地鐵隧道收斂變形

地鐵隧道收斂變形是由于受到地面、周邊建筑物的壓力、地表層水土流失以及地鐵的長期運行對地鐵隧道造成變形、沉降、傾斜等變化，從而需要專業(yè)的測繪單位對地鐵隧道內部定期進行精確測量，用可靠的方案評估形變量對地鐵隧道造成的影響，以保證形變值在安全范圍內，并對可能發(fā)生的安全隱患或事故進行及時、準確的預報，讓有關方面有時間作出決策，避免事故的發(fā)生。

地鐵隧道收斂變形監(jiān)測需要一種高效、快捷、精準的技術方案進行監(jiān)測。

早期的監(jiān)測方式

地鐵隧道監(jiān)測中比較常見的有：收斂計、全站儀、水準儀等，而目前高精度全站儀在隧道監(jiān)測中應用比較普遍。

全站儀水平收斂監(jiān)測的技術原理是通過精確測定監(jiān)測點的坐標，再通過計算便能夠測量出水平收斂。

全站儀進行監(jiān)測的工作方法一般需要布點、測量、數據對比、圖表分析等幾個步驟。其誤差與設備產品本身、控制點、測回、測程等都有很大關系，精度也從1mm至10mm不等。

全站儀法存在的弊端

    由于全站儀采用點式方式進行測量，需要測量大量的數據點，而數據對比也會抽樣進行對比，所以會對某些地方的變化量不能直管反映出來。

    全站儀進行隧道監(jiān)測存在的缺陷：

    ⑴只能單點測量，需要采集大量數據；

    ⑵需要嚴格對中整平，誤差風險增大；

    ⑶需要多測回才能提高精度，效率不高；

    ⑷免棱鏡測量精度較低。

三維激光掃描技術

在地鐵隧道的收斂變形監(jiān)測方面完全可以使用三維激光掃描儀，可以對隧道內部進行面狀式三維掃描，采用自帶軟件進行站點拼接、標定、平差等得到高精度高密度的點云數據，再使用第三方軟件可方便地生成隧道的橫斷面數據，通過這些數據和原始數據做對比以得到隧道內部形變量的分析，以此來達到監(jiān)測的目的。其精度高、速度快、數據完整等方面都是其他測量手段望塵莫及的。

Z+F三維激光掃描儀是相位式掃描設備的代表之一，其地面式三維激光掃描儀分為5006H、5010、5010C等幾款系列，掃描速度可達101萬點/秒，測程可達187米，最高精度可達0.3mm。

地鐵隧道三維掃描解決方案

德國Z+F IMAGER 5010三維激光掃描儀由于其的高精度，特別適合地鐵隧道的變形監(jiān)測，在國外的技術應用已經非常成熟，都得到了非常好的效果。

外業(yè)采集

前期準備

1.數據資料：控制點、點位圖、作業(yè)時間段；

2.人員分工：運輸設備、操作儀器、布設標靶

3.設備保證電量充足

4.標靶球或標靶板

掃描前需要布設標靶球，一般為了保證精度至少有三個標靶球處于公共位置，所以在擺設標靶時需要主要標靶球與儀器間的同視，標靶球距離儀器的最遠距離盡量不要超過40米，以便在拼站時能方便擬合出標靶的球心。

掃描儀的設置只需要新建項目工程，設置掃描的分辨率和質量。分辨率可以控制點云密度，質量可以保證點云精度，一般情況下可采用高分辨率和正常質量模式，時間只需要6分鐘。

如果需要絕對坐標，可將Z+F IMAGER 5010設備對中整平，再采用全站儀對掃描儀架站位置進行測量即可，后期可在軟件中代入全站儀坐標數據。

掃描時人盡可能離設備遠一些，以免造成的地面微震會對掃描數據造成影響，并且人不能站在掃描儀與標靶球之間的位置，造成拼接時不能找到標靶球位置。

內業(yè)預處理

外業(yè)采集完的數據存儲于三維激光掃描儀自帶的USB存儲中（主機64G內存，帶兩個32G閃存），只需要將U盤插入電腦，將整個文件夾拷貝出來即可。

數據預處理可使用儀器配套的Z+F LaserControl專業(yè)版軟件。經過處理得到所有精確的點云數據。數據可以導入LAS、TXT、PTC、DXF等多種通用格式。

隧道點云數據

數據后處理

    數據后處理采用第三方軟件3D Resharper，專門處理3D點云數據的軟件。軟件解決方案覆蓋了所有的點云、3D網格、曲面重建、監(jiān)測、檢測及逆向工程?？筛鶕淼赖膾呙钄祿詣訑M合出地鐵隧道的中軸線。

地鐵隧道的中軸線

可以自定義間距生成隧道的斷面圖，并且導出斷面文件。也可以生成隧道壁激光雷達的正射影像數據，可以基于點云數據進行三維建模，方面進行三維場景模擬分析。

隧道的斷面圖

成果有哪些用途？

1.橫斷面數據可清晰反映各個區(qū)域的變形量，并以不同顏色反映出來，方便分析和評估變形帶來的安全隱患。

2.同時對于施工工程，也可以反映出欠開挖和超開挖情況，更好地指揮現場施工。

隧道橫斷面變形量

3.利用顏色疊加的效果反映變形情況，可以更加直觀明了地反映出形變差異。

變形數據顏色疊加

4.隧道的斷面數據同時可以專屬的報告，以數字形式表現，同時也可以用圖表反映出隧道的形變量值。

隧道橫向收斂值

三維激光掃描儀作業(yè)需要幾個人？

人員分配：對于三維激光掃描在隧道使用中，人員方面安排2-3人，一人操作掃描儀，一人擺設標靶，一人觀測全站儀，雖然與常規(guī)監(jiān)測的方法人數相當，但是工作量小，人為干預少。

三維激光掃描儀效率怎么樣？

工作效率：以Z+F 5010為例，每一站掃描時間為3分鐘，加上搬站時間、設站時間、操控時間計時為5分鐘/站，平均間距在30米內，每小時可以掃描360米的距離。一天的工作量，內業(yè)預處理需要3個小時，內業(yè)后處理輸出斷面報表則需要1-2天時間。

三維激光掃描儀的精度是多少？

    作業(yè)精度：由于掃描儀出來的點云數據龐大，可反映出各個細微地方的變化量，并且精度能達到1mm內，這對于工程的精度限差完全滿足要求。并且導出的數據豐富，不管對于工程單位還是管理部門都能一目了然了解隧道的收斂變形情況，更好地做出評判。

同時在成本方面，三維激光掃描儀的成本投入不僅僅只用在隧道的收斂變形監(jiān)測方面，在隧道施工的前期勘測、中期施工都可以進行利用。