现代测绘技术在地铁隧道变形监测中的应用研究

现代测绘技术在地铁隧道变形监测中的应用研究

罗子端

浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310000

摘要：全站仪自动化监测系统及三维激光扫描技术在现代化隧道变形监测中的应用，并在测量平差理论的基础上，对实测数据进行了精度分析。结果表明，现代化变形监测技术较比传统变形监测方法在精度、效率以及自动化水平上有了明显的提高，是当今地铁隧道施工及运营维护中可靠的地保监测手段。

关键词：三维激光扫描技术；全站仪；地铁隧道；变形监测城市轨道交通是城市公共交通的骨干。其中，地铁系统以其运量大、空间利用率高、安全节能等特点，成为当今城市化进程中优化城市交通的有效手段。地铁建设和运营会带动沿途经济及城市建设的发展同时，会因地铁施工及沿线城市建设所造成的土体应力状态变化导致建筑物、构筑物及地铁结构的变形，从而产生安全隐患。

一、全站仪自动化监测系统

全站仪自动化监测系统是集电磁波测距技术、数据库技术、移动互联网通讯及自动目标识别技术等，利用计算机语言开发，基于服务器、控制器、客户端等硬件的C/S架构的自动化测量系统。

该系统在待测区域内布设控制网，于各断面布设小棱镜，基于全站仪免棱镜测距及ATR技术实现自动化空间信息获取，其位移精度可达±0.3mm。在实际工程应用中，以高精度电子水准仪观测沉降数据为准，对比该系统在沉降监测中的实际成果。

二、三维激光扫描技术

相比传统监测方式和自动化监测技术而言，三维激光扫描技术作为变形监测领域的前沿技术，利用高速激光测距技术配合精密时钟编码器量测隧道实体空间离散矢量距离点即点云。在扫描仪独立坐标系下的斜距、水平方向及距离、天顶距、反射强度等信息，配合CCD传感器解算空间实体拓扑信息，经过对点云数据的配准、抽稀、去噪及滤波等过程，最终实现对空间实体线、面、体等空间信息数字化高还原度重构。三维激光扫描技术以其观测快速、主动式非接触测量、抗干扰能力强、数据精度高、成果直观等特点，适用于现代地铁高效施工及高频率运营维护中隧道变形监测工作。在利用三维激光扫描技术实现隧道变形监测的

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研究中，通过随机采样一致性（RANSAC）及最小二乘算法来实现对隧道中轴线的提取，利用不变矩实现隧道连续断面的提取，最终利用局部曲面拟合及最小二乘曲线拟合完成变形曲线拟合分析。实际工程案例中，使用Z+F三维激光扫描仪及瑞士Amberg公司开发的基于隧道中轴线及连续断面提取的变形监测系统TMSTunnelScan，来实现三维激光扫描技术在地铁隧道监测中的应用研究。

三、传统监测手段与现代监测方法的对比分析

相比之下，地铁保护监测工程中传统监测手段较比现代化监测方式存在如下不足：

首先针对不同监测单项任务的传统变形监测手段，因不同仪器的精度和功能所限具有局限性，如普通全站仪三角高程测量精度所限，仅应用于位移监测，而不能用于沉降监测，而沉降监测中则需使用高精度水准仪再次观测，影响监测效率。

其次因人工监测与地铁运营的空间冲突具有观测周期的不连续性（在地铁运营期间），人员和仪器不能进入隧道施测，需等晚间地铁停运维护期间进行观测，从而造成大于12h的观测空白期，影响监测质量。

最后因传统测量仪器作业方式和观测效率所限，具有观测数据离散性，如全站仪隧道位移监测及水准仪隧道沉降监测中，仅能对少量固定变形特征点做到坐标采集，无法在观测周期内采集更多隧道点空间信息，无法对被测隧道做到空间位置的完整还原和整体监测。由此可见，传统变形监测手段已经不再适应当今高效率地铁施工进度和高密度地铁运维工作。全站仪自动化变形监测系统以及三维激光扫描变形监测系统，以其独特的数据采集方式和先进的信息化数据处理系统，可以做到

全天时全天候、高效率高精度、多维度自动化的监测。每一项工程变形测量任务完成以后，应形成下列综合成果资料，在竣工验交时一并移交接收单位：隧道沉降变形观测方案与技术设计书；隧道观测点平面、纵断面和横断面布置图；隧道沉降计算报告资料；隧道沉降观测记录簿；系统软件平差计算、成果资料及测量成果报表；隧道各观测断面沉降统计分布图表；隧道沉降变形观测评估分析报告总结和成果资料；隧道沉降观测与评估工作技术会议纪要有关文件整理资料。

四、结语

应用实践的数据成果质量分析证明，以全站仪自动化监测系统和三维激光扫描技术为代表的现代化地铁隧道监测方式，在作业效率、数据精度、自动化及功能多元化方面，比传统的监测手段有了显著的提高，其精度评定结果和工作稳定性实践证明，现代化监测系统是可靠的。以GeoMos为代表的全站仪自动化监测系统以其全天时全天候、自动化的特点，已经逐步取代传统监测方式并广泛应用于地铁保护监测工程之中。目前三维激光扫描技术正成为高校、科研院所及企业在地铁隧道监测应用中关注的重点。在点云数据拼接和处理、隧道中轴线及连续断面提取的过程中，精度的提高、效率的改善仍是当下应用研究的重点方向。利用更加优化的算法对隧道监测工程中诸多子项开发更加成熟、更有针对性的应用程序，并进行理论论证和工程检验，尚有广阔的研究开发前景。

参考文献：

[1]王紫蔚,王伟.地铁保护区自动化

变形监测系统的设计与应用研究[J].现代测绘,2016,39(3):23-26.

[2]魏静.高速公路隧道变形监测与数据分析研究[J].内蒙古煤炭经济,2017,(11):124-125.

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