【52監測網】第120期 三維激光掃描技術在地鐵保護區建設項目中的應用
 52監測網專家報告分享-第120期 《三維激光掃描技術在地鐵保護區建設項目中的應用》 張德林 / 機械工業勘察設計研究院有限公司 機勘院介紹 機械工業勘察設計研究院有限公司（簡稱“機勘院”）始建于1952年9月，是國家大型綜合性勘察設計單位，國家一類科研單位。隸屬于中國機械工業集團有限公司（世界500強，排名第250名)。曾被國家建設部、國資委、工商行政管理總局和陜西省委、省政府等授予百余項殊榮。經過幾十年的發展，公司形成了集工程勘察、測繪工程、工程設計、工程檢測、工程承包、環境工程六大專業板塊和國際工程于一體的建筑領域全產業鏈業務格局。
內容介紹 一、地鐵保護區內建設項目管理與監督 1.西安城市軌道交通沿線控制保護區設置范圍規定 《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）規定：在城市軌道交通結構周邊進行外部施工作業時，應制定安全可靠的作業方案和保護措施，外部作業不得影響城市軌道交通結構的正常使用功能、承載能力、耐久性和其他特殊功能，城市軌道交通沿線應設置控制保護區。 控制保護區范圍設置 50m：地下車站與隧道結構外邊線外側50m內； 30m：地面和高架車站以及線路軌道結構外邊線外側30m內； 10m：出入口、通風亭、變電站等附屬建、構筑物結構外邊線外側10m內；專用電纜溝、架空線等供電設施外邊線外側10m內； 100m：過河隧道、橋梁段結構外邊線100m內； （注：遇特殊的工程地質或特殊的外部作業時，應適當擴大控制保護區范圍。） 2.地鐵保護區保護區監督與管理的必要性 隨著社會經濟的快速發展，越來越多的地產商開發住宅、商場項目為了確保客流量、享受地鐵帶來的紅利，大多會選在地鐵沿線或出入口附近進行開發，地鐵保護區內的深基坑施工項目越來越多，且多向著“深、近、大”的方向發展，保護區內進行的大面積的土體卸載，大直徑管道從地鐵結構上（下）方近距離通過，施工難度大、風險非常大，西安地處濕陷性黃土區域，在受水浸濕后，土結構迅速破壞并產生顯著沉降，都會直接或潛在對地鐵結構的安全構成威脅，稍有不慎都會產生安全事故。
3.地鐵保護區內建設項目影響等級判定標準 《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）規定：應結合城市軌道交通結構的安全保護要求，在作業實施前，確定外部作業影響等級。結合外部作業對城市軌道交通結構的主要響應特征及其安全保護要求合理選用結構安全控制指標。
當外部作業影響等級為特級、一級時，應對城市軌道交通結構進行安全評估；當外部作業影響等級為二級時，宜進行安全評估。 根據安全評估情況，對外部作業項目的基坑進行監測，同時對地鐵結構進行監測，既要確?；又ёo結構體系的安全，同時要保證地鐵結構、運營線路的安全。 4.保護區內建設項目管理監督、處置流程 保護區內建設項目管理監督：地鐵保護區內建設項目在未按照相關規定辦理審批手續前，堅決不允許開工。
保護區內建設項目審批、監管處置流程 5.保護區內建設項目監督執法 保護區執法：是指對軌道交通保護區內的建設活動進行巡查及監管，杜絕危及運營安全和妨礙地鐵工程建設的事件發生。 保護區執法的內容：包括線路巡查、建設項目施工方案協調與審批、建設項目批后監護以及違法建設項目行政處罰。 不包括軌道交通自身的新建、擴建、改建、維修等施工作業。 執法大隊巡查監護現場工作流程 1） 新發現的正在施工項目：若是搶修項目，可組織相關處室現場辦公，否則現場擋停，要求報送資料，對于不服從管理的開展行政處罰； 2） 新發現的未施工項目：對于該類項目，及時聯系施工單位負責人，要求報送資料，告知未經地鐵辦批準不準開工。 3） 已掌握的正在施工項目：若已獲地鐵辦審批，則按批出要求進行監護；未獲地鐵辦審批，要求立即停工，對于尚未申報資料的，要求盡快上報資料，已申報資料的，聯系技術處了解審批中存在的問題，告知施工單位積極配合。對于不服從管理的開展行政處罰。 4） 已掌握的未施工項目：如果已獲地鐵辦批準，則了解未施工原因，及時掌握開工信息；未獲地鐵辦批準的，對于尚未申報資料的，要求盡快上報資料，已申報資料的，聯系技術處了解審批中存在的問題，告知施工單位積極配合。 6.地鐵保護區內建設項目審批及監管流程
二、地保區建設項目常用監測手段概述 ◇ 監測對象 根據外部作業影響等級，需要對基坑支護結構、周鄰環境（外部）及地鐵結構（內部）進行監測。
當基坑規模較大，開挖深度較深時，還要增加監測項目：圍護樁深層水平位移、錨索內力、地表沉降、管線沉降、周鄰建筑物沉降等。 ◇ 基坑支護結構（外部）監測內容方法 監測內容：圍護結構頂部水平位移監測、基坑頂部、周邊地表、周邊建筑物沉降監測、周邊管線、深層水平位監測、錨索應力監測、支護結構內力監測、支撐軸力監測、地下水位監測。監測方法：主要為人工監測。水平位移、豎向位移可采用測量機器人半自動化監測。 ◇ 地鐵結構監測方法（在建地鐵結構人工監測） 在建地鐵項目，因未完成設備安裝，施工單位較多，存在施工交叉，施工人員流動性大；在熱滑前，不具備供電、通訊等條件，不能滿足自動化監測要求時，多采取人工監測的方式對地鐵結構進行監測。
結構豎向位移監測：結構豎向位移按照二等水準觀測的技術要求，使用天寶DiNi03電子水準儀按附合或閉合水準線路。 結構水平位移、收斂監測：結構水平位移采用自由設站法，測量各個監測點三維坐標，通過計算可以得到觀測點位移、收斂變形量。 ◇ 地鐵結構監測方法（地鐵結構自動化監測） 地鐵運營后，一天中三分之二以上的時間是處于全封閉運營狀態，不允許任何人進入軌行區，當地鐵保護區內有工程建設時，為了項目順利建設，同時確保地鐵結構的安全，就必須進行自動化監測。 自動化監測系統一旦安裝、調試完成后，就能實現自動化觀測、記錄、處理、存儲等一系列功能。并且監測系統穩定可靠、精度高。
目前國內地鐵自動化監測主要有：基于測量機器人自動化監測系統、基于光纖光柵自動化監測系統、基于多傳感器集成監測系統。 1.基于測量機器人自動化監測系統 基于測量機器人的自動化監測系統由測量機器人監測站、控制計算機系統、通訊網絡、傳輸系統、基準點、變形監測點構成。己經成功的應用在我國多個城市的地鐵隧道自動化監測中，并且積累了很多的寶貴經驗，有效解決了地鐵運營期間人工測量無施測條件的問題，提供的精準監測數據有力的保障了各項目的順利建設。
主要性能及技術優勢 ? 能夠自動尋找、識別、精確照準目標； ? 自動測量、計算并且自動存儲測量信息； ? 能夠24小時全天候監測； ? 具有編程功能，可針對預定目標進行編程預設； ? 數據實時傳輸，成果在線瀏覽； 2.光纖光柵自動化監測系統 光纖傳感技術是一種以光為載體、光纖為媒介、感知和傳輸外界信號 (被測量) 的新型監測技術，根據變化量并利用參考光信息可以解調出被測量的溫度和應變值，在大壩、橋梁、電站、隧道及高層建筑物等大型民用基礎設施的安全監測中效果非常好。
主要性能及技術優勢 ? 有(準)分布式、長距離、實時性； ? 耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧； ? 波長選擇性好、不受非線性效應影響； ? 便于使用和維護、帶寬范圍大； 3.基于靜力水準儀的多傳感器位移監測技術 靜力水準儀依據連通管原理，由電感傳感器、液缸、浮子等部件構成，可測得任意時刻液缸內水位的變化量，并輸出位移量，是地鐵安全施工及運營監測的可靠技術手段，已廣泛應用于地鐵監測領域。
主要性能及技術優勢 ? 原理簡單、方法可靠、長期穩定性高； ? 輕松實現遠程移動式數據采集； ? 精度高、自動化性能好、操作便利； ? 全天候、遠距離連續監測； 不足：受溫度、氣壓、重力異常變化影響明顯； 靜力水準儀配備數據采集系統及軟件處理系統，可對地鐵結構進行實時、動態、全天候監測，穩定實現過程曲線繪制和測值報表輸出。 三、三維激光掃描技術在地鐵保護區建設項目中的應用 1.三維激光掃描技術 三維激光掃描技術：又稱“實景復制技術”，是能通過激光測距，獲取密集點云三維信息，并能快速重建三維模型及線、面、體等圖型數據的技術手段。
三維激光掃描技術原理：通過激光回波的時間差（或相位差）計算距離，同時利用橫向及縱向掃描角，計算出激光點的三維坐標。
2.工作流程 某地鐵運營線路隧道受外部施工影響出現變形縫少量涌水，為了全方位分析外部施工對地鐵結構的影響，采用三維激光掃描技術對受影響段進行變形分析，工作流程如下： ◇ 基準點及標靶點布設
◇ 架站掃描 隧道內以12米的間隔設站，保證每個掃描站均可觀測到六個拼接靶球、兩個檢查點（起始、終止測站需觀測基準點）。
現場架站掃描 每站掃描觀測開始前，測量環境溫度、大氣壓參數，輸入儀器自動進行距離改正；整平儀器開始掃描觀測；每站掃描觀測結束后查看觀測數據并記錄觀測情況，若無異常，搬站繼續下一站掃描觀測，至掃描觀測結束。 ◇ 點云數據預處理 外業掃描觀測獲取的點云數據預處理包括點云拼接、點云濾波、點云去噪。通過拼接多站點云數據、剔除多余點云數據最終得到完整的地鐵隧道測區點云模型。
◇ 點云數據配準 初值采集進行兩次獨立掃描觀測，通過兩端的基準點將兩次掃描點云數據進行匹配，對比了檢查點的坐標、高程；對兩次點云進行模型封裝，生成了模型變化的色譜圖，以此驗證變形監測初值的準確性、可靠性。 精確、可靠的初值為后期隧道的變形觀測提供了基準。后期掃描觀測數據與初值進行配準、比對，即可分析得到測區的變形量。
通過基準點配準的隧道點云模型 ◇ 精度檢查 導出所有檢查點坐標，對同一檢查點的兩次坐標、高程進行對比，得到檢查點的誤差值。檢查點均勻布設測區，故檢查點的誤差值可反應整體點云模型精度情況。 經比較，檢查點最大點位誤差為1.3mm，中誤差為0.8mm。而隧道變形監測精度要求為2mm，本次初始值的掃描觀測精度完全滿足規范要求。
檢查點誤差精度對比表 ◇ 點云封裝模型 使用逆向工程軟件對兩次獨立掃描觀測的點云模型分別進行封裝，得到測區完整的三維網格模型。
封裝完成的三維網格模型 ◇ 模型數據對比 通過對兩次獨立掃描封裝的三維網格模型進行對比，生成色譜圖，可以得到測區的整體變化情況。 本次為短時間（4小時內）進行的兩次獨立觀測，故對比兩次獨立掃描封裝的三維網格模型可驗證初始值的整體精度情況。 下圖為兩次獨立掃描初始值的封裝模型對比色譜圖，從圖中可以看出，平均偏差值為0.3mm-0.4mm。說明本次獲取的初始值數據精確、可靠，可與后期掃描觀測數據進行比對反映測區的形變狀態。
3.工作難點 地鐵隧道空間窄長、隧道內作業空窗期短、基準點不易長期保存、點云數據平差流程復雜、云數據噪點去除困難、點云數據量大，封裝困難。 4.其他應用 （1）地鐵結構測量及數字化建模 （2）變形縫、施工縫、特殊病害點建模 （3）地保區內工程建設前地鐵現狀調查 （4）地鐵保護區內建（構）筑物健康監測
技術優勢總結： ? 三維激光掃描技術突破原有“點-線“監測格局，實現了”面”的提升。全方位、立體對所有地鐵結構可視物進行真三維數據采集。 ? 精度高。經專業數據平臺模型封裝后，點云點位中誤差可達到亞毫米級，完全真實地鐵結構現狀的三維數據。 ? 點云數據用途廣?？商崛「鞣N數據，如：限界、軌間距、軌道橫向高差、隧道結構各種斷面數據等。 ? 效率高。掃描速率高達1,000,000點/秒，可在地鐵運營夜間休整間隙期，快速掃描建模。 ? 提交成果內容豐富?？煽焖俜庋b模型，數據完整、清晰，可實現成果可視化、多樣化、豐富化。 達到的目的： ? 為信息化施工提供依據； ? 驗證外部施工保護專項方案的正確性、可靠性； ? 為優化設計提供依據； ? 達到了可靠性、技術性和經濟性的統一，實現了技術先進性與經濟合理性的統一。 應用前景： 傳統變形監測方法均有著各自的不足，隨著城市軌道交通的建設，全站儀、水準儀、測量機器人系統等傳統監測手段以點代面的監測方式已經不能全面反映整體變形情況，也不能不能滿足地鐵大范圍的監測需求，另一方面，這些傳統監測方法作業效率低。 三維激光掃描技術作為全新的測繪技術，已經在變形監測領域取得了豐碩的研究成果，相對于常規手段具有采集數據全面、高效便捷、數字化、成果形式豐富多樣、系統化等特點。未來三維激光掃描技術將在地鐵監測中將發揮至關重要的作用，具有廣闊的前景。 四、地鐵監測中的科研及創新 自動化系統平臺開發 ”機勘智繪云”大數據云平臺：面向測量測繪行業的業務管理方案;以項目管理為主線，涵蓋項目過程中的各種文檔管理，設備管理、人員 管理、專業計算、數據統計、報告生成、檔案查詢等。 西安地鐵監護管理信息系統：該系統主要包括地上、地下三維一體化集成、空間量算、空間分析、監測數據、曲線查詢展示、預警預報分析與評價等功能。對地鐵運營過程提供全方位的監護數據，便于地鐵運營技術決策。 智能測斜系統：智能測斜設備+APP控制軟件，可實現單人高效測斜，大大提高工作效率和數據的可靠性?？筛咝?、智能解決巖土工程深層水平位移監測，提供穩定、可靠、形式多樣的監測數據。 規范編著、專利申請、優秀工程獎 該院主編的《西安市軌道交通工程監測技術規范》、在地鐵測量監測方向獲專利2項，軟著1項，獲優秀工程獎6項，獲國家優秀QC小組獎1項，省級優秀QC小組獎2項，省科技廳創新獎1項。
五、總結與展望 1.由于地質條件和地保區建設工程的特殊性、周邊環境的復雜性，對地保區內建設項目基坑工程及受影響區間隧道利用新技術進行監測和信息化施工，并及時進行內外部監測數據對比分析，確保工程和運營安全。 2.地鐵保護區內建設項目，各參見方應建立起充分的溝通協調機制，“多方聯動”以保證工程建設項目的順利進行和地鐵運營的安全可控。數據只有成為信息，并確保信息實時性、時效性和不間斷性，才能創造更大的應用價值。 3.充分利用三維數據，探索BIM+GIS技術在地保區建設項目監測的應用，使數據和信息可傳遞、可共享、可視化和三維化，并為施工管控和全生命周期的運維服務。 4.工程安全監測的信息化和自動化是必然趨勢。 結束語：齊心協力，做實地保區保護工作。抓好頂層設計，謀劃在前；強化過程控制，夯實基礎；瞄準成果質量，扎實推進；積累成功經驗，持續提高。
《三維激光掃描技術在地鐵保護區建設項目中的應用》 張德林 / 機械工業勘察設計研究院有限公司 注：本文僅供個人研學交流，版權歸原作者所有 |
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