三维激光扫描技术在高铁盾构隧道调线调坡中的应用.pdf

依托南崇高铁留村隧道的实际工程案例,研究盾构隧道调线调坡测量中使用三维激光扫描技术的关键流程。首先介绍了三维激光扫描技术的测量原理,从作业准备、外业扫描、数据处理、成果对比 4 个方面开展分析。为避免点云拼接时产生累积误差,采用了基于控制点的测站拼接方法,将扫描仪采集的 18 个测站拼接为全长 3.7 km 的完整三维点云数据;依据线路设计资料设置隧道断面截取参数,经 RANSAC 方法去噪后,采用正交距离回归的圆曲线拟合方法获得隧道中心坐标。研究表明,三维激光扫描技术检测的隧道中心坐标精度优于 10 mm,可以满足盾构隧道调线调坡测量工作。研究结果表明,三维激光扫描技术不仅能够显著提升工作效率,获取的高密度和高精度的激光点云还可以为后续的大量工作提供基础数据,具有广阔的应用前景。关键词:高速铁路;盾构隧道;调线调坡;三维激光扫描;断面拟合中图分类号:U238;U455.43 文献标识码:ADOI:10.19630/ki.tdkc.202302070001开放科学(资源服务)标识码(OSID):Application of 3D Laser Scanning Technology in Line and Slope Adjustment of High-speed Railway Shield TunnelsCAO Bo(Guangxi Nanchong Railway Co.,Ltd.,Chongzuo 532299,China)Abstract:Relying on the actual engineering case of Liucun Tunnel of Nanchong high-speed railway,this paper studies the key process of using 3D laser scanning technology in shield tunnel line and slope adjustment measurement.Firstly,the measurement principle of 3D laser scanning technology is introduced,and the analysis is carried out from four aspects:preparation for the operation,external scanning,data processing and comparison of results.In order to avoid cumulative errors when splicing point clouds,a control point-based station splicing method was adopted to splice the 18 stations into a complete 3D point cloud data of 3.7 km in length.The tunnel section interception parameters were set according to the line design data,and the tunnel center coordinates were obtained by RANSAC method after denoising using a circle curve fitting method based on orthogonal distance regression.Research shows that the accuracy of the tunnel center coordinates detected by 3D laser scanning technology is better than 10 mm,which can meet the line and slope adjustment measurement of shield tunnels.The results of the study show that the 3D laser scanning technology can not only significantly improve the efficiency of work,but the high-density and high-precision laser point cloud obtained can also provide the basic data for a large amount of subsequent work,which has a broad application prospect.Key words:high-speed railway;shield tunnel;line and slope adjustment;3D laser scanning;section fitting35三维激光扫描技术在高铁盾构隧道调线调坡中的应用:曹 波引言盾构隧道建设期间,需要在轨道铺设和设备安装之前进行调线调坡1,来消除隧道中心线与原设计线位之间的偏离误差,以避免轨道及设备安装之后产生侵限2。如何快速准确地获取隧道结构中心坐标数据,是盾构隧道调线调坡的关键。常规方法是采用全站仪逐断面测量,通过拟合少量的断面离散点获得隧道中心,效率较低,精度也难以保证3。近年来,随着三维激光扫描技术的快速发展,使得这项工作变得便捷高效。具备“高精度、高密度、全要素”特征的三维激光点云,能够为数字化隧道建设提供基础数据,实现真正意义上的“一次性采集,多方面应用”,是提升工程经济效益的有力保障4。众多学者陆续开展相关的研究工作。高帅研究三维激光扫描技术应用于地铁隧道调线调坡测量的可行性5;邱运军给出一种基于点云数据构建数学模型解析式的地铁圆形隧道调线调坡方法6;胡雷基于点云大数据构建深度神经网络,采用梯度下降算法计算地铁隧道调线调坡偏差量的最优调整参数7;袁海涛构建一种地铁限界分析系统,通过计算断面点云的侵限状况来判断隧道调线调坡位置8;吴狄以上海浦东国际机场旅客捷运系统东线区间隧道为例,研究了三维激光扫描技术应用于调线调坡测量时,隧道内平面和高程控制网的布设方法9;刘全海以常州轨道交通 1 号线隧道断面测量工作为例,验证三维激光扫描技术的测量精度在地铁隧道调线调坡工程中的可靠性10。上述学者的研究工作充分验证了三维激光扫描技术在隧道调线调坡测量中的可行性,但是对于该技术应用的关键流程却并未详细阐述,工程指导作用不强。以下依托新建南宁至崇左高速铁路二标留村隧道工程实例,将三维激光扫描技术应用于调线调坡测量工作中,详细阐述了技术设计、外业数据采集、内业数据处理、精度对比分析等完整的应用技术流程,以期解决传统全站仪测量方式测量效率低、难以满足工期要求等难题。1 工程概况新建南宁至崇左高速铁路设计速度 250 km/h,其中二标段留村隧道位于南宁市江南区,是广西首条高铁盾构隧道,全长 5 725 m,单洞双线,采用 12.86 m的泥水平衡盾构机开掘,管片内径 11.3 m,环宽 2 m。隧道需下穿 7 条既有线(见图 1),并且面临地质环境复杂,盾构断面大,工程时间紧张等实际困难。其中,1515 环至 1536 环范围内为地层变化处,开挖掌子面为复合地层,底部粉砂岩厚度变化明显,地质承载力较低,盾构机掘进经过时偏离设计线位的风险较大。为了检测隧道中心线与原设计线位之间的偏离误差,及时调整并指导盾构机掘进施工,需要开展隧道调线调坡测量工作。传统全站仪测量方法是逐断面施测,作业效率难以满足工期要求。因此,选择效率更高的三维激光扫描技术开展调线调坡测量工作。图 1 留村隧道与既有铁路平面位置关系2 技术简介三维激光扫描仪是一种非接触式的主动测量系统,可快速获取高密度、大范围的三维空间激光点云数据,具有点位精度高、密度大、实时快速的特点,部分扫描仪还兼备测量激光反射强度、色彩信息和影像的功能。三维激光扫描仪通过脉冲测距或相位测距原理测量扫描仪与目标物之间的距离 D,同步测量每个激光脉冲水平扫描角度 和竖向扫描角度。在仪器内部坐标系 OXYZ中,X 轴位于水平扫描面内,Y 轴在水平扫描面内与 X 轴垂直,Z 轴与水平扫描面垂直。由式(1)可得到目标物在扫描仪内部坐标系下的点坐标 P(X,Y,Z),扫描点坐标计算示意见图 2。45铁 道 勘 察2023 年第 4 期X=DcoscosY=DcossinZ=Dsin(1)图 2 扫描点坐标计算示意3 技术设计及数据采集3.1 技术设计采用三维激光扫描技术开展盾构隧道调线调坡的工作,主要包括作业准备、外业扫描、数据处理 3 个部分11。其中作业准备包括资料收集、现场踏勘和设备检校等内容;外业扫描部分包括靶标布设和扫描作业2 个步骤;数据处理部分包括点云拼接、断面截取、拟合处理、成果输出 4 个步骤12。三维激光扫描技术设计流程见图 3。3.2 数据采集数据采集时,应根据测量区域的实际情况与扫描仪性能综合选择设站位置与间隔。本项目选用 RIEGL VZ-1000 三维激光扫描仪,相邻测站平均间隔 200 m,点云重叠度为 73%,60 m 处点云密度为 693 889 点/m2。每一扫描站内布设 4 个高低错落的靶标,在隧道内已知导线点上架设全站仪,获得靶标在隧道工程坐标系下的绝对坐标。每站数据采集完成,确认目标物完整及数据成功存储后再迁站,否则进行补充扫描。扫描区域全长 3.7 km,共计扫描 18 个测站。4 数据处理外业工作完成后,在开始数据计算分析前,需要先完成测站拼接、坐标系转换、点云去噪等预处理过程13。项目采用配套的 RiScan PRO 软件实现上述操作。4.1 测站拼接按照作业方式不同,测站拼接常用方法包括基于同名点和基于控制点 2 种14。基于同名点的拼接方法,需要在相邻测站内至少保证 3 个公共靶标,其拼接图 3 三维激光扫描技术设计流程精度取决于公共靶标的坐标识别精度。随着测站数的增加,累积误差效应明显,适用于小范围、精度要求不高的情况。考虑隧道内已布设有精密导线控制网,故选择基于控制点的拼接方法。在每个测站点云内识别提取获得扫描仪坐标系下的 4 个靶标坐标 Ps(X1,Y1,Z1),通过与隧道工程坐标系下相应的靶标坐标 Pw(X2,Y2,Z2)建立七参数转换模型(式(2),将测站点云逐个转换到工程坐标系下形成一个整体(见图 4),从而完成测站拼接和坐标系转换15。该方法不存在累积拼接误差,更加适合于精度要求较高的测量场景。X2Y2Z2=(1+m)X1Y1Z1+0z-y-z0 xy-x0X1Y1Z1+X0Y0Z0(2)式中,X0,Y0,Z0为 3 个平移参数;x,y,z为3 个旋转参数;m 为尺度参数。图 4 拼接处理后的点云55三维激光扫描技术在高铁盾构隧道调线调坡中的应用:曹 波4.2 断面截取断面截取间距应根据隧道线形以及设计方要求综合设定。在直线段可适当放宽,曲线段则需要加密。相较于传统手段,三维激光扫描技术加密断面时不需要额外的外业补测工作,直接在点云数据上提取即可,避免了额外的外业工作量投入。将拼接后的隧道三维点云导入软件,基于设计单位提供的平曲线和竖曲线资料、偏距值、断面里程文件,计算出指定断面里程位置(见图 5),截取的断面切片见图 6。图 5 三维激光扫描截面截取图 6 三维激光扫描断面点云4.3 基于正交回归的圆曲线拟合扫描仪采集数据时,受物体表面性质等外界因素以及扫描仪传感器性能等自身因素的影响,会采集到部分错误信息16。如在建设期内的隧道环境下,空气中漂浮的水汽和灰尘颗粒都会造成激光束路径的异常变化,同时在实际测量中也难以避免出现其他工作人员及其工具设备遮挡的状况,这些情况都可能造成采集获取的点云数据中夹杂着一些噪声点,从而直接影响后期隧道断面数据拟合的精度和速度。因此,应对断面点云进行噪声过滤17。常用方法包括统计滤波、半径滤波、RANSAC 方法等。其中 RANSAC 方法是从包含异常值的数据集合中寻找指定的数学模型,从而得到有效目标的模型参数和数据集合18。采用RANSAC 方法,基于圆模型去除点云噪声19,在近似圆形的盾构隧道断面点云中,能够有效地分离隧道内壁附着的各类设备设施噪声点,具有良好的处理效果(见图 7,红色点为剔除的噪声点,黑色点为隧道内壁点)。点云去噪后,将截取的断面点云沿线路切线方向图 7 RANSAC 方法去噪投影到平面,其包含的系列测点可表示为 Pi(xi,yi)。将 x 坐标和 y 坐标均视为含误差且相互独立的随机向量,采用正交距离回归方法拟合圆曲线20。拟合准则为minmi=1(xi-xi)2+(yi-yi)2,i=1,2,3,(3)其中(xi,yi)为圆曲线上到点(xi,yi)距离最短的点,即第 i 个点到圆曲线的正交投影点。圆曲线可基于参数方程构建,有xi=xc+Rcosiyi=yc+Rsini(4)将测点坐标(xi,yi)(i=1,2,3m)作为观测值,将圆心坐标、(xc,yc),圆半径 R 以及圆心角 i作为待求未知数,观测方程为xi=xc+Rcosiyi=yc+Rsini(5)基于式(3)构建误差方程,再按照间接平差方法求解未知参数。vxi=xc+cos0iR-sin0iR0i-(xi-x0i)vyi=yc+sin0iR+cos0iR0i-(yi-y0i)(6)5 结果与分析全线共计获得 1 850 环盾构隧道点云,提 取248 个有效测量断面。为评定扫描成果精度,采用全站仪复核,分别以环号为横轴绘制 2 种测量方式的横向和竖向偏差统计(见图 8、图 9)。经统计分析,2 种方法测得的隧道中心坐标横向偏差最大值为 21.5mm,中误差为 8.6 mm;竖向偏差最大值为-20.2 mm,中误 差 为 9.8 mm。在 环 号 471、930、1220、1554、65铁 道 勘 察2023 年第 4 期1753 位置处,扫描结果与全站仪检测结果的横向偏差相对较大,分析发现上述区域均分布在相邻测站的交汇处,距离扫描仪位置较远导致点云密度较低,并且受仪器性能影响,随着测程的增加点云测量精度也有所降低,导致了拟合模型误差较大。竖向偏差在 1435环、1540 环、1587 环和 1829 环处的结果差异相对较大,结合现场情况分析发现,在上述区域内由于隧道两侧存在遮挡,隧道内壁两侧点云缺失严重,造成了断面拟合模型误差较大,从而影响了竖直方向的检测结果。根据 GB503082017城市轨道交通工程测量规范中有关隧道结构断面测量的规定:断面点与线路中线法距测量中误差不应超过10 mm。本项目以2 倍中误差作为检测限差,除上述断面因周围环境和设站距离等因素导致数据采集质量不高外,其余三维扫描成果的横向和竖向偏差均满足限差要求。成果检验表明,三维激光扫描技术提取的隧道中心坐标数据可靠,精度满足要求。该技术流程获得的测量成果能够满足隧道调线调坡测量工程的应用要求。图 8 横向偏差值统计图 9 竖向偏差值统计6 结语依托南崇高速铁路留村隧道工程,应用三维激光扫描技术检测盾构隧道中心坐标,分别从技术设计、外业数据采集、内业数据处理、成果对比分析等 4 个方面展开介绍,详细阐述了点云扫描、测站拼接、断面截取、去噪拟合等关键步骤,形成了完整的技术流程并应用于实际工程项目。研究表明,三维激光扫描技术应用于隧道调线调坡测量的检测精度优于 10 mm。依照该技术流程生产的测量成果,能够满足工程测量应用要求,具有较强的可行性。参考文献1 李志强,徐成永.合肥轨道交通 1 号线贵湖区间调线调坡方案分析J.都市快轨交通,2017,30(3):17-21.LI Zhiqiang,XU Chengyong.Horizontal and Vertical Alignment for the Section between Guiyang Road Station and Hunan Road Station of Hefei Metro Line 1J.Urban Rapid Rail Transit,2017,30(3):17-21.2 黄小纯.上海轨道交通 15 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