CN110764106A

CN110764106A - 一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法

Info

Publication number: CN110764106A
Application number: CN201910953047.2A
Authority: CN
Inventors: 刘世焕; 林金华; 薛华坤; 洪族智; 陈天民
Original assignee: CCCC First Highway Engineering Group Co Ltd; CCCC First Highway Xiamen Engineering Co Ltd
Current assignee: CCCC First Highway Engineering Group Co Ltd; CCCC First Highway Xiamen Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-02-07

Abstract

本发明涉及一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，该方法使用三维激光雷达对盾构区间隧道按照100万点/秒的分辨率进行扫描，获取盾构区间隧道的三维信息，设立公共标靶球，多测站多角度对盾构区间隧道进行扫描，获取空间数据信息；利用二维摄影机对盾构区间隧道摄影获取色彩和纹理信息，获得的相片来解求被摄物体的空间坐标；三维激光雷达数据与二维摄影机相片进行拼接，利用盾构区间环缝、封堵口、螺栓孔等一些凹凸面产生的色彩和纹理信息，利用交会原理进行匹配拼接，利用相对定向与绝对定向综合出物体的三维曲面轮廓照片，本发明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，施工投入经济合理。

Description

一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法

技术领域

本发明属于盾构施工测量技术领域，尤其涉及一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法。

背景技术

在城市轨道交通建设过程中，由于施工、测量和水文地质等原因，使得成型隧道与原线路线型产生偏差。在以往地铁施工中获取调坡调线所需断面数据时，采用常规测量方法采用全站仪或断面仪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。且全站仪或断面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，为完整体现变化较大区域的数值时，往往需要重复测量。且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。

实测数据能否真实准确反映区间隧道的整体形态是调坡调线工作中至关重要的，是在城市轨道交通的土建结构工程基本完成，铺轨工程及区间两端人防门、防淹门尚未开始施工前必须进行的一项重要工序。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种施工工期短、费用低、安全质量有保证的采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法。

本发明的技术方案是：

一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，所述方法包括如下步骤：

1）使用三维激光雷达对盾构区间隧道按照100万点/秒的分辨率进行扫描，获取盾构区间隧道的三维信息，设立公共标靶球，多测站多角度对盾构区间隧道进行扫描，获取空间数据信息；

2）利用二维摄影机对盾构区间隧道摄影获取色彩和纹理信息，获得的相片来解求被摄物体的空间坐标；

3）三维激光雷达数据与二维摄影机相片进行拼接，利用盾构区间环缝、封堵口、螺栓孔等一些凹凸面产生的色彩和纹理信息，利用交会原理进行匹配拼接，利用相对定向与绝对定向综合出物体的三维曲面轮廓照片；

4）利用AutoCAD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；

5）将盾构区间整体的实测实量数据逆向构建出整个区间的模型，逆向构建主要将三维点云数据转换成3ds格式，在计算机中进行图像进行视图；

6）将构建好的地铁列车运行轨迹BIM模型转换成同类型文件，与实测数据构建的模型套进AutoCAD模块中，分析盾构区间隧道净空与列车运行轨迹的富余间距，综合评定区间的整体质量；

7）通过模型进行3D视图查看，利用颜色的区分，查找出富余偏距与设计偏距的偏差分布区域，通过模型进行调坡调线，将富余偏距与设计偏距达到最优，完成线路调坡调线优化。

作为优选，步骤1）中设置不少于8个标靶球，公共标靶球为每个扫描段衔接的共用的标靶球，作为特征点，每段衔接公共标靶球不少于4个，标靶球于圆形区间隧道与十字交叉4个点上，纵向延伸双向交叉布置。

作为优选，步骤2）二维摄影机以视轴为中心，对镜头范围内进行360°旋转拍摄，每段拍摄5~10m，每段搭接长度为2m。

作为优选，步骤3）中，采用三维激光扫描技术，对整体盾构区间进行扫描，扫描完成后，还要对扫描区域进行摄影拍照，获取色彩和纹理信息；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。

作为优选，步骤4）中，通过公共标靶球，将每段三维点云数据进行拼接，完成隧道点云数据拼接，导入施工测量坐标系，沿隧道中心线每隔5m生成一张断面切片，并以区间隧道里程命名断面切片，套进设计断面图进行分析。

作为优选，步骤6）中隧道整体的实测实量数据逆向构建出整个区间的模型，将构建好的BIM模型转换成同类型文件进行对比分析；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，分析出最大偏差，合格率，综合评定区间的整体质量。

本发明的有益效果是：

（1）摄影测量能够获取大量获取测量部位的几何信息和表面纹理信息，可进一步对构建的模型进行优化与去噪；

（2）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，利用模型约束空间限界，实现盾构区间三维线路重构，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；

（3）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、列车运行轨迹BIM模型比对，快速进行线性分析，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，后期可参与盾构运营期间的监测与三维模型进行比对分析。

附图说明

图1为本发明隧道区间测量分段图；

图2为本发明标靶布置示意图；

图3为本发明BIM模型与三维数据拼接示意图；

图4为本发明调坡调线示意图；

图中：1-第一区域、2-第二区域、3-第三区域、4-第四区域、5-第五区域、n-第n区域、6-标靶球、7-二维摄影机、8-三维激光雷达、9-区间模型、10-限界点、11-BIM模型、12-富余偏距、13-模型线路中心线、14-设计线路中心线。

具体实施方式

本发明的具体实施方式参见图1-4，一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，所述方法包括如下步骤：

1）将盾构区间隧道分为第一区域1、第二区域2......第n区域；具体为：将区间隧道分为第一区域1、第二区域2......第n区域，区域划分方法为：以小里程作为起点，每20m作为一个区间段，每个区间段利用三维激光雷达8进行三维激光扫描，每段区间重叠5m，如图1所示。

2）为了提高重建的精度和速度，需要在场景中放置标靶球6，设置不少于8个标靶球6，标靶球6于圆形区间隧道与十字交叉4个点上，纵向延伸双向交叉布置，在两个不同测站上，应至少4个公共标靶球，公共标靶球为每个扫描段衔接的共用的标靶球。标靶球6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作以提高数据精度。

3）利用三维激光雷达8，对待测物体关键部位（隧道的结构部位、监测点和控制点）进行细部扫描。定向对目标进行具体扫描时，从三维激光雷达视野范围中圈选出被扫描物体，按照100万点/秒的分辨率进行扫描。

4）扫描完成后，对扫描区域进行拍照，获取色彩和纹理信息。通过二维摄影机7以视轴为中心，对镜头范围内进行360°旋转拍摄，每段拍摄5~10m，每段搭接长度为2m。

5）三维激光雷达数据与二维摄影相片进行拼接，利用盾构区间环缝、封堵口、螺栓孔等一些凹凸面产生的色彩和纹理信息，利用交会原理，进行匹配拼接，利用相对定向与绝对定向等综合出物体的三维曲面轮廓照片。

6）原始扫描获取的激光雷达点云构成无数具有灰度或者彩色信息的空间点阵，转换为空间直角坐标的表达形式。然后通过迭代，把最低高程的数据点进行加密，对地面点进行过滤。把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。

7）沿隧道中心线每隔5m生成一张断面切片，并以区间隧道里程命名断面切片，套进设计断面图进行分析中心线拟合与断面剖切效果。隧道洞体接口情况应在洞体断面变化处设点，在该点前后 0.5m 范围内分别测量横断面，并注明接口点的里程，区间隧道测量10 个限界点10，其中底板面、顶板底各 1个限界点10，左右侧分别测量轨道面、疏散平台面、水平半圆面、车顶限界面4个限界点10。里程断面需加测曲线五大桩、区间隧道起、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、站台两端起、终点、站台面宽度变化点，站中心点。

8）利用AutoCAD软件进行断面切片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，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中心线分别量取断面切片信息，并记入相应成果表格中，作为原始数据保存。

9）基于隧道整体的实测实量数据逆向构建出整个区间模型9，将构建好的地铁列车运行轨迹BIM模型11转换成同类型文件，与实测数据构建的区间模型9合并，分析盾构区间模型9与地铁列车运行轨迹BIM模型11各限界点10的富余间距12。通过模型进行3D视图查看，利用颜色的区分，查找出富余偏距12与设计偏距的偏差分布区域，偏差=富余偏距-设计偏距，大于0的为上偏差，小于0的为下偏差，计算最大上偏差、最大下偏差、平均偏差、标准偏差并生成3D偏差图表。3D偏差图表内容包括，各限界点10最大上偏差、最大下偏差、平均偏差、标准偏差。利用偏差分布情况，通过模型线路中心线13进行设计线路中心线14的水平及纵向线形调坡调线，直到将各项偏差数据达到最优，完成线路调坡调线优化。

本发明所述的方法，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，施工投入经济合理，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。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，其特征在于：步骤1）中设置不少于8个标靶球，公共标靶球为每个扫描段衔接的共用的标靶球，作为特征点，每段衔接公共标靶球不少于4个，标靶球于圆形区间隧道与十字交叉4个点上，纵向延伸双向交叉布置。

3.根据权利要求2所述的采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，其特征在于：步骤2）二维摄影机以视轴为中心，对镜头范围内进行360°旋转拍摄，每段拍摄5~10m，每段搭接长度为2m。

4.根据权利要求3所述的采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，其特征在于：步骤3）中，采用三维激光扫描技术，对整体盾构区间进行扫描，扫描完成后，还要对扫描区域进行摄影拍照，获取色彩和纹理信息；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。

5.根据权利要求4所述的采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，其特征在于：步骤4）中，通过公共标靶球，将每段三维点云数据进行拼接，完成隧道点云数据拼接，导入施工测量坐标系，沿隧道中心线每隔5m生成一张断面切片，并以区间隧道里程命名断面切片，套进设计断面图进行分析。

6.根据权利要求5所述的采用激光雷达辅助盾构区间调坡调线测量施工方法，其特征在于：步骤6）中隧道整体的实测实量数据逆向构建出整个区间的模型，将构建好的BIM模型转换成同类型文件进行对比分析；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，分析出最大偏差，合格率，综合评定区间的整体质量。