摘要：随着新技术的不断发展，将三维激光扫描技术应用于地铁变形监测将成为一种重要手段。它克服了传统的点式监测技术以点带面的缺陷，有无须接触被测物体、自动化程度高、测量速度快、测量精度高、成果应用范围广(可与BIM、GIS等结合)、信息丰富(空间信息、灰度信息和真彩色纹理信息)等优点。本文结合昆明地铁羊肠村站至司家营站这一区间变形监测的实际项目，进行了断面分析、面对比分析、轨距测量分析、椭圆度分析、错台检测分析、渗水分析、裂缝分析、掉块分析、净空侵界分析等，通过和传统的全站仪、水准仪等方式比较，验证了三维激光扫描新技术可满足地铁变形监测要求，同时研发了一套针对地铁三维激光扫描新技术的软件系统，实现了地铁成果数据的三维可视化，具有一定的参考价值。
关键词： 三维可视化平台 三维激光扫描 变形监测 地铁隧道监测 铁路工程
地铁线路投入运营后，地铁隧道的变形监测越来越重要，使用三维激光扫描新技术对地铁隧道进行变形监测是一种全新手段。本文结合昆明地铁羊肠村站至司家营站这一区间变形监测的实际项目，通过和传统的全站仪、水准仪等方式比较，进行了多项针对地铁隧道的专项分析[1]，验证了三维激光扫描新技术可满足地铁的变形监测要求，最终的成果数据采用独立研发的三维可视化平台呈现出来，对同类监测项目具有一定参考意义。在完善和推广三维激光扫描新技术在地铁变形监测[3]的应用方面，起到了一定的推进作用。
1、数据采集和处理流程
1.1 数据采集方式
本次检测使用的设备为瑞士安伯格公司的GRP5000移动式扫描测量系统，测量模式为连续测量。昆明地铁2号线由北部汽车站至环城南路站，线路长约22.8km。对昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站区间先后进行了3次绝对测量。GRP5000系统是一个可以有效测量轨道几何尺寸和周围环境的集成化系统。系统将各种传感器和测量仪器进行了最佳组合，能准确对轨道几何尺寸及限界进行完整的动态测量，同时能够检测隧道衬砌裂缝、错台、掉块等病害[2]以及发生的空间部位，经人工智能化软件分析后，可提供高精度的图像、图表及文字信息。
1.2 仪器精度
GRP5000移动式扫描测量系统精度信息包括以下几个方面:1)轨距测量(静态)为±0.3mm;2)超高测量(倾斜、静态、1435mm轨距)为±0.5mm;3)断面测量单点精度(相对于轨道轴线，5m距离)为±3mm。
1.3 内外业流程简介
1)采用GRP5000移动式扫描测量系统采集数据;2)数据预处理[12]，生成每一期完成的监测区点云数据;3)进行断面分析[13]、面对比分析、轨距测量分析、椭圆度分析、错台检测分析[16]、渗水分析、裂缝分析、掉块分析、净空侵界分析等;4)综合分析得出结论并将监测成果输出保存。
2、工程案例分析
对昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站区间先后进行了3次绝对测量，通过数据预处理得到当期监测区完整的点云数据，然后通过断面分析[5]、面对比分析、轨距测量分析、椭圆度分析、错台检测分析、渗水分析、裂缝分析、掉块分析、净空侵界分析等[4]完成多期地铁点云监测数据对比分析[15]，最终和常规的全站仪、水准仪等分析结果进行比较。
2.1 预处理
经坐标拼接、点云去噪，生成当期监测区完整点云数据，并建立地表三角网，再经峰值剔除、填充孔洞等处理，最终生成当期三维精细模型。
2.2 病害检测
2.2.1 净空侵限分析
隧道净空是指隧道内轮廓线所包围的空间，包括地铁隧道建筑限界、通风及其他功能所需的断面积，断面形状和大小应根据结构设计得到最经济值。净空所包括的其他断面中，有通风机或通风管道、照明灯具及其他设备、监控设备和运行管理设备、电缆沟或电缆桥架、防灾设备等断面，以及富裕量和施工允许误差等。因此，净空侵限分析对地铁线路运行至关重要。对隧道断面进行连续扫描，每个断面可高达2万个扫描点，沿里程方向每隔5mm自动采集存储一次断面，形成高精度断面图形。将机车轮廓导入软件中进行处理，通过软件计算得到隧道净空差值，通过对隧道进行前后3次复检，均未发现侵限现象。机车断面图示例如图1所示。
2.2.2 错台分析
错台检测是在相邻两个管片连接缝左右各5mm处提取实测断面，然后用软件将提取的断面进行滤波、重合、计算，最终根据《盾构法隧道施工及验收规范:GB50446—2008》要求，数值大于15mm的确定为错台。最终检测结果为错台断面和地铁盾构区间错台分析表，如图2所示左图为设计断面布置图，右图为错台断面示例。
2.2.3 椭圆度分析
所检测区间属于盾构施工，可用专业软件进行隧道椭圆度[17]计算，通过间隔为1.2m的隧道断面椭圆度分析可知，椭圆度变形基本呈现曲线状变化。按《盾构法隧道施工及验收规范:GB50446—2008》要求椭圆度大于6‰D即为不合格，根据3次检测的椭圆度直方图分析可知，羊肠村站至司家营站检测区间内变化峰值位于K3 548处，椭圆度为13.8‰D，前后3次检测隧道椭圆度未出现异常。具体检测结果有椭圆度分析表、椭圆度曲线图。
2.2.4 轨距测量分析
通过GRP5000的轨距传感器测量羊肠村站至司家营站轨距生成“轨距数据表”，并按照里程根据轨距偏差数据生成“轨距偏差量表”，如通过三次检测比较昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站轨距最大偏差值为-0.0022m，最小偏差值为0.0000m。具体检测结果有“轨距数据表”“轨距偏差量表”。
2.2.5 断面分析
对隧道断面[6]进行连续扫描，每个断面可高达2万个扫描点，沿里程方向根据需求可每隔10mm提取1个断面，形成高精度断面图形。断面分析方式[18]一为同一里程处实测断面和设计断面之间的比对，如图3所示。
对比方式二，以第一次为基准，第二、三次分别与之对比，举例说明，前后3次对羊肠村站至司家营站进行绝对测量，在相同区间范围内(K003 321.54—K003 559.27)，相同里程各提取若干个断面进行叠加对比[7]，断面对比图如图4所示，右图外圈数字为第一次和第二次检测的断面对比结果，内圈数字为第一次和第三次检测的断面对比结果。
2.2.6 渗水分析
通过将圆柱投影正射雷达影像图展开，生成带坐标的网格，实现直接在影像上量测坐标、尺寸和距离。生成渗水彩色数值图，计算渗水区域、面积、里程号等，如图5所示。
2.2.7 裂缝分析
对隧道检测数据中的激光点云数据进行裂缝识别与定位，计算出裂缝长度、宽度、里程号等，如图6所示。
2.2.8 掉块分析
对隧道检测数据中的激光点云数据进行掉块识别与定位，计算出掉块区域、面积、里程号等，如图7所示。
2.2.9 面对比分析
采用两种方式对比分析，方式一:通过将圆柱投影正射雷达影像图展开，生成带坐标的网格，然后将多期数据对比分析生成不同色彩镶嵌的图，不同色彩代表不同变形量，如图8所示。
方式二是采用构建三维精细模型[14]，然后对比分析结果，如图9所示。
通过项目实际成果数据分析可得，两种方式的对比结果基本是一致的。
2.2.10 病害成果统计
最终比较检查时间为2017年7月，结果见表1。
综上所述:3次检测相同区间的病害汇总、新增病害如表1所示。昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站，3次检测相同区间范围内的病害总计31个/处。其中，主要病害为错台，共计13处;洇湿8处，面积1.1m2;管片破损1处，面积0.01m2;裂缝9条，面积3.08m2。具体检测结果输出到“病害对比表”。
通过3次检测对比，相同区间内新增病害总计4个/处，包括新增裂缝1条，长度0.46m;洇湿3处，面积0.89m2。通过3次检测对比，未发现原有病害发生明显变化，新增病害在正常范围内。其他数据包括断面、限界、椭圆度、错台和轨距等均未出现异常。
2.3 移动式扫描测量系统精度分析
2.3.1 内符合精度
内符合精度主要指同一测站、不同时刻测量同一目标时，两期数据间的内符合程度，保证内符合精度，就是保证多期数据成果的正确性。通过大量实验得出，内符合精度在3mm以内。
2.3.2 外符合精度
外符合精度主要指不同测站、同一时刻测量目标相同时，两站数据间的相互吻合度，保证同期观测数据成果的正确性，通过大量实验得出，外符合精度在4mm以内。
2.3.3 与TM30全站仪对比精度
沿里程方向，取30个固定的里程位置，使用全站仪和三维激光扫描两种方式在这些里程处采集足够点并拟合断面，将得到的断面进行对比分析，可以得到两种方式在水平、高程和圆心位置的偏差曲线，如图10至图12所示。通过分析可知，两种方式差值的绝对值在5mm以内，可能是两种方式测量误差或者软件计算导致的，所以移动式扫描测量系统精度与TM30全站仪精度相当，满足地铁变形监测的要求。
3、结束语
随着新技术的不断发展，三维激光扫描新技术用于地铁变形监测[8]能够获得更加丰富的信息，无须接触被测物体，自动化程度高、测量速度快、测量精度高、成果应用范围广、信息丰富，因此，很有必要进行全面的深入研究，推进新技术在地铁监测中的发展[9]。
本文利用移动式扫描测量系统对昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站区间先后进行了3次绝对测量，针对地铁数据，进行了以下9个方面的专业分析:断面分析、三维模型对比分析、轨距测量分析、椭圆度分析、错台检测分析、渗水分析、裂缝分析、掉块分析、净空侵界分析，同时利用TM30高精度全站仪验证了移动式扫描测量系统的精度，结果表明，该精度可满足地铁变形监测[10]的要求，可以得到全面而详细的专业分析结果，供相关人员决策使用。通过虚拟现实技术、系统运行负荷轻量化技术、数据库与三维模型之间的无缝连接技术，建立地铁隧道三维可视化信息管理及评价系统，实现了地铁成果数据的三维可视化，对同类监测项目具有一定的参考价值和指导意义，成功地将三维激光扫描新技术推广到了地铁隧道变形监测。
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