描生成模型与实际模型试验界面进行可视化比对。当扫描范围超出模型试验范围，借助分析软件中相应的数据处理工具，对数据扫描点进行剪裁。大范围剪裁完毕后，通过3D视图窗口旋转工具，多角度全方位进行模型比对，对局部范围内的不合理点进行修改和剔除。最终可根据三维模型生成各个面的二维图，经二维图、三维图和施工图纸进行比对可直接反映模型精度。

四、总结

与传统检测方法相比较，三维激光扫描仪能够快速的测量出高精度的模型检测数据。通过对检测获取点云大数据、断面三维模型、检测点云数据的处理、检测数据生成等，控制成型管片精度，保证盾构施工时管片拼缝，减小管片错台，打造不渗不漏隧道工程。

参考文献：

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