基于激光雷达技术的地下工程调坡调线测量施工工法.pdf

1、基于激光雷达技术的地下工程调线调坡测量工法基于激光雷达技术的地下工程调线调坡测量工法1.前言前言随着我国经济的不断发展，全国开设轨道交通的城市越来越多，轨道交通建设的任务也越来越繁重。调线调坡是地铁设计施工过程中的一项非常重要的工作，是在城市轨道交通的土建结构工程基本完成，铺轨工程尚未开始前必须进行的一项重要工序，是对地铁施工中特别是隧道盾构后所产生的线路偏移等误差进行线路平、纵断面的调整，以消除这些误差达到合理的设计要求，满足各种设备和车辆运行的限界要求。在对地铁进行调线调坡测量时，采用常规测量方法获取地铁站点和隧道内的断面数据效率不高，且测量数据不可重复利用。常规地铁隧道调线调坡测量一般借

2、助很多传统测量设备，如收敛计、全站仪、水准仪等，而目前免棱镜高精度全站仪在隧道测量的实际应用也非常多。全站仪进行调线调坡测量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。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观反映出来。经过深入分析，全站仪进行隧道监测存在的缺陷：单点测量，需要人工采集大量数据；测量方法以点概面，无法准确、全面描述隧道的空间特征；需要严格对中整平，误差风险增大；需要多测回才能提高精度，效率不高；免棱

3、镜测量精度较低。本工法提出采用当今世界最为先进的激光雷达测量技术手段与摄影测量技术相结合，获取盾构区间整体空间几何数据构建模型，利用模型约束空间限界，实现盾构区间三维线路重构实现地铁调线调坡测量，即结合三维激光点云数据的地铁调线调坡测量方法，替代常规测量方法的关键技术，并进行了多段隧道的扫描和数据处理工作，取得了满意的结果。最后利用激光雷达技术实景复制逆向构建盾构区间模型与盾构设计 BIM 模型比对，快速对整条盾构区间进行线性分析。2.工法特点工法特点2.0.1 成果精度高，利用三维激光与二维摄影测量获取几何数据非常完整全面，利于后期各类整体比对，软硬件操作方法简单容易掌握，测量过程方便、灵活

4、，跟传统全站仪测量效率相差无几；2.0.2 测量效率高，工期短，激光雷达扫描测量外业和内业可分组同时进行，外业组在隧道测量的同时进行点云数据预处理，内业组在室内同时进行三维点云软件的成果数据处理工作，有效缩短成果提交时间；2.0.3 利用实景模型与 BIM 模型比对，快速分析成型隧道的质量。3.适用范围适用范围本工法适用于盾构区间隧道调线调坡的测量与质量分析工作，对工期要求高、测量精度高的场合较为适用，完全满足节能环保的测量施工要求。隧道内少量纯黑材质物体不适合使用激光雷达进行点云数据的获取。4.工艺原理工艺原理4.0.1 采用激光雷达技术与二维摄影结合，获取盾构区间整体空间几何数据构建模型，

5、利用软件进行断面点云数据和轨道中心线数据的读入，计算断面平面和中心线的交点，按断面位置分别量取各断面信息，并记入相应成果表格中，利用模型约束空间限界，实现盾构区间三维线路重构。4.0.2 基于隧道整体的实测实量数据逆向构建出整个区间的模型，以多段线形式生成出区间隧道的设计中心线。将构建好的 BIM 模型转换成同类型文件，并套进软件中进行比较分析。通过模型进行 3D 视图查看，利用颜色的区分，查找出偏差分布较大的区域，与地质情况、施工掘进参数、掘进姿态等数据进行分析偏差原因，利用软件分析出最大偏差，合格率，综合评定区间的整体质量。5.施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点5.1 调线调坡测

6、量工艺流程调线调坡测量工艺流程成果生成隧道中心线拟合与隧道剖切外业数据采集点云数据处理点云数据配准点云数据去噪点云是否完整数据计算、报表成果生成、BIM 拼合现场踏勘控制网布设与控制网测量标靶扫描扫描作业纹理采集图图 5.1-1 调线调坡测量工艺流程调线调坡测量工艺流程5.2 测量工艺及操作要点测量工艺及操作要点5.2.1 外业数据采集1 现场踏勘：为了获得地理场景的完整三维信息，需要多测站多角度对场景进行扫描。到实地勘测，查看所安排的路线和导线点位置计划是否合适，并把改动在计划图上标明。若测区没有现成的地形图或者测区范围不大，可以在实地勘察、选择路线的同时确定测站点。2 控制网布设与控制测量

7、：点位尽量精简，能够控制主要扫描连接站，易于保存量测，以便检核。具体说，包括以下几点：制网的控制精度要高于方案设计扫描精度要求；控制 s 点之间要有良好的通视性，基本原则是三个控否是制点之间应该互相通视；控制网的网形应当按照技术规范进行优化，网形设计合理，控制全面，控制点距离建筑物等符合技术要求。3 标靶扫描为了提高重建的精度和速度，需要在场景中放置标靶点，在两个不同测站上，应至少三个公共标靶点，且不应位于一条直线上；如果四个标靶点，则它们不应位于同一平面上。标靶的设置应遵循相邻站点之间保证一定的数据重叠度，以免目标扫描物数据遗漏，且控制站点至少保证有 4 个以上控制条件，以便于配准时的平差操

8、作以提高数据精度；如没有控制标靶，则重叠的点云应该保证具有 4 个点、线、面等配准条件，其中一个便于进行平差检核操作。4 扫描作业1）单独测站的扫描的基本过程仪器的安置主要包括安装（连线电源线和数据传输线）、启动（解除扫描仪锁定，打开电源，与电脑连接）、扫描参数设置（扫描视场、扫描精度、点间距、扫描范围等）和扫描及保存、传输结果。2）扫描中的换站应该在单站扫描结束之后，在规划路线图上标注测量记录信息，主要包括测站位置说明、测站标号、扫描仪信息、测量时间以及参数设置等。在确认信息无误和扫描正常完成的情况下，完成换站扫描工作，重复单站扫描工作。3）扫描注意事项在扫描中可以根据仪器的不同，对待测物体

9、关键部位（隧道的结构部位、监测点和控制点）进行细部扫描；注意仪器的工作环境的温度和湿度含量要在仪器的工作耐受范围之内；工作中注意保证仪器的安全，避免外力对仪器造成可能的损害；在从某一方向对目标进行具体扫描时，应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体，这样做一是减少可能的噪点，二是减少扫描仪的工作时间，提高效率。还可以通过预先设置分辨率来调节扫描点的密度，以控制扫描的时间。点云的密度取决于激光点位间隔，墙体等平滑部分可采用距离处 2cm 及以上间隔。图图 5.2.1-1 某一地铁隧道的扫描现场情况图示某一地铁隧道的扫描现场情况图示另外，扫描区域周围的人流也会产生噪点，扫描后应及时观察点云以确定是否需

10、要补扫或重复扫描，如图 5.2.1-1 所示。5 纹理采集扫描完成后，还要对扫描区域进行拍照，获取色彩和纹理信息。通过摄像机从不同方向拍摄的两幅或两幅以上的二维图像，利用交会原理，以及相对定向与绝对定向等综合出物体的三维曲面轮廓。照片作为多站配准提供参考。图图 5.2.1-2 导入点云与照片拼合导入点云与照片拼合5.2.2 点云数据配准原始扫描获取的激光雷达点云由无数具有灰度或者彩色信息的空间点阵构成，它的数据结构包含极坐标系、球坐标系、柱坐标系等多种坐标系，根据扫描仪不同得到的也有差别，但最后获取的距离影像都可以转换为空间直角坐标的表达形式。单幅距离影像的原始状态一般都是以扫描仪中心为原点的

11、局部坐标系，起始水平方向与仪器摆放的位置方向和仪器自身检测定位方向有关，垂直方向则跟仪器摆放的水平程度有关。由于隧道空间对象具有多个视角，空间跨度大，我们一般不能用单幅点云覆盖整个空间对象，需要从不同的角度和位置对目标对象进行扫描，最后得到的就是很多幅独立的三维激光点云。点云的配准就是将所有具有独立坐标的原始单站点云转换到某一个共同的基准坐标系下构成完整的隧道空间对象的过程。配准完成后才能开始激光点云去噪、分析等下一步应用，点云模型配准示意图如图 5.2.2-1所示：图图 5.2.2-1 隧道点云配准示意图隧道点云配准示意图5.2.3 点云数据去噪基于三维激光扫描仪进行数据采集时，采集的点云数

12、据易受环境和系统等因素的影响，如数据采集时激光雷达旋转引起的抖动、运动物体干扰、在扫描过程中杂散光和背景光、接收信号的信噪比、激光束宽度、激光发散、激光波长、接收器反应、电子钟准确度、平台的定位定向准确度等，影响点云数据的质量，导致噪音数据点的产生，有时可能产生不属于扫描实体本身的数据导致冗余数据。由于三维激光扫描仪获取的点云数据量比较大，全采用手动删除噪声点的话，劳动强度大，也难免有所遗漏，可利用系统自动判断的方法进行处理。传统的点云去噪方法有基于网格内插的方法、基于曲面分割的方法和基于数学形态的方法。基于网格内插的方法根据少量的种子点建立一个稀疏的三角网格，然后通过迭代，把最低高程的数据点

13、加入 TIN 网中加密，对地面点进行过滤。基于曲面分割的方法把 Lidar 数据分割成几个不同的区域，将每个区域内的点用空间曲面来表示，根据曲面拟合的约束判断。基于数学形态的方法采用数学形态学加权算子，在一定大小的移动窗口内，最低高程点首先被认为是地面点，距离地面点高差越小的点，越接近为地面点，以区分地面点和非地面点。图 5.2.3-1 为对一段隧道进行扫描后去噪的点云数据。图图 5.2.3-1 隧道进行去噪时的点云数据隧道进行去噪时的点云数据5.2.4 隧道中心线拟合与断面剖切地下隧道断面测量应严格按照相应测量规范进行，并遵循以下要求:1)以施工图的设计线路中线点为测量基准线，线路平面如果变

14、更，应以变更后的线路中线点为测量基准线，进行隧道结构净空断面测量；2)直线段横断面方向必须与线路方向垂直;曲线段横断面方向必须与该曲线法线方向一致；3)为检核隧道洞体接口情况应在洞体断面变化处设点，在该点前后 0 5 m 范围内分别测量横断面，并注明接口点的里程；4)矩形、圆形隧道均要求测量 8 个点，其中底板面、顶板底各 1 点，左右侧各 3 点。5)沿里程方向，明挖段施工的直线段每 6m，曲线段每 5m 测量一个断面。盾构法施工的隧道时，当管片为 1.0m，直线段每 6m(环片 6 环)、曲线段每 5 m(环片 5 环)测量 1 个断面。此外，还需加测以下断面，其区间范围:曲线五大桩、区间

15、隧道起、终点、隧道结构变化点、泵房中心点、隔断门、变坡处;车站、联络线、渡线地段的结构变化点及控制点;车站起、终点(与区间隧道起、终点同一里程，但不同结构形式)，站台两端起、终点、站台面宽度变化点，站中心点。点云数据拼接完成后需要纳入施工测量坐标系，以轨道中心线为基准，沿线路前进方向按一定点云宽度生成断面切片，每个断面均以线路里程命名。中心线拟合与断面剖切效果如下图 5.2.4-1 所示：图图 5.2.4-1 三维轨道中心线与剖切断面图三维轨道中心线与剖切断面图图图 5.2.4-2 剖切断面生成剖切断面生成通过上面的断面量测方式可以看出，在传统测量作业模式下，如果需要对地下隧道断面进行加密测量

16、，则需要重新进行实地测量，这无形中增加了额外的工作量;而三维激光扫描因为获取了地下隧道高密度三维点云数据，因此需要加密的断面数据可以直接在内业从三维点云模型中进行量测，无须进行实地测量，避免了产生多余的工作量，减轻了工作负担。5.2.5 数据计算与报表成果生成利用软件进行断面点云数据和轨道中心线数据的读入，计算断面平面和中心线的交点，按断面位置分别量取各断面信息，并记入相应成果表格中（如图 5.2-5 所示）。量取断面信息时，对于矩形断面，通过点云拟合平面，然后根据线路中心线分别量取断面信息;对于圆形断面，在 4 个方向上:0，90，180，270处邻域拟合样条曲线，拟合出样条曲线后再根据线路

17、中心线分别量取断面信息，将所有计算信息填入报表进行输出即可。图图 5.2.5-1：生成成果报表生成成果报表5.2.6 逆向构建模型与 BIM 数据拼合基于隧道整体的实测实量数据逆向构建出整个区间的模型，以多段线形式生成出区间隧道的设计中心线。将构建好的 BIM 模型转换成同类型文件，并套进软件中进行比较分析。通过模型进行 3D 视图查看，利用颜色的区分，查找出偏差分布较大的区域，与地质情况、施工掘进参数、掘进姿态等数据进行分析偏差原因，利用软件分析出最大偏差，合格率，综合评定区间的整体质量。图图 5.2-1：BIM 模型与逆向构建模型拼合模型与逆向构建模型拼合图图 5.2-2：数据：数据成果比

18、较分析成果比较分析图图 5.2-3：标准偏差分布：标准偏差分布6.材料与设备材料与设备6.1 材料材料序号类型具体备注1激光雷达标靶圆标靶扫描数据拼接构件球标靶黑白标靶可打印其他形状激光雷达标靶2三角架3控制点用铁钉等6.2设备设备表表 6.2-1施工主要设备机具一览表施工主要设备机具一览表序号序号设备名称设备名称型号型号单位单位数量数量用途用途1激光雷达ScanStation II台1扫描设备2量测摄影机Wild P31台1摄影设备3数据处理软件套3点云数据处理4图形工作站Dell Precision台5数据处理电脑7.质量控制质量控制本工法遵守执行的国家、地方（行业）标准、规范名称和检测方

19、法主要有：7.1质量标准质量标准工程测量规范GB 50026-2007；地面三维激光扫描作业技术规程CH/Z 3017-2015；测绘产品检查验收规定和质量评定GB/T24356-2009；数字测绘成果质量要求GB/T 17941-2008；业主单位相关质量标准记录档案等。7.2质量控制要点质量控制要点本工法实行测绘产品三级检查一级验收制度。测绘生产组织对产品质量实行过程检查和最终检查。过程检查是在作业组自查自检的基础上，按照相应的技术标准以及项目实施方案的规定，由项目审核人及质检人员对测绘成果进行抽查，确保各项工作成果符合质量要求。最终检查是在过程检查的基础上，由项目负责人承担。验收工作由测

20、绘项目的委托单位组织实施。三级检查一级验收制度实施步骤如下：（1）激光雷达作业小组完成内外业成果后，进行 100%自检或互检；（2）自检或互检合格后，进行领导小组检查由审核人及质检人员按照规定的比例进行抽查，并将检查问题反馈给作业小组修改，修改后再进行复查；（3）领导小组检查合格后将测绘成果交总工程师审查，根据总工程师意见进行修改后交项目负责人进行最终审查；（4）合格后进行成果放行，由项目承担单位负责成果提交，并向委托单位申请成果验收。8.安全措施安全措施8.0.1 在作业现场，任何情况下不得违章指挥和违章作业。8.0.2 作业现场所使用的仪器设备应妥善存放，杜绝因存放不当而造成的损坏、丢失或

21、被盗等安全事故。8.0.3 对激光扫描仪、近景摄影测量系统、全站仪、GPS 接收机、水准仪等仪器设专人操作，定责定岗，严格按照操作规程进行作业。8.0.4 严格执行环保措施，努力减轻对测量作业施工现场周边居民和环境的影响。8.0.5 施工单位应持有效的 地下工程测量作业许可证；测量人员应配备有效的通信和救生设备，并保持设备技术状态良好；测量仪器操作人员须持与岗位相适应的岗位证书。8.0.6 与当地相关政府部门、业主、各施工单位充分沟通，规划测量路线，摸清地下有无正在施工的测量等障碍，测量方案应报监理审查，并制定应急预案。8.0.7 地下工程测量作业光线较暗，进入施工现场所有人员应穿戴反光识别衣

22、服，备用救生衣；并在上下隧道梯道设置必要围护设施。8.0.8 测量电子设备确保状况良好。8.0.9 地震预警等等不良地下条件应停止施工。9.环保措施环保措施9.0.1 对测量施工电源、工程材料、设备等控制制定相应的流程，并严格按流程执行。9.0.2 优先选用环保测量设备，激光不应对人体及其他设备造成损害，防止漏电、降低噪声，及选用合适的测量时间进行激光点云数据获取。9.0.3 施工现场保持整齐有序，坚持文明测量。9.0.4 测量完工后，及时清除运走所有装备和剩余材料、垃圾和临时设施，做到工完、料尽、场地清。10.效益分析效益分析采用三维激光雷达扫描与普通全站仪测量施工工艺对比情况如下：表表 1

23、0.0-1工艺对比表工艺对比表项目三维激光雷达扫描普通全站仪投入设备激光雷达全站仪外业测量条件洞内积水需清理断面位置杂物需清理完毕操作空间操作简易，无需对中整平每个测量断面需重复架站、描点外业进度1 天7 天内业进度1 天1 天工作强度低高人员投入2 人45 人通过工艺对比分析表可知，10.0.1 激光雷达工作量对电源和测绘耗材用量较少，对地下隧道的操作空间要求较低，部分材料可以循环周转使用，工期较短，精度高，而且在同样的工期施工下可以节约成本 80%以上，取得较好的经济效益。10.0.2 不使用隧道现场其他施工设备，没有污染；测量占用场地面积小，最大程度地保证其他施工工作的顺利进行。10.0

24、.3 本工艺在整体隧道断面测量中有效减少人工作业强度并大大提高工作效率。通过对点云数据的处理可快速得到所需的断面信息，将处理完成的高精度点云数据用于区间隧道 BIM 建模相比较，真实反映隧道贯通后的初始状态。11.应用实例应用实例11.1厦门市轨道交通厦门市轨道交通 2 号线二期工程土建施工总承包二工区号线二期工程土建施工总承包二工区厦门市轨道交通 2 号线二期工程土建施工总承包二工区马銮中心站新阳大道站区间盾构隧道，区间自马銮中心站起，沿沿东南方向行，进入新阳大道站，线路经过段均为下穿鱼塘，地势平坦，部分下穿规划马銮湾，区间含一段平曲线要素，曲线半径为 450m。采用激光雷达技术进行调线调坡

25、测量。目前测量工作已全部完成，测量精度均满足要求。整个过程大大减少了人员的投入及提高了断面测量的效率。11.2厦门市轨道交通厦门市轨道交通 2 号线二期工程土建施工总承包二工区号线二期工程土建施工总承包二工区厦门市轨道交通 2 号线二期工程新阳大道站长庚医院站区间盾构机自新阳大道站始发，于长庚医院站接收。区间左线起讫里程为 DK9+061.433DK10+090.261，全长为 1005.248m，短链 23.569m。右线起讫里程为 DK9+061.433DK10+090.261，全长为 1028.817m，起、讫里程为车站结构内衬内侧里程。线间距由 14.0m16.0m13.0m15.0m

26、，线路最小曲线半径 R=400m。其调线调坡测量采用激光雷达技术方法生成断面相关成果，其施测至出成果报告仅需要 2 人花费 3 天时间完成，且后续激光数据成果作为铺轨后整体隧道变形量提供了参考依据。11.3厦门市轨道交通厦门市轨道交通 1 号线一期工程土建施工三标四工区号线一期工程土建施工三标四工区厦门市轨道交通 1 号线一期工程园博苑站杏锦路站区间自出园博苑站后，下穿园博苑站西侧地块，区间起讫里程：YDK20+565.620（ZDK20+568.773）YDK21+229.902（ZDK21+229.902），其中左线长链 3.222m，区间全长 664.282（左 664.351）m，是厦门市连通沈海高速公路（厦漳高速公路）的主要通道之一，车流量大。作为试行点，能够快速的衔接各道工序，对区间隧道整体验收、调坡调线起到很大的作用。