1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 昆明 6500512.昆明轨道交通集团有限公司 昆明 650011
摘要：地铁交通是大中型城市基础设施，地铁的安全运行关系到一个城市的建设、管理水平和城市声誉，同时直接影响人民群众的生命安全，其重要性不言而喻[1]。在其建设和运营的全生命周期内，隧道结构的安全至关重要，对其进行检查和监控是一项必不可少的工作[2]。传统检测手段主要有测量机器人、静力水准、应力应变传感器以及人工巡检，传统方法不足之处在于费用高昂、不能实现高精度全覆盖三维检测，仅能提供若干单一断面的检测情况，对地铁结构的安全检测不全面。
关键词：地铁；三维激光；点云；检测
近年来，随着科学技术的发展，非接触式测量手段越来越多的运用到工程建设的各方面，其中，三维激光扫描测量即为有代表性的一种高新技术[3]。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据[4]，可以快速、大量的采集空间点位信息，实现了从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。
1、检测原理
三维激光扫描数据获取原理与全站仪（测距测角原理）类似，均采用非接触式测量[5]。工作方式可分为车载式、手持式、背包式、架站式，通过脉冲激光在横轴和纵轴方向进行扫描，扫描视场范围内的被检测体，进行坐标定位和点云数据采集，具有数据获取速度快、定位精度高、全景覆盖的优点[6]。
2、投入仪器及工作模式
项目投入仪器为安伯格GRP5000移动式扫描测量系统，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[7]。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。
GRP5000系统涵盖GRP1000及GRP3000的所有功能[8]，该系统主要工作模式如下：
（1）连续测量模式：在这种模式下，数据的记录是连续的，一旦记录开始，就要推着轨检车以一定速度进行。
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图2 续测量模式 图3 间隔测量模式
（2）间隔测量模式：用户推着轨检小车以一定的速度沿着轨道前进。在测量之前，用户先设置好“参考里程”、“间隔距离”和“带宽”等参数[9]。每个单独的横断面是一段距离上的最小断面。
3、系统功能
项目投用三维激光扫描系统主要具备以下功能：
（1）隧道限界及轨道周边全息成像
采用不同的扫描模式对隧道任意位置限界进行高精度测量，根据不同区段采用不同限界（如：地铁车站采用列车限界，地铁区间隧道采用设备限界）进行连续测量，并可在现场测量过程中进行实时显示[10]。同时在测量过程中对轨道周边进行激光全息扫描并形成图像，用以判断轨道周边设备状况。
（2）隧道衬砌表面病害调查（裂缝、掉块、渗水等）
GRP5000系统以500000点/秒高速扫描，满足对衬砌表面详细检测、记录的需要[11]。每次测量的数据不仅包含三维坐标信息，还包括颜色信息，同时还有隧道衬砌表面反色率的信息[12]，这样全面的信息能真实再现隧道衬砌表面的画面，提供丰富视觉信息。
（3）轨道几何参数测量
①绝对几何参数：轨道中线坐标、轨面高程与设计坐标和高程的偏差[13]；
②相对几何参数：轨距、水平（超高）及其偏差和变化率，轨向和高低偏差及长短波不平顺等[14]。
4、检测分析
（1）昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站检测
①隧道表面病害统计分析
羊肠村站至司家营站第一期检测里程（K003+321.54~K003+570.53）表面病害共计27处，包括：洇湿5处，面积0.2㎡；错台13处；裂缝8条，长度2.63m；管片破损1处，面积0.01㎡。其中，在里程：K3+379、K3+403、K3+407、K3+411、K3+441、K3+454、K3+528处路面有裂缝，检测结果如图4所示。
羊肠村站至司家营站第二期检测里程（K003+191.84~K003+570.53）表面病害共计48处，包括：洇湿14处，面积3.27㎡；错台20处；裂缝10条，长度3.77m；管片破损4处，面积0.09㎡。其中，在里程：K3+379、K3+403、K3+407、K3+411、K3+441、K3+454、K3+528处路面有裂缝，检测结果如图5所示。
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图4 第一期检测 图5 第二期检测 图6 第三期检测
羊肠村站至司家营站第三期检测里程（K003+249.24~K003+559.27）表面病害共计44处：洇湿12处，面积2.26m2；错台17处；裂缝11条，长度4.23m；管片破损4处，面积0.09 m2。其中，在里程K3+307、K3+379、K3+403、K3+407、K3+411、K3+441、K3+454、K3+528处轨面有裂缝，检测结果如图6所示。
②隧道净空收敛分析
对隧道断面进行连续扫描，每个断面共计达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三次复检，均未发现侵限现象，断面检测结果如图7所示。
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图7 检测断面报告
③隧道3D断面分析
昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站隧道检测的区间以2米为间隔提取断面，将提取的断面与设计断面进行对比，根据断面里程制作两个侧视图和两个俯视3D断面图。通过分析可知每次实测断面与设计断面的断面变化差值，检测结果如图8所示（注：黄色表示实测断面比理论断面小，可理解为欠挖；绿色表示实测断面比理论断面大，可理解为超挖）。
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图8 3D检测分析
通过对羊肠村站至司家营站区间进行3次断面对比分析可知：本次检测的相同区间内，实测断面与设计断面存在少许偏差，断面变化量较小，无明显异常，隧道基本稳定。
④断面形变分析
前后三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20个断面进行叠加对比。通过断面对比分析可知：羊肠村站至司家营站三次断面对比无明显变化，三次断面的径向差值没有明显差异，表明该检测范围内隧道形变无异常。典型检测结果见如图9所示（注：图中蓝色断面是第一期检测的断面，白色断面是第二期检测的断面，绿色断面是第三期检测的断面）。
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图9 断面形变分析
表1 三次检测地铁病害、新增病害统计
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综上所述：昆明地铁2号线羊肠村站至司家营站，提取前后三次相同扫描区间（K3+321.54~K3+559.27）进行对比分析。三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0.01 m2；裂缝9条，面积3.08 m2。三次检测出地铁病害、新增病害汇总如表1所示。
通过三次检测对比，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0.89 m2。通过三次检测对比，未发现原有病害发生明显变化，新增病害较少。其它数据包括断面、限界、椭圆度、错台和轨距等均未出现异常。
5、结论与展望
与人工观测方式相比本文的研究成果可有效缩短观测和数据处理工作时间、提高检测工作效率、降低综合费用。与常规自动化检测方式相比本文研究成果可有效降低设备投入费用，获取更为全面的隧道结构病害信息数据，且本文研究成果能获取整条隧道的全覆盖三维变形、渗水、侵界、开裂、破损、掉块等数据，满足了地铁运行期隧道病害检测的应用需求。
三维激光扫描检测系统的建立满足了现阶段地铁安全施工及运行管理要求，具有高效快速、智能及可视化的功能，将提升地铁检测管理水平和层次，带动地铁行业检测技术的发展和提高，具有行业的先进性和引领性。因此，推广价值和市场前景广阔。
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