許詩旋

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

隨著我國軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，運營監(jiān)測作為保障地鐵健康運營的一大基礎內(nèi)容，越來越受到重視。截至2019年底，我國已有40個城市開通了軌道交通，線路運營總里程超過6 700 km。地鐵隧道斷面監(jiān)測是保證地鐵安全運行的一項重要監(jiān)測內(nèi)容[1]，也是隧道維保工作的基礎。地鐵盾構隧道的斷面監(jiān)測面臨著諸多難題，其中最突出的問題為：①傳統(tǒng)的斷面監(jiān)測方法得到的是特定位置的非連續(xù)性數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)高密度采集，無法得到隧道內(nèi)部的整體變化情況； ②運營期監(jiān)測作業(yè)時間嚴格受天窗點約束，必須在規(guī)定時間內(nèi)完成大量的測量工作，對監(jiān)測手段采集速度提出了更高的要求。鑒于此，傳統(tǒng)的全站儀測量法、激光隧道斷面儀測量法、站式三維激光掃描法的作業(yè)量大、周期長，已不能適應運營期盾構隧道的斷面監(jiān)測工作，本文提出了利用移動三維激光掃描技術進行運營地鐵盾構隧道維保監(jiān)測的方法，并介紹了該方法在某運營地鐵盾構隧道維保監(jiān)測中的成功應用。

1 運營地鐵隧道病害整治

1.1 病害成因

在列車長期運行振動和周邊工程施工擾動等因素的作用下，地鐵盾構隧道在運營期將不可避免地出現(xiàn)一系列病害現(xiàn)象，這將影響到地鐵運營的安全性、經(jīng)濟性和耐久性[2]。地鐵盾構隧道在整個運營期間的橫截面，理論上要求是圓形且空間位置穩(wěn)定的[3]，但由于隧道運營過程中列車行駛環(huán)境、地質(zhì)以及其他基建活動的影響，地鐵隧道底部空間位置和自身物理形態(tài)均會發(fā)生偏差和變化。隧道的維保監(jiān)測就是對上述偏差和變化進行監(jiān)控的過程。盾構隧道內(nèi)部變形問題常見的病害成因往往與隧道下部地層的地質(zhì)條件有關，當隧道處于淤泥質(zhì)地層中時，隧道通常易下沉、側向抗力較低、易產(chǎn)生橢變。同時，列車長期循環(huán)作用將引起下部土體累積變形，進而產(chǎn)生沉降；列車荷載引起土體累積孔壓消散，產(chǎn)生再固結沉降；當隧道發(fā)生不均勻沉降時，盾構隧道管片也易產(chǎn)生橢變。

1.2 維保監(jiān)測的常用方法

運營地鐵隧道的運營性質(zhì)極大地限制了維保監(jiān)測過程，隧道內(nèi)實際監(jiān)測作業(yè)的時間窗口和空間測量條件均受到較大約束。運營隧道維保監(jiān)測的常用方法包括：①全站儀測量法[4]，其單點測量精度較高，但受工作效率限制只能采用較小的采樣密度，易產(chǎn)生錯漏，且需大量人工成本，采集效率低；②激光隧道斷面 儀[5]可快速測量隧道斷面，但精度和執(zhí)行度不穩(wěn)定，也無法實現(xiàn)高密度采集[6]；③站式三維激光掃描解決了全面獲取隧道內(nèi)部點云數(shù)據(jù)的問題，但需每隔一段距離設站一次，并對不同站數(shù)據(jù)進行拼接，存在測量速度慢、點云密度不均勻、重疊部分有大量數(shù)據(jù)冗余的問題，不能滿足運營期地鐵監(jiān)測天窗作業(yè)時間短的需求[7]。移動三維激光掃描技術[8]操作簡單，同時具備極高的隧道作業(yè)效率，不僅解決了傳統(tǒng)測量方式在運營地鐵盾構隧道斷面監(jiān)測中監(jiān)測信息不全的問題，而且其快速、高效、便捷的測量方式也能滿足運營期監(jiān)測快速測量的需要。其主要測量和分析工作在計算機上進行，因此在運營地鐵盾構隧道維保監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢。

2 移動三維激光掃描系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作原理

移動三維激光掃描系統(tǒng)是針對軌道交通運維管理研發(fā)的信息化快速檢測裝備。系統(tǒng)將高精度、高頻率、智能化的傳感器安裝在軌道小車上，采用人工推行的方式，快速采集軌道及其周圍環(huán)境內(nèi)的激光點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對軌道的高精度全方位快速檢測[9]。

系統(tǒng)將激光器固定在軌道小車上，由移動平臺向目標物體發(fā)射高頻激光束，感測器接收物體返回的激光信號并記錄時間差（相位差），從而得到目標物體與激光器的距離。

目標到激光器的距離可表示為R=ct/2，其中t=φ/ω，則有：

式中，φ為信號往返一次的總相位延遲；ω為調(diào)制信號的角頻率，ω=2πf；U為1/4調(diào)制波長；N為測線包含的半波長個數(shù)；Δφ為信號往返一次產(chǎn)生的不足π的相位延遲；ΔN=Δφ/ω。

在標準大氣條件和給定調(diào)制頻率下，R=c/4πf是一個固定值，激光器到目標的距離就轉換為測線包含的半波長個數(shù)和不足半波長的部分[10]，再根據(jù)傳播時間即可得到對地距離。

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供了精密動態(tài)定位（在隧道內(nèi)部僅提供精確授時），慣性測量單元（IMU）能獲取慣性姿態(tài)向量。系統(tǒng)將每次掃描建立為從激光器到目標反射點間的空間向量，結合激光器的高度和掃描角度信息計算得到目標物體相對于激光器的三維坐標，再結合IMU推算激光器的位置，最終得到目標物體精確的坐標位置[11]。系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 移動三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

2.2 系統(tǒng)硬件結構

移動三維激光掃描系統(tǒng)主要由Z+F 9012激光斷面掃描儀、高精度IMU、雙頻三星GNSS板卡（含天線）、車輪編碼器與安裝組件、多傳感器同步控制電路與存儲單元、電源管理與保護模塊、平板計算機/筆記本電腦等硬件集成，如圖2所示。

圖2 移動三維激光掃描系統(tǒng)的硬件外觀

1）Z+F 9012激光斷面掃描儀。測量頻率為100 萬點/s，掃描頻率為200 圈/s，測距精度≤1 mm，測角精度≤ 0.02e，最小測量距離≤0.5 m，滿足移動三維激光 掃描系統(tǒng)在人工推行工況下，點云測量mm級精度的需求。

2）定位定姿模塊。由IMU32激光慣導和車輪編碼器組成定位定姿模塊，用以提供位姿信息。車輪編碼器分辨率高于1 000 PPR，誤差低于0.5‰，以保證系統(tǒng)在20 min無控條件下，定位定姿精度滿足要求。

3）同步控制器。系統(tǒng)通過秒脈沖信號PPS實現(xiàn)系統(tǒng)時間與世界時間的統(tǒng)一，通過內(nèi)部晶振計時器實現(xiàn)內(nèi)部時間的穩(wěn)定。系統(tǒng)的時間同步精度優(yōu)于0.05 ms，時間系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于10-8s。

4）其他附屬設備。系統(tǒng)還集成了數(shù)據(jù)預處理與存儲模塊、GNSS定位模塊、供電與保護模塊等附屬設備模塊，以支撐數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

2.3 隧道環(huán)片橢圓擬合

由于盾構隧道由預制管片拼裝并由螺栓連接而成，大量的結構接縫使得隧道抵抗變形的能力較弱，外荷載作用下的結構變形主要表現(xiàn)為斷面橢圓化變 形[12]。常見的橢圓擬合[13]包括最小二乘法、Hough變換、最小子集橢圓擬合法等。本文采用隨機抽樣一致性（RANSAC）算法[14]與最小二乘法相結合的方法，對隧道斷面進行橢圓擬合。RANSAC算法是一種能在包含異常數(shù)據(jù)的樣本集中，通過數(shù)學模型得到有效樣本的數(shù)據(jù)算法，可用于查找與隧道輪廓最接近的點云數(shù)據(jù)，從而有效過濾掉其他噪點數(shù)據(jù)，進而提高擬合效果。RANSAC算法擬合斷面橢圓詳見參考文獻[15]。

橢圓標準方程可表示為：

式中，A、B、C、D、E為橢圓參數(shù)。

實際隧道斷面由于拼裝誤差和運營過程中的變化會與標準橢圓存在差異，將點云中P點坐標代入橢圓標準方程將產(chǎn)生偏差VP，即

將三維激光掃描點云坐標代入式（3），根據(jù)最小二乘法原理，可得到橢圓參數(shù)。

將橢圓參數(shù)代入式（4）～（8），即可得到擬合橢圓及其長半軸a、短半軸b、圓心坐標（x0,y0）和偏轉角α。隧道橢圓度是指隧道橫斷面上最大外徑與最小外徑之差[16]，可表示為：

式中，L為隧道設計直徑。

過擬合橢圓圓心的水平線與擬合橢圓相交，由 式（10）可得到兩個交點（x1,y0）、（x2,y0），交點間的距離，即擬合橢圓水平直徑可表示為：

計算得到的擬合橢圓及其幾何參數(shù)信息如圖3所示，可以看出，利用RANSAC算法有效剔除了噪聲點的影響，很好地擬合了隧道輪廓橢圓，可用于盾構隧道結構變形分析。

圖3 斷面橢圓擬合結果

3 案例研究

3.1 案例概況

根據(jù)運營監(jiān)測資料的各區(qū)間累計沉降量成果 （圖4），某地鐵出段線區(qū)間2 a內(nèi)累計下沉明顯?，F(xiàn)場巡視確認區(qū)間存在隧道變形、道床離縫、管片掉塊與破損、管片滲透水等病害（圖5），因此將出段線確認為本次維保區(qū)域。

圖4 各區(qū)間累計沉降量統(tǒng)計圖

圖5 出段線內(nèi)管片病害現(xiàn)狀

3.2 維保整治原則

根據(jù)現(xiàn)場情況，分情況制定病害處理原則：對道床離縫進行填縫處理；采取注漿止水或嵌填密封等方式及時封堵隧道滲漏水；對于破損管片，腰部以上的裸露鋼筋采取涂料防腐處理，腰部以下的裸露鋼筋采用環(huán)氧樹脂砂漿進行修補；在沉降量明顯區(qū)域，從洞內(nèi)對隧道底部進行微擾動注漿；對隧道直徑變形超 70 mm的管片采用地面微擾動注漿+鋼環(huán)加固處理，對隧道直徑變形超50 mm的管片進行地面微擾動注漿加固，以提高隧道兩側淤泥質(zhì)土的地層抗力和地層參數(shù)。

3.3 移動三維激光掃描實施

為掌握維保區(qū)域結構的初始狀態(tài)，2018年7月對該區(qū)間進行第一次移動三維激光掃描，區(qū)間長度約為600 m，人工推行速度為2 km/h，掃描環(huán)境如圖6所示。以環(huán)片為單位，將點云進行逐環(huán)橢圓擬合，并計算橢圓長軸、短軸、偏轉角、擬合水平直徑、橢圓度，部分成果如表1所示。

表1 維保區(qū)域橢圓擬合成果（部分）

圖6 現(xiàn)場掃描圖

針對維保整治中最關心的盾構管片水平直徑問題，本文將擬合成果與標準管片直徑（5.50 m）、微擾動注漿處理控制值（5.55 m）、微擾動注漿+鋼環(huán)加固處理控制值（5.57 m）進行對比，結果如圖7所示，可以看出，維保區(qū)域內(nèi)隧道環(huán)片變形明顯，根據(jù)維保整治原則，50環(huán)以上需進行病害處理。

圖7 整治前維保區(qū)域擬合水平直徑/m

3.4 維保整治過程數(shù)據(jù)分析

在病害整治過程中，為了掌握隧道內(nèi)部結構變化情況、協(xié)助調(diào)整治理方案、優(yōu)化整治效果，又對維保區(qū)域進行了多次移動三維激光掃描，并將其擬合的水平直徑與前期進行對比。

微擾動注漿完成后，對區(qū)間進行第二次移動三維激光掃描。將其擬合的水平直徑與第一次成果進行對比發(fā)現(xiàn)，其環(huán)片水平直徑雖有小幅外擴的現(xiàn)象，但整體保持穩(wěn)定，在微擾動注漿范圍，水平直徑明顯減小，說明微擾動注漿對隧道管片有明顯的擠壓作用。鋼環(huán)加固完成后，對區(qū)間進行第三次移動三維激光掃描。將其擬合的水平直徑與第二次成果進行對比發(fā)現(xiàn)，其環(huán)片水平直徑仍有小幅增長，但整體保持穩(wěn)定，微擾動注漿范圍也保持穩(wěn)定。至此，該區(qū)間整治工程全部結束。

在維保整治結束半年后，為了解區(qū)間內(nèi)部結構現(xiàn)狀和整治工程效果，對區(qū)間進行了第四次移動三維激光掃描，結果如圖8所示。將其擬合的水平直徑與第三次成果進行對比發(fā)現(xiàn)，其環(huán)片水平直徑基本保持穩(wěn)定，未見明顯管片變形。通過本次工作，可認為采取地面微擾動注漿+鋼環(huán)加固處理的方式控制隧道管片變形的效果良好，且移動三維激光掃描技術的速度和精度均能滿足運營地鐵盾構隧道病害整治的技術要求。

圖8 整治結束半年后維保區(qū)域擬合水平直徑/m（部分）

4 結 語

本文通過案例研究證明，移動三維激光掃描技術可在運營地鐵盾構隧道病害整治中起到重要作用；其作業(yè)的成果有效反映了隧道病害的真實狀態(tài)，多次掃描成果綜合分析可得到病害在出現(xiàn)、發(fā)展、治理和維保過程中的隧道狀態(tài)變化情況，從而解決運營地鐵盾構隧道病害整治中遇到的問題。通過對移動三維激光掃描技術的應用實踐發(fā)現(xiàn)，該技術在滿足運營地鐵監(jiān)測天窗作業(yè)時間短的需求下，實現(xiàn)了相關必要信息的有效收集和處理，足以滿足運營地鐵盾構隧道病害整治的需求，適宜大規(guī)模推廣。