基于GRP5000移动式三维激光扫描仪的隧道椭圆度监测分析

刘志锋 商曼

摘 要：目前，城市轨道交通周边地块开发非常多，在建工程与地铁隧道的净距也越来越小。本文阐述了三维激光扫描系统在地铁隧道监测中的内外业处理过程与原理，并以安博格GRP5000三维激光扫描仪试验为例，利用三维激光扫描仪监测广州地铁三号线某区间。试验证明，该方法高效、简单，能够全面地监测所有管片的椭圆度。本研究可为邻近地铁隧道的深基坑支护结构设计提供参考，对类似工程项目具有借鉴价值。

关键词：地铁;椭圆度;监测;扫描

中图分类号：U231文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0086-03

Abstract： At present， there is a lot of development in the surrounding plots of urban rail transit， and the net distance between the construction in progress and the subway tunnel is getting smaller and smaller. This paper describes the internal and external processing process and principles of the 3D laser scanning system in subway tunnel monitoring， and takes the Amberg GRP5000 3D laser scanner test as an example to monitor a certain section of the Guangzhou Metro Line 3 by using the 3D laser scanner. Tests prove that the method is efficient and simple， and can comprehensively monitor the ovality of all segments. This study can provide a reference for the design of the deep foundation pit supporting structure adjacent to the subway tunnel， and has reference value for similar engineering projects.

Keywords： subway;ellipticity;monitoring;scanning

随着社会经济的快速发展，地铁附近的施工日益增加，外部施工距离地铁隧道越近，其对邻近地铁隧道的影响也就越大，通常会引起隧道沉降、向基坑侧进行水平位移，严重时会出现裂缝、椭圆度增大等病害。而在地铁运营单位进行隧道维修保养决策的过程中，隧道管片的椭圆度是一项关键指标，通常将椭圆度超过25‰的管片视为病害严重管片，人们需要对其进行加固处理。传统的隧道椭圆度监测主要有全站仪极坐标法、断面仪法、测站式三维激光扫描法[1]。这些方法效率较低，数据采样率低，一组人进行一个天窗点作业，往往只能监测10～20个管片，且监测结果往往只能反映管片局部的特征，它们很难高效地应用于大范围的检测，且容易受作业人员熟练度的影响[2]。

近年来，武汉大学、同济大学、广州南方测绘科技股份有限公司相继研发了移动式三维激光扫描系统，该系统作业效率高，一组人一个天窗点可以扫描800～1 000个管片，且成果处理自动化程度高。本文介绍了GRP5000移动式三维激光扫描仪的作业过程，并以某基坑工程影响下的广州地铁3号线一段区间为例，分析了该区间隧道重要施工节点的管片椭圆度变化情况，并与全站仪扫描方法获得的结果进行对比。试验证明了该方法能够高效、简单、全面地监测所有管片的椭圆度，在地铁保护工程项目中具有较强的实用性，可为类似的邻近地铁隧道的深基坑支护设计提供参考数据，确保深基坑工程设计、施工顺利进行，将施工对地铁隧道的影响降到最低。

1 GRP5000移动式三维激光扫描仪作业过程

1.1 外业过程

GRP5000移动式三维激光扫描仪是一个集成了惯性导航、激光扫描、点云处理等新型技术的系统[3]。它不仅可以测量轨道几何尺寸，而且可以通过点云捕获隧道的裂缝、渗水、错台、掉块等病害信息。GRP5000移动式三维激光扫描仪可以利用惯性导航与里程计等位置解算功能，准确计算出病害发生的空间部位[4]。经人工智能软件分析后，人们可以获得管片的高精度图像成果;通过一次快速扫描测量，人们可以得到隧道现状的各个参数。本文主要利用该系统扫描的点云成果，计算管片的椭圆度。隧道现状扫描作业流程如图1所示。

GRP5000移动式三维激光扫描仪外业实施过程如下：根据隧道实际情况制订作业计划，地铁停运后在运营单位配合下进入轨行区;将设备在轨道上连接安装好后，连接好电源线、网线等线缆;打开笔记本电脑中仪器配套的扫描软件，新建工程项目，在项目属性中设置好互联网协议地址（IP）、扫描仪的扫描范围、角度、分辨率的關键参数，然后开始推扫。采集数据的过程可以通过笔记本电脑实现，一旦记录开始，用户只需要推着轨检小车沿轨道以一定的速度行进，一般项目左右线可以在一个天窗点扫描完成，通过联络通道搬站即可。

1.2 内业过程

外业扫描得到点云数据后，人们便可以进行内业处理。三维激光扫描项目的内业后处理中，海量点云数据处理尤为重要，点云数据处理主要包括数据预处理、三维模型重建、结构断面提取、椭圆度计算等[5]。

1.2.1 数据预处理。对于点云数据，重要的一步就是数据预处理。预处理主要包括去噪、抽样、删除飞点[6]。隧道内各类线缆、消防水管、轨道道床、接触轨和各类通信设备作为噪声点云被采集下来，这些噪声点不仅会影响人们对隧道结构的分析与判断，而且严重影响建模效率，因此人们需要去除与隧道结构无关的异常点或错误点。另外，三维激光扫描的点云数据量通常都很大，人们要对数据进行抽样轻量化处理[7]。这样才能保证数据处理的高效性，数据预处理完成后再进行后期的建模等处理工作。

1.2.2 点云三维建模。仪器扫描得到的点云数据为一个个独立的点，人们很难直接获取隧道结构的相关信息。通常的做法是针对一个个独立的点云数据，利用相关算法来搭建隧道内壁模型，利用配套软件将点云数据转化为三角网格，再针对三角网构建三维模型[8]。

1.2.3 提取断面。每隔1.5 m或者1.2 m进行断面提取（或者数据切片），具体根据管片的标准宽度确定。

1.2.4 计算椭圆度。将上一步得到的断面拟合成椭圆，并利用对应椭圆的长半轴、短半轴，参照式（1）求取椭圆度，具体计算公式如下：

式中：[T]为椭圆度;[a]为隧道长半轴;[b]为隧道短半轴;[D]为隧道内径。

2 监测案例分析

2.1 项目概况

项目基坑采用密排三轴搅拌桩进行槽壁加固，邻近广州地铁3号线的侧围护结构采用厚度为1 200 mm的地下连续墙。既有运营地铁的隧道结构位于基坑西侧，基坑與广州地铁3号线某区间隧道外边线的最小水平距离为5.2 m;基坑围护结构地连墙槽壁加固外边线与广州地铁3号线某区间隧道外边线的最小水平距离为3.7 m，隧道结构顶面覆土厚度为11.4 m，隧道所处地层主要为粉质黏土、粉细砂及混合花岗岩层残积土。项目场地存在大量的残积土等不良工程地质条件，且基坑埋深比地铁隧道更大，隧道区域地下水位下降容易诱发地铁隧道不均匀沉降。本案例重点分析在外部施工影响下邻近基坑的左线隧道椭圆度。

2.2 监测数据分析

2.2.1 三维激光扫描数据分析。项目的各个重要节点利用GRP5000移动式三维激光扫描仪进行了4次扫描。第一次是项目开工前（2019年3月），第二次是施工地连墙阶段（2020年3月），第三次是开挖到第二道支撑（2020年8月），第四次是开挖到第三道支撑（2021年2月底）。扫描结果如图2所示。

2021年2月，广州地铁3号线隧道三维扫描结果显示，左线累计椭圆度的最大值为21.26‰，该断面环号为49环，里程为ZDK18+649，相比2020年8月的变化值为1.63‰。椭圆度最大变化值为4.4‰，该断面环号为111环，里程为ZDK18+741，该环累计变化值为10.33‰。左线椭圆度平均变化了2.10‰。

2.2.2 人工全站仪断面扫描校核。2021年2月，三维激光扫描椭圆度大于15‰，监测人员用全站仪椭圆度测量方法对椭圆较大的管片进行人工复核，最大差异为0.91‰，平均差异为0.36‰，三维激光扫描椭圆度与人工检核结果较为吻合。同时，监测人员对隧道进行现状调查，并对各处裂缝宽度进行测量，右线最大裂缝宽度为1.1 mm。如图3所示，对比椭圆度数据可见，裂缝集中处对应管片的椭圆度较大。

2.2.3 变形原因分析。根据本项目的地质钻孔资料以及地连墙成槽记录，本区段槽底深度为35 m，槽底是强风化层混合花岗岩，槽壁为厚层填土、硬塑状残积土层、全风化混合花岗岩，局部存在约1.00 m厚的透镜体状细砂层，其中，混合花岗岩的残积土及全强风化层均为遇水软化、崩解的土层。场地西侧为大石断裂，受其影响，场地发育混合花岗岩风化深槽，场地构造裂隙较发育，下部岩体完整性差。因此，在地连墙施工过程中，槽段中的泥浆水会持续对槽壁的残积土和全强风化层进行软化、崩解，破坏了场地的地下水和土应力的平衡。另外，基坑向下开挖的过程破坏了隧道周边应力平衡，使隧道产生了偏压。

3 结论

本文阐述了GRP5000移动式三维激光扫描仪在地铁隧道监测中的内外业处理过程与原理，并以安博格GRP5000三维激光扫描仪试验为例，利用三维激光扫描仪监测广州地铁3号线某区间的管片椭圆度，分析了外部不同施工工况下该区间管片椭圆度的变化，且将激光扫描椭圆度结果与全站仪扫描椭圆度结果进行对比分析。研究表明，该方法既高效又可靠，能够全面地监测所有管片的椭圆度变化情况，在地铁保护工程项目中具有较强的实用性。

参考文献：

[1]万冠军，马全明，丁林磊.三维激光扫描技术在地铁隧道断面测量中的应用[J].都市快轨交通，2017（4）：60-64.

[2]宋云记，王智.利用三维激光扫描技术进行地铁隧道施工质量管控及病害检测[J].测绘通报，2020（5）：153-157.

[3]王倩.三维激光扫描技术在地铁隧道监测中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2019：3-6.

[4]白殿有.三维激光扫描技术在地铁结构现状调查中的应用[J].城市勘测，2019（4）：128-130.

[5]许少辉.地面三维激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用[J].城市勘测，2016（5）：68-72.

[6]凌静，张迎亚，曹震，等.基于地面三维激光扫描技术的盾构隧道竣工测量探究[J].测绘通报，2016（2）：225-226.

[7]杨敏，甘淑，袁希平，等.复杂带状地形条件下的地面三维激光扫描点云数据采集与配准处理试验[J].测绘通报，2018（5）：38-43.

[8]郑瀚.地面三维激光扫描在地下管线铺设工程三维建模中的应用[J].测绘通报，2016（1）：163-166.