发展轨道交通特别是地铁是解决大城市乘车困难,缓解道路拥挤的有效手段。随之而来的地铁隧道安全问题日益受到关注,如何高效、准确地监测地铁隧道变形是地下工程研究的热点和难点问题之一。地面激光扫描技术因其具有获取数据周期短、扫描场景完整、精度高、无接触、不受环境限制等优势,已被广泛应用于诸多领域。将其应用到地铁工程安全监测,可为地铁工程安全监测、运营管理提供重要的技术支撑。本文将地面激光扫描技术应用于盾构地铁隧道安全监测,依据盾构隧道点云数据特点,研究了基于点云数据的隧道安全监测方法。本文主要研究内容与成果如下:(1)研究提出了盾构隧道地面激光扫描工作基准点与测站点的布设、扫描分辨率与扫描质量设置、点云数据采集方法,分析了隧道点云数据特征等。(2)针对盾构隧道直线与曲线混合问题,提出基于“空间转化”的隧道混合线型分割方法。通过空间转化,将隧道轴线混合线型分割问题转化为正切空间中的单一线性识别问题,准确地将直线段和曲线段隧道点云进行了分割。(3)研究了基于点云数据的盾构隧道断面提取方法,依据分割后盾构隧道点云数据,提出了基于局部圆柱面拟合插值的隧道断面提取方法。首先在法平面内以轴线为中心在360°方向上构造射线,然后将每条射线一定范围内的隧道点云单独拟合成圆柱面,计算射线与圆柱面的交点作为隧道断面点;采用RANSAC算法拟合柱面方程,有效地抑制了噪声、点云缺失等点云缺陷对断面提取的影响。因采用了更贴合隧道表面几何形状的圆柱面方程构造隧道断面,提取的隧道断面更精确。(4)研究了通过圆形断面形式将三维隧道点云展开为二维灰度图像的方法,以断面重采样形式恢复隧道点云断面间及断面内的顺序关系,基于这一顺序关系有效地将TLS隧道点云数据展开到二维平面上,克服了曲线段隧道点云展开后发生变形的问题,实现了在二维反射强度图像上检测隧道管片渗水及脱落等现象。(5)研究了隧道点云在逐环和逐管片尺度上的分割方法,该方法利用(4)中隧道点云向二维图像展开方法创新性地将隧道点云几何特征展开到二维平面上,在此基础上利用管片拼接缝点云作为隧道环间的分割线,完成环间尺度的分割,利用封顶块的螺栓孔分布特征,逐环识别出封顶块的位置,然后依据以封顶块为基准的环内管片排列关系确定其他类型的管片位置,从而完成管片尺度上的分割,可有效识别管片错台现象。(6)分别以南京市和常州市某地铁隧道为例,实地采集隧道点云数据,对其进行试验分析。试验分析结果表明,本文提出隧道断面提取方法能够有效地识别隧道收敛情况,在点云密度为6mm/10m情况下,断面提取精度达到1.40 mm,与设计半径相比,断面提取精度为1.60mm;本文提出的隧道点云分割方法不受隧道点云噪声、缺失的影响,对点云密度不匀质的情况也可以有效分割点云,能够有效地识别出管片病害和错台现象。