文摘
鉴于隧道塌方的缺陷和施工控制和主支持截面积检测如单身意味着,工作量大,效率低,和可怜的准确性,使用三维激光技术可以解决上述问题。基于北京-张家口长城八达岭隧道地下车站的铁路、三维激光扫描技术是用于分析隧道塌方的分布和施工和截面积的主要支持,相比之下,全站仪测量的结果。结果表明,扫描测量站的布局应考虑扫描精度的要求,控制车站长度和扫描入射角,减少扫描站长度减少扫描错误。大多数的隧道部分塌方,塌方区从6.22到13.17和超爆率从0.283到0.598,施工的面积相对较小;没有发现overexceeded空间的主要支持,以及隧道拱顶塌方。库的主要支持间隙值是0∼15 ,侧壁是35的间隙值∼40 ,需要二次喷射混凝土边墙。三维激光扫描测量之间的差值数据和全站仪测量数据在3 ,这是在误差范围内,表明三维激光测量的有效性和可靠性的结果。
1。介绍
塌方和施工中是不可避免的在隧道施工钻孔和爆破方法和影响隧道施工质量和隧道经济。隧道塌方将导致增加渣量和喷射混凝土施工;隧道施工导致隧道净空不足和需要二次开挖和可能再次导致超挖,都将会被延迟的发展建设和增加建筑成本(1]。同时,隧道塌方和施工的严重,这将影响围岩的压力和隧道结构的可靠性2]。隧道主要支持间隙监测是衬里质量控制的一个重要组成部分。主要支持清除入侵二次衬砌限制导致减少二次衬砌的厚度,导致隧道力量的缺乏(3];主要支持入侵限制需要进行临时支撑加固,径向注浆加固,甚至改变拱,严重影响隧道施工进度,增加建设成本(4]。太大的主要支持间隙导致二次衬砌增厚,增加衬砌刚度和星体的抗弯强度和减少衬砌(5]。
传统方法检测隧道塌方和施工隧道间隙包括特写摄影、全站仪测量位置,和人工观测(6]。特写摄影的方法建立一个测量站的隧道,布置测线,拍手掌表面三个角度,分别获得三维图像,然后将其和设计开挖部分获取隧道削弱(7]。全站仪测量的部分通过测量几个点在同一节中,和个人获得的数据来估计隧道塌方和施工条件新出土的部分。传统方法有缺点,比如大型测量工作量,少量的点,精度低、效率。人工观察是一种补充方法上面的方法,更主观的,需要更多的隧道施工的经验。三维激光扫描技术的比较和传统隧道测量方法如表所示1(8,9]。
三维激光扫描正越来越多地用于隧道工程(10,11少),但在地铁车站施工研究,在地铁站腔组和应用研究高速铁路隧道尚未涉及,本文具有重要的工程参考意义。本文运用法关注的3 d S120 3 d扫描仪系统。
2。工程背景
新北京-张家口铁路是一个国家重点建设项目计划和执行的总长度为173.964 ,东部部分Beijing-Lanzhou通道,八纵八横通道之一。八达岭长城站位于新八达岭隧道的JZSG-3部分铁路。八达岭长城的地理位置如图1。
站的总长度是470 ,地下建筑面积36000 ,和设备的总长度的洞穴群是7190 。车站和隧道之间的过渡是实现通过大跨度从双线过渡段四行两端的八达岭长城。空间站的过渡段的长度是163 ;车站和隧道的最大横截面积是494.4最大跨度为32.7和身高19.5 。洞室群的分布在八达岭长城车站图所示2。大跨度过渡段围岩差,使施工非常困难。
3所示。三维激光应用解决方案
摘要法重点3 d 120使用三维激光扫描仪,这外部的速度20米每3分钟,和激光发射密度有976000点/秒。每个站的测量时间是2到5分钟的准确性2(10%反射)和0.6的准确性(反射90%)当入射角是零25 。扫描半径范围是0.6∼150 。然而,距离越远,越稀疏的扫描点云精度越低。扫描频率是122 - 976 ,905年和激光参数 ,20 ,3 r类。扫描仪的具体参数如表所示2。
三维激光扫描系统包括(见图3)三维激光扫描仪(a),一个特殊的三脚架(b),两个球棱镜(c),和四个拼接球体(d)。三维激光扫描仪系统通过全站仪是用来测量球棱镜目标,实现全球定位的三维扫描数据,用三维坐标定位,以方便后来的点云数据拼接准确,与横截面数据和比较。拼接领域作为定位参考点,和定位精度为0.1毫米。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.1。三维激光扫描程序
3.1.1。三维激光扫描应用程序的过程
地铁车站的激光点云数据大纲收集、定位目标1的绝对坐标与全站仪。扫描站之间的距离是40米,和扫描时间是2∼5分钟。进口的绝对坐标位置的目标,缝合多点隧道点云数据初始化,压缩地铁站进行点云数据。处理点云数据,生成隧道塌方和施工云映射和隧道净空高度检测云地图,自动生成报告。
TK-PCAS隧道激光扫描信息系统是一个由成都Tianyou Tunnelkey有限公司,有限公司,已成功地应用于许多铁路隧道项目,包括北京-张家口高速铁路八达岭隧道和Chengdu-Guizhou Yujingshan隧道的铁路。三维激光扫描的应用程序进程地铁站隧道如图4。
3.1.2。三维激光扫描测量领域
3 d扫描仪扫描的原理图如图5。参考点的实际坐标是已知的,确定的绝对坐标定位目标通过全站仪释放的定位目标1。定位目标的目的是提供绝对坐标激光点云;虽然定位领域为点云数据收集的相邻扫描站是快速、准确地拼接,定位目标1的测量范围内应该扫描站1和扫描站2,和新的定位目标2后应安排扫描站2;通过点云扫描站2之间的相对位置关系目标1和目标2可以确定,确定的绝对坐标定位目标2坐标。
三维激光扫描现场测量的详细步骤如下:步骤1。把定位目标1的洞站来衡量,画一个测线坐标参考点从车站外测量目标1,并确定目标1的绝对坐标。步骤2。设置扫描测站1在20米的测量方向孔,设置法集中3 d 120;定位两边球1和2被放置在40米测量孔的方向;后来识别方便,应该有一定的高度,两个球之间的区别。步骤3。打开激光扫描仪和开始测量,激光扫描后360度水平,测量完成后;保存的3 d点云数据和检查车站点云在显示地图。步骤4。测量站1扫描完成后,激光扫描仪在扫描方向移动40米;设置扫描测量站2,测量的方向继续推进20米两边放置定位3和定位球4球,球球1定位和定位2仍然存在。步骤5。继续测量,保存三维点云数据,并检查车站点云地图了。步骤6。重复以上步骤直到车站的内部轮廓完全扫描。
3.1.3。三维激光扫描站分布
由于隧道是一个狭窄、封闭的空间结构,使用三维激光扫描仪进行扫描隧道部分应充分考虑隧道点云的不均匀分布。合理的车站规划可以减少它对点精度的影响。同时,运营成本等因素也应该被考虑。
设计图纸的基础上长城站和洞穴的布局集群,并考虑到扫描精度影响因素,地下车站分为测量38区和安排20站(扫描的扫描范围测量站在同一里程扫描测量区)。扫描仪站位于测量的中心区域。图6显示扫描区域的分布在长城八达岭隧道。
当3 d扫描仪采用高分辨率模式时,测量精度在20米的距离是2毫米,测量区长度l需要40米,宽度H获得根据隧道截面投影的宽度,在隧道部分投影宽度测量区1是15米,和隧道部分投影宽度测量区6 8米。通过计算,最低计量准确度站1是2毫米,满足设计要求的最低精度;站的每一层的宽度是2毫米。区域布局是一样的;基本上每个调查区域的准确性也知道;调查地区6为例,计算后的3毫米的最低精度,它完全符合隧道施工精度的要求。
3.2。三维激光数据处理优化
通过软件TK-PCAS隧道激光扫描信息系统大量的3 d点云测量数据自动处理的速度不到20分钟,产生激光扫描图像,并提供准确的定量分析报告。
3.2.1之上。测量精度优化
扫描站分配需要考虑的最低要求扫描点的准确性,选择适当的分辨率,车站位置和控制扫描时间在合理范围内。
激光扫描仪的扫描精度是由三个因素决定的:(1)角分辨率φ:角分辨率决定了激光点云的密度,在相同的测量距离、角分辨率越高,更高的激光点云的密度和测量精度就越大。(2)测量面积大小一个:测量面积大小包括长度l和宽度H测量的面积,从而导致入射角和测量距离年代从扫描角测量。(3)激光的足迹D:激光足迹的直径D将发散的随着测量距离的增加;测量距离越远,直径激光足迹越大,测量精度越小。
扫描仪站位于中心的测量区域(如图7),四个角落的扫描测量精度是最糟糕的。点的错误发生在某些法律,后角的变化和误差变化有一定的限值;当入射角是固定的,点的误差与测量距离的增长(增长线性12]。当发病率的距离是固定的和入射角对测量精度的影响,在点云的错误 在哪里是扫描入射角;是错误的点云的迎角吗 ;和是错误的点云的入射角0。
假设隧道轮廓是一个矩形掩埋式投影如图,法激光扫描仪位于隧道中心轴的交点,和测量点最大入射角位于拐角点一个。最大扫描角测量站范围内的发病率 在哪里最大扫描角范围内的发病率这站;l隧道轮廓投影的长度,称为车站长度;和H隧道断面投影的宽度。激光反射率越高,激光精度越大。下图显示了隧道测量的准确性,当激光反射是10%和90%,分别。
图8(一个)显示了激光扫描点云的三维视图获得的哈维尔·Roca-Pardinas [13]。图8 (b)显示了激光扫描点云的扩张以及隧道的中线。隧道是一个圆截面半径为5厘米,和三维激光扫描仪在隧道位于中线。数据显示,在20米范围内扫描站,点云密度的分布并不均匀。的点云密度扫描仪所在地是最大的部分,和四个角点的密度云最远的扫描仪是最小的。
(一)
(b)
Delaloye [14建议站距 ,根据方程(2), 。从图9(一个),可以看出隧道应该在25米的激光测量距离在不利条件下(反射率10%)以满足扫描精度要求。众所周知,从方程(2)和图9 (b)错误只开始大幅上升,当入射角大于65°。当 , 。由于实际隧道施工现场条件下,激光扫描仪可能不是完全建立在隧道的中心轴,所以车站间距是推荐服用 。
(一)
(b)
3.2.2。点云噪声优化
由于空气质量差,灰尘密度高,大粒子隧道,施工人员和施工机械的存在,有自然噪声点激光扫描。测量仪器会产生一系列的错误在收集数据的过程中,和三维激光扫描仪也不例外;它收集点云数据包含不必要的冗余点和噪声点和有效的点云。冗余点和噪声不仅会用的点云数据量也是影响点云数据的应用程序。因此,对于地铁站蛀牙的特点,进行点云去噪的优化研究是基于kd tree拓扑和邻域搜索技术。
(1)kd tree拓扑和邻域搜索。目前,主要有两种方法来创建点云社区:构建欧几里得社区欧几里得距离和构建k社区通过寻找k最近的相邻点(15]。点云邻域搜索方法只适合点云与更均匀分布;的k社区建设通过寻找k最近的邻居适用于隧道纵向点云密度不均。
的基本原理k社区搜索计算的距离从一个点到所有其他分开点,然后根据距离的点按升序排序,最后把顶部k点的k最近的邻居点的点。利用kd tree分区整个点云场景使它更高效的搜索邻近点的过程中找到k社区(16]。
kd tree从二叉树是一种广义的搜索到多维数据。k表示空间维度,所以kd tree也被称为k维搜索树。构造一个kd tree最快的方法是使用快速分割方法分类将根节点上的值指定的维度,将剩下的点与更小的值比之前的节点在这个维度在左子树和那些更大的值比之前的节点的右子树。然后,重复这个过程在左和右子树直到最后分类树只包含一个元素。
(2)激光云地图降噪方法。激光点云孤立噪声过滤的步骤基于kd tree包括组织基于kd tree的激光点云,发现k最近的邻居,其次,过滤孤立噪声统计特性的基础上,之间的距离及其几个孤立的噪声点k最近的邻居。
假设中间的距离k最近的邻居的激光点大约满足正态分布,那么99.73%的点会落在这个区域(如图10),点在这个范围将被视为有效的点,只有极少数点不符合条件将落在范围之外,这些点将被视为噪声点被删除。以这种方式通过设置阈值,阈值可以自动计算根据数据大小,没有人工的重复设置,提高了效率和速度。
如果平均距离的k最近的邻居的激光点我是D,然后
标准偏差年代是
当 ,它是一个有效的激光点;否则,它是一个孤立的噪声点和自动过滤掉。
(3)降噪效果优化。图11显示的三维点云图像隧道在操作期间。图(11日)显示了3 d扫描原始云图,图11 (b)显示了降噪处理后的点云。云图像中的噪声主要是建筑工人残差,突出对象内部衬里,噪音衬里剖面图,以及其他颗粒物影响激光成像。数字滤波前后的比较表明,隧道轮廓上所有的噪音消失,施工人员还杂波噪声消失,和噪音部分连接到底板附近的轨道也基本上消失,而隧道轮廓上的有效分节不明显误删除,不影响后续处理。
(一)
(b)
4所示。三维激光扫描的结果和分析
4.1。隧道塌方和施工检测
三维激光扫描技术评估隧道塌方和施工,隧道塌方的准确性和施工计算(包括开挖体积,体积超挖,隧道塌方和施工体积,有效挖掘卷)可以达到毫米级(6]。准确的隧道塌方和施工统计数据可以提供一个参考下一周期的钻探和爆破,从而实现控制超挖,避免underexcavation的目的。
数据收集经常建造隧道可以通过几个网站因素[有限10]。在尘土飞扬的隧道可以显著减少激光扫描点云的质量和扫描仪受到灰尘和水分,影响其使用寿命,所以尽可能扫描隧道开挖轮廓部分根据开挖进展,爆破后,机械结渣,和手动清洗。
摘要三维激光点云数据与开挖设计部门根据over-the-tunnel TK-PCAS系统分析在隧道塌方和施工条件。实际开挖部分被称为超挖隧道塌方和施工的轮廓设计隧道外的基准线和在基准线。已知的轮廓设计部门根据隧道的设计文档,和实际开挖轮廓分析的三维激光扫描点云。
图12云是一个扫描地图开挖剖面的里程范围DK68 DK68 + 459 + 455。积极的价值观(蓝色)显示超挖和负(红色)表示施工。图13表明,隧道塌方和施工中存在的开挖,隧道塌方的最大深度和施工中达到150毫米;超挖的小面积和施工中存在的中心金库,大约50毫米的深度;大部分的隧道开挖轮廓超爆的状态,与超挖的最大深度达到200毫米。
(一)
(b)
表3展示了部分的隧道塌方和施工规模统计DK68 DK68 + 459 + 455。
结果表3表明,该隧道横截面通常是在塌方,塌方区从6.22到13.17和超爆率从0.283到0.598不等。隧道施工的面积很小,隧道施工面积从0.15到0.43和施工率在0.007和0.019之间。
4.2。主要支持间隙监测
后一定距离的主要构造支持(一般40 ),隧道的间隙可以扫描和检查。扫描点云数据处理后,主要支持云表面轮廓图。通过比较分析点云表面轮廓和主要的设计部分的支持(包括预留变形量),主要支持间隙云地图。积极的间隙值表明,内部的点云概要设计部分的主要支持,没有达到设计极限。负间隙值表明外的点云概要设计部分的主要支持。
图14显示了3 d扫描数据的主要支持许可截面的里程范围DK68 + 409 ~ 449。三维激光扫描点云图所示(14日)下面,主要支持间隙如图14 (b)。图15显示了展开图的主要支持许可扫描云地图。
(一)
(b)
我们可以看到在图15,内部的点云概要设计部分的主要支持(间隙为正),截面积值为0 ~ 15穹窿,间隙值较大的侧壁的主要支持,35 ~ 40 ,和二次喷射混凝土边墙是必要的。地上部分的分析的范围。
根据施工现场条件,监测部分安排在一个间隔10在隧道的主要支持的表面,在每个监视和测量5点排列对称部分,位于顶部的拱门,左足弓,弓足上,左墙,和右墙。的测量结果的里程范围DK68 + 410 ~ DK68 + 449图所示16。3 d激光扫描可以获得完整的横截面轮廓的截面积,只在全站仪测量有限数量的点,隧道间隙值是积极的;即隧道整体轮廓没有打扰到二次衬砌设计部分。拱顶的间隙值越小,其次是两侧拱脚,侧墙的主要支持的最大间隙值。
(一)
(b)
(c)
(d)
从表中我们可以看出4的差值3 d激光扫描间隙和全站仪测量日期是在3 ,这是最大的错误的位置在左边的墙上,差异的绝对值是2.6 ,这是最小的错误位置在左拱脚,差异的绝对值是0.4,和3 d激光扫描的间隙值一般大于全站仪测量数据,因为不同的测量时间,隧道的差异反映了初始变形,全站仪测量的晚于3 d激光扫描。
5。结论
本文研究三维激光扫描技术作为监测隧道塌方和施工方法和主要支持批准建设的地铁车站隧道群,和主要结论如下。
隧道结构是一个瘦和长直线结构;扫描站布局考虑的具体要求扫描精度需要控制车站长度和扫描入射角。减少扫描错误,扫描站长度应该减少;两站之间的距离大约是40米,与一个站扫描半径20 。有4个角落的每个测量区域;最坏的扫描测量精度,经过计算和分析的最低精度站1是2 。的最低精度测量区6是3 ,这充分满足隧道施工精度的要求。车站间距建议 。
基于TK-PACS系统、隧道塌方和施工概要文件可以通过比较与截面设计,3 d扫描数据和结果表明,该隧道横截面通常是在塌方,塌方区从6.22到13.17 ,和隧道施工的面积很小。
通过扫描隧道主要支持截面积,我们获得的主要支持表面轮廓云地图,地图和隧道间隙检测云。结果表明,隧道主要支持不超过设计部分,拱顶部分的间隙值是0∼15 ,和侧壁的间隙值大,间隙值35∼40 ,需要两次喷射混凝土边墙。
比较的3 d激光扫描间隙和全站仪测量日期,不同的值是在3 ,这是在误差范围内。这个职位最大的错误是左墙一个值为2.6 ,和最小的错误的位置是左拱脚一个值为0.4 。
数据可用性
三维激光数据收集并用于分析可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作是支持的科技研究和开发项目的中国铁路公司(2017 g007-a),中国国家重点研发项目(2017 yfc0806000),和大数据驱动结构在危险的地质灾害预测和维护地区的海底隧道(51991395)。