三维扫描技术在地铁隧道中的应用

三维扫描技术在地铁隧道中的应用

如今，轨道交通已然成为一项不可或缺的出行方式，其运量大、全天候、少污染，安全且快速，是城市公共运输系统的骨干。作为我国大力发展的新型基础建设之一，城际高速铁路和城市轨道交通秉承了衔接协调，集约高效的基本原则，对城市交通运输起到支撑引导作用。同时，2018 年 1 月 1 日正式实施铁路建设项目质量安全红线管理规定中也明确了隧道初支、衬砌厚度问题的重要性。政府运营部门及相关安全监测单位也在不遗余力，努力加强安全生产和运营管理，进一步推动城市轨道交通建设、运营模式创新，增强可持续发展能力。

 

图1：隧道

 

但是，采用钻爆法施工的隧道超欠挖的情况是不可避免的，这些问题若不进行及时处理不仅会增加工程的建设成本，更是会对隧道的施工质量和运营安全产生严重影响。建成后的隧道也会因地质条件、材料性能劣化、列车振动等综合因素的影响，发生渗漏水、衬砌裂损及混凝土掉块等典型病害，从而产生安全隐患。因此，安全检测已经成为隧道建设一项必不可少的施工程序。

 

图2：隧洞

 

在使用三维激光扫描技术之前，测量人员通常依靠人工的经验并结合全站仪对隧道进行超欠挖检测。测量人员往往通过用眼睛观察隧道内部的凹凸情况并在明显鼓包处使用全站仪进行断面测量。无论人工估测或是使用全站仪测量都存在各自的局限性，人工观察无法获得精确且真实的数据，误判的情况时常发生，全站仪虽能够获得准确的数据，但实际操作中的断面选取点数有限、断面间隔较大，测量成果与现场实际情况。

 

FARO 三维激光扫描仪主要被运用于隧道建设期和运维期的隧道检测。建设期通过超欠挖分析以及点云数据比较，计算出混凝土方量，为安全施工提供指导；运维期通过检测隧道变形和收敛直径，为安全通车提供真实可靠的数据支撑。

图3：APM定位

 

针对超欠挖检测，通常此时地面轨道还未铺设完成，将三维激光扫描仪架设在隧道内，扫描需要测量超欠挖的里程段；同时，使用全站仪采集球棱镜镜面坐标，用于后期绝对坐标转换。

 

图4：专业靶球拼接

 

FARO 扫描仪的扫描速度非常快，每秒最快可记录976,000个点，在几分钟内就可以完成对隧道内壁的扫描。这不仅提高了测量人员在现场的工作效率，更重要的是可以做到最大限度的还原隧道内壁，避免了信息的遗漏，节省时间、人力和财务成本。FocusM 70 完全能够满足开挖阶段的扫描需求。进入现场后，仅用 3-5 分钟就能完成快速完成扫描。

 

  

图5：扫描点云数据

 

完成数据采集后，将拥有绝对坐标的点云数据和隧道的设计模型同时导入隧道三维监测软件，即可进行断面分析、竣工侵界检测、扫描对比分析、管环收敛分析、隧道超欠挖分析，混凝土方量计算等，为隧道施工提供有效的安全指导。

 

图6：断面分析

 

图7：竣工侵界检测

 

图8：两次实测断面对比图

 

图9：管环周边收敛分析

 

针对运维期隧道检测，采用结合 FARO 三维激光扫描技术研发的移动隧道检测系统，移动激光扫描技术比传统的站式扫描技术获取数据速度更快、同时不需要地铁隧道建成后，受沿线建设施工项目、地质条件、材料性能劣化等综合因素的影响，导致隧道结构出现渗漏水（泥）、衬砌裂损及混凝土掉块等典型病害。隧道病害必须及时检测并加以治理，否则会影响地铁的正常运营，甚至引发风险事件或事故。

 

图10：移动扫描

 

图11：正射影像灰度图