地铁隧道收敛变形

地铁隧道收敛变形是由于受到地面、周边建筑物的压力、地表层水土流失以及地铁的长期运行对地铁隧道造成变形、沉降、倾斜等变化，从而需要专业的测绘单位对地铁隧道内部定期进行精确测量，用可靠的方案评估形变量对地铁隧道造成的影响，以保证形变值在安全范围内，并对可能发生的安全隐患或事故进行及时、准确的预报，让有关方面有时间作出决策，避免事故的发生。

    地铁隧道收敛变形监测需要一种高效、快捷、精准的技术方案进行监测。

早期的监测方式

    地铁隧道监测中比较常见的有：收敛计、全站仪、水准仪等，而目前高精度全站仪在隧道监测中应用比较普遍。

    全站仪水平收敛监测的技术原理是通过精确测定监测点的坐标，再通过计算便能够测量出水平收敛。

    全站仪进行监测的工作方法一般需要布点、测量、数据对比、图表分析等几个步骤。其误差与设备产品本身、控制点、测回、测程等都有很大关系，精度也从1mm至10mm不等。

全站仪法存在的弊端

    由于全站仪采用点式方式进行测量，需要测量大量的数据点，而数据对比也会抽样进行对比，所以会对某些地方的变化量不能直管反映出来。

    全站仪进行隧道监测存在的缺陷：

    ⑴只能单点测量，需要采集大量数据；

    ⑵需要严格对中整平，误差风险增大；

    ⑶需要多测回才能提高精度，效率不高；

    ⑷免棱镜测量精度较低。

三维激光扫描技术

在地铁隧道的收敛变形监测方面完全可以使用三维激光扫描仪，可以对隧道内部进行面状式三维扫描，采用自带软件进行站点拼接、标定、平差等得到高精度高密度的点云数据，再使用第三方软件可方便地生成隧道的横断面数据，通过这些数据和原始数据做对比以得到隧道内部形变量的分析，以此来达到监测的目的。其精度高、速度快、数据完整等方面都是其他测量手段望尘莫及的。

Z+F三维激光扫描仪是相位式扫描设备的代表之一，其地面式三维激光扫描仪分为5006H、5010、5010C等几款系列，扫描速度可达101万点/秒，测程可达187米，最高精度可达0.3mm。 

地铁隧道三维扫描解决方案

    德国Z+F IMAGER 5010三维激光扫描仪由于其的高精度，特别适合地铁隧道的变形监测，在国外的技术应用已经非常成熟，都得到了非常好的效果。

外业采集

前期准备

1.数据资料：控制点、点位图、作业时间段；

2.人员分工：运输设备、操作仪器、布设标靶

3.设备保证电量充足

4.标靶球或标靶板

    扫描前需要布设标靶球，一般为了保证精度至少有三个标靶球处于公共位置，所以在摆设标靶时需要主要标靶球与仪器间的同视，标靶球距离仪器的最远距离尽量不要超过40米，以便在拼站时能方便拟合出标靶的球心。

    扫描仪的设置只需要新建项目工程，设置扫描的分辨率和质量。分辨率可以控制点云密度，质量可以保证点云精度，一般情况下可采用高分辨率和正常质量模式，时间只需要6分钟。

 

    如果需要绝对坐标，可将Z+F IMAGER 5010设备对中整平，再采用全站仪对扫描仪架站位置进行测量即可，后期可在软件中代入全站仪坐标数据。

    扫描时人尽可能离设备远一些，以免造成的地面微震会对扫描数据造成影响，并且人不能站在扫描仪与标靶球之间的位置，造成拼接时不能找到标靶球位置。

内业预处理

    外业采集完的数据存储于三维激光扫描仪自带的USB存储中（主机64G内存，带两个32G闪存），只需要将U盘插入电脑，将整个文件夹拷贝出来即可。

    数据预处理可使用仪器配套的Z+F LaserControl专业版软件。经过处理得到所有精确的点云数据。数据可以导入LAS、TXT、PTC、DXF等多种通用格式。

 

隧道点云数据

数据后处理

    数据后处理采用第三方软件3D Resharper，专门处理3D点云数据的软件。软件解决方案覆盖了所有的点云、3D网格、曲面重建、监测、检测及逆向工程。可根据隧道的扫描数据自动拟合出地铁隧道的中轴线。

 

地铁隧道的中轴线

    可以自定义间距生成隧道的断面图，并且导出断面文件。也可以生成隧道壁激光雷达的正射影像数据，可以基于点云数据进行三维建模，方面进行三维场景模拟分析。 

 

隧道的断面图

成果有哪些用途？

1.横断面数据可清晰反映各个区域的变形量，并以不同颜色反映出来，方便分析和评估变形带来的安全隐患。

2.同时对于施工工程，也可以反映出欠开挖和超开挖情况，更好地指挥现场施工。

 

隧道横断面变形量

    3.利用颜色叠加的效果反映变形情况，可以更加直观明了地反映出形变差异。

 

变形数据颜色叠加

    4.隧道的断面数据同时可以专属的报告，以数字形式表现，同时也可以用图表反映出隧道的形变量值。

  

隧道横向收敛值

三维激光扫描仪作业需要几个人？

人员分配：对于三维激光扫描在隧道使用中，人员方面安排2-3人，一人操作扫描仪，一人摆设标靶，一人观测全站仪，虽然与常规监测的方法人数相当，但是工作量小，人为干预少。

三维激光扫描仪效率怎么样？

工作效率：以Z+F 5010为例，每一站扫描时间为3分钟，加上搬站时间、设站时间、操控时间计时为5分钟/站，平均间距在30米内，每小时可以扫描360米的距离。一天的工作量，内业预处理需要3个小时，内业后处理输出断面报表则需要1-2天时间。

三维激光扫描仪的精度是多少？

    作业精度：由于扫描仪出来的点云数据庞大，可反映出各个细微地方的变化量，并且精度能达到1mm内，这对于工程的精度限差完全满足要求。并且导出的数据丰富，不管对于工程单位还是管理部门都能一目了然了解隧道的收敛变形情况，更好地做出评判。

同时在成本方面，三维激光扫描仪的成本投入不仅仅只用在隧道的收敛变形监测方面，在隧道施工的前期勘测、中期施工都可以进行利用。