上海融测空间测绘有限公司 上海 200333
摘要：隧道完成土建施工后，为了检查成形隧道是否满足行车限界要求，需要对隧道断面进行施测，以便设计确认限界及后期调坡调轨。由于隧道内交差作业施工，影像测量数据质量及进队，本文主要以苏通GIL综合管廊工程中隧道贯通后对断面测量中常用的全站仪三维坐标法与3D激光扫描法在数据质量进行分析，在结合现有数据拟合轴线与设计轴线的比对以及与施工单位的实测数据进行比对进行分析以寻求更加高效可行的方法。通过分析可以看出3D激光扫描法在数据精度上完全满足规范要求，并可以大大提升工作效率。
引言：对在断面测量方法中常规全站仪三维坐标法与三维激光扫描法进行对比，评判三维激光扫描法是否满足规范要求。为今后在同类项目中寻求更适合的测量方法。
关键词：三维激光；云数据；隧道工程；苏通管廊
数据来源
依托参与项目苏通GIL综合管廊工程三方测量项目，对施工方使用的全站仪三维坐标法获取的数据与我方采用的3D激光法取得的数据。此工程主要包括江南工作井(含辅助建筑)及施工通道，江北工作井(含辅助建筑)，江中盾构隧道土建工程，设计范围内永久工程长度为5530.5米，其中盾构段5468.5米，江南工作井32m，江北工作井30m，施工通道为临时工程，长度为220.166m。隧道外径11.6m，管片厚度0.55m，隧道内净空10.5m，最大5%纵坡。
MTO米度隧道断面软件（竖曲线参数）
作为第三方测量单位主要完成隧道贯通测量、断面测量、南北岸工作井及辅助建筑测量、找平层及轨道施工完成后隧道竣工测量。断面测量须按业主要求及时进行，直线段每9环测量一断面，曲线段适当加密（平曲线和竖曲线重叠段每2环测量一断面，其他曲线段每3环测量一断面）。竣工测量应包括隧道轴线平面偏差、高程偏差、衬砌环椭圆度和隧道断面测量等。
根据项目内要求我司组织技术方案的编制，其中对断面测量及竣工测量中要求体现隧道轴线偏差两块工作内容进行充分分析后，决定采用3D激光扫描法对施工掘进期间的隧道进行全断面隧道，后期可根据设计及施工需要在3D激光扫描点云数据中提取任意断面数据。
测量方法
施工方依托项目部测量部对管廊隧道施工掘进期间采用全站仪三维坐标法进行断面采集，第三方测量单位采用3D激光扫描法对施工管廊隧道进行全断面扫描。项目结束后组织专家评审，对第三方测量工作进行评审。
全站仪三维坐标法（图一）：利用全站仪徕卡TS60，及机载断面测量软件，采集外业断面数据。然后数据通过MTO断面处理软件批量处理得到成果数据。采用全站仪直接测取断面上限界控制点的三维坐标，并记录在全站仪的数据采集器内。
全站仪三维坐标法外业测量时，不用每个断面设站，可以一次性测量多个断面，仪器可架设在中线点上，也可以架设在控制点上，受限制条件相对较少；内业利用软件进行数据计算，计算完成后，依据计算结果绘制横断面图，并提供限界控制点坐标、横断面尺寸以及与设计值的比较成果等一系列所需成果资料。
3D激光扫描法（图二）：利用Trimble SX10全站式扫描仪对隧道内以每站70米左右的间隔进行全断面扫描。Trimble SX10单一仪器同时捕获高精度的全站仪测量数据和真正的高速3D扫描影像，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。随后通过采用商业软件TBC软件对扫描数据进行提取，后数据通过MTO断面处理软件批量处理得到成果数据。
3D激激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。后处理采用商业软件进行。三维激光扫描法是新兴的高科技手段。
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全站仪三维坐标法
3D激光扫描点云数据
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3D激光扫描点云实景
二、数据精度分析
3D扫描的技术进行断面限界测量，理论上可以生成任意里程上的断面，但是由于现场环境的影响，部分环片被挡住。对于遮挡不是很严重的环片，我们可以通过已有数据进行拟合，或者使用相连环片的数据代替，以下从三维点云精度、3D扫描法与全站仪极坐标法精度比对、现有数据拟合轴线与设计轴线的比对以及与施工单位的实测数据进行比对进行分析。
三维点云数据精度：
三维点云的精度受到地下平面控制、高程控制以及扫描仪本身的精度影响，根据误差传播定律，可以将三维点云精度误差方程表示如下：
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上式中 为平面控制网引起的误差， 高程控制网引起的误差， 为扫描仪本身精度引起的误差，平面控制网和高程控制网分别以平差后最弱点的中误差代入计算（ ），扫描仪代入其标称精度（DR模式：2+1.5ppm），计算可得 =9.6mm。本次扫描仪每站扫描前后各50米，从重复设站处的点云厚度来看，不同测站上的点云存在5mm左右的误差，进一步验证扫描仪的设站精度达到预设的精度要求。
3D扫描法与全站仪极坐标法精度比对：
在扫描仪进行全断面扫描的时，同时用全站仪随机抽取几条断面进行全断面测量，每个断面测量点不少于30点。内业数据处理时根据全站仪里程在扫面点云提取相应断面点云数据导入MTO软件进行空间圆拟合，比对其与设计轴线的较差值，来分析两种方法的精度，本次共随机抽取了9条断面，两种方法数据较差表，从表中数据可以看出两种方法较差中误差6.8mm，小于规范要求的10mm的中误差的限差要求。
两种方法数据较差表
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与设计数据比对分析
将扫描的三维点云数据按照4m里程间隔切取断面数据，并导入到MTO软件进行空间圆的拟合，计算时剔除一些初差大的点（一般5cm）计算出该断面的实际圆心，各圆心的连线即为实测轴线，再与相应的设计轴线进行比对分析。从统计图表上可以看出隧道的中心的平面偏差大于竖向偏差，本次共计对比1370个断面，轴线平面偏差大于50mm约占64.9%，部分平面平差大于200mm，里程约在1500~1800之间，平面最大偏差205mm对应里程K+0205.000。高程偏差相对较小，83%的集中在50mm以内，最大偏差98mm，对应里程K+0180.000。
与施工单位数据比对分析
第三方测量的同时，施工方也同步测量，采用全站仪极坐标法，施工方测量共计提供367条断面。因为施工单位部分点位数据缺失，数据不具备可比性，后经过我方MTO隧道软件处理后，数据可以进行比对（排除部分里程对应不上的断面），最终341个断面具有可比性。
首先对施工单位的数据进行拟合，把圆度大于5cm的断面进行剔除，共计剔除48条断面，对余下的319断面进行比对，发现有25条断面比对部分位置初差大于5cm，对双方数据进行进一步核查，发现其中24条由于施工单位部分关键点数据缺失（遮挡）或者部分点误差较大，导致圆度虽然不大于，但是在2-5cm之间，导致比对数据超5cm；1条断面数据疑似我方数据问题，经确认现在由于施工期控制网标志原因，我方点云出现偏差，最终比对268条断面数据。971组L数据、971组H数据,从比较结果可以看出H组数据基本在10mm之内，所有在此不作分析。我们针对L数据具体分析，与施工单位比对较差统计图如下：
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与施工单位比对较差统计图
数据质量对比结论：根据测绘成果质检检查与验收GB/T 24356-2009中4.2检查验收依据，在同等精度检测是，中误差计算按照以下公式执行：
在此基础上，我们对误差在3-5cm之间的37条断面进一步进行比对分析，发现31条是施工方虽然拟合圆度较好，但是因为点位集中在顶部，分布不好，导致比对误差较大，6条断面，我方点云数据取舍存在一定问题。
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从整体比对结果来看，我方自己的检测断面的数据与扫描数据的误差较小，均在1cm之内，施工方数据由于一站多断面的方式，可能存在部分关键点缺少或飞点的情况，所以检核精度稍差一些；综上所述，我方目前提供数据比对中误差在1cm之内，部分断面存在粗差（超过3cm），粗差率在4%之内，基本满足规范5%限差。
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三、发展前景
3、1依据在数据预先处理之后所产生的云端数据内容，能够通过计算机工程软件的计算处理得到相应的地铁隧道内壁三维模型，即使是对于已投入实际运营的地铁项目工程亦可将其当前所有的相关设施内容均纳入到三维立体模型当中 ，从而为今后隧道施工与维护提供更加详实的数据资料。
3、1根据模拟出来的隧道轴线即为实际的隧道，将轴线的三维立体模型同初始设计图纸的数据参数进行对比，能够判断出其地铁隧道轴线的整体位置改变状况，及对其所可能会发生的移动趋势作出相应的预测，从而将其应用于紧急状况下的地铁、综合管理等实际运行管理当中。
四、分析结论
根据本文上的几个方面论证，同时结合近年国内外对3D激光扫描技术的研究和工程实践证明，3D激光扫描技术技术可以满足于多种测量项目，包含地下工程例如地铁、隧道公、铁路、综合管廊。测量效率大大提高，对施工过程中人力、物理的投入大大减少，精度指标完全达到计算规范的相关要求。
参考文献：
[1] 赵韦森;基于三维激光扫描技术的隧道收敛分析研究;西安;长安大学,2011.
[2] 黄志威;三维激光扫描仪在隧道断面检测中的应用；科技创新与应用;2019
作者简介：刘苏航 1988.09，男，汉族， 山东人，临沂大学，本科学历，测绘工程专业，从事测绘专业，测绘专业，参与测绘工作多年。