激光隧道斷面儀在實腹式鋼筋混凝土拱橋檢測中的應用

張 斌，史冀波

（寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司，浙江 寧波315113）

0 引言

激光隧道斷面儀在隧道施工和檢測中發揮著重要的作用，其一般用于隧道施工過程開挖斷面檢測、工程限界驗收檢測以及隧道形變檢測等[1-4]。但在拱橋檢測中，規范規定一般采用全站儀和水準儀進行定點量測[5～6]，偶然性較大，且不易操作。本文嘗試采用激光隧道斷面儀對一座實腹式鋼筋混凝土拱橋進行檢測，并較為準確地測量出了拱橋的凈矢高、凈跨徑和內弧線偏差等項目指標。

1 橋梁概況

該橋梁位于余姚市新袁毛線K0+460 處（見圖1、圖2）。該橋為三跨9m+13m+9m 的實腹式鋼筋混凝土人行拱橋，橋梁總長（含兩端橋臺）41.8m。

圖1 新袁毛線人行拱橋正面圖

圖2 新袁毛線人行拱橋側面圖

上部構造為：

（1）中跨：采用凈跨為13m的上承式鋼筋混凝土拱橋，矢跨比為0.5，凈矢高為6.5m，拱圈橫截面為高0.5m、寬4m 的實體矩形現澆鋼筋混凝土板拱；

（2）邊跨：采用凈跨9m 的上承式鋼筋混凝土拱橋，凈矢跨比為0.5，凈矢高4.5m，拱圈橫截面為高0.4m、寬4m 的實體矩形現澆鋼筋混凝土板拱。

下部構造為：0#、3#橋臺均采用U型橋臺擴大基礎；1#、2#橋墩采用擴大基礎實體墩。

2 激光斷面儀檢測原理

該橋工程檢測采用BJSD—2E 型激光隧道斷面儀，測量過程采用極坐標法，即以某物理方向（例如水平方向）為起始方向，按一定間距（角度與距離）依次測定儀器旋轉中心與實際開挖輪廓線的交點之間的矢徑（距離）及該矢徑與起始方向之間的夾角，最后將這些矢徑端點依次相連即可得到實際開挖輪廓線。通過洞內的施工控制導線可獲得斷面儀的定點定向數據，在計算軟件的幫助下可自動完成實際開挖輪廓線與設計開挖輪廓線的空間三維匹配，并可輸出各個測點與相應設計開挖輪廓線之間的超欠挖值（距離、面積）。

激光斷面儀測量原理見圖3。

圖3 激光斷面儀測量原理示意圖

根據圖3所示，測量原理，可應用于該拱圈斷面的檢測。檢測過程如下。

（1）首先在2#拱圈下部選擇好檢測地點，支好三腳架，調整好高度，盡量使三腳架頂部水平；調整儀器主機下三角基座上的三個微調螺栓，使儀器上的圓水泡居中。

（2）打開儀器，將儀器激光器對準拱圈縱斷面，使用手動測量調整激光點分別對準拱圈的左拱腳，記下此時激光點的角度α1；對準右邊拱腳，記下此時儀器上的角度α2。

（3）讓儀器自動歸零，設置精準自動測量參數，然后讓激光器自右往左逆時針轉動測量，在測量過程中儀器會自動記下極坐標下每一點的距離及角度。測量完畢后，手動保存測量數據。

3 檢測過程及數據處理

該橋為三跨上承實腹式人行拱橋，本文選取中間跨的2#拱進行檢測分析。

在使用隧道激光斷面儀進行量測時，首先手動調節激光器使得激光點分別打在左、右拱腳處，記錄下此時角度：α右=90.6°，α左=269.1°；手動檢測完畢后，調整儀器進入精準自動檢測狀態，在儀器中輸入測量點數：N=60，角度范圍為α=30°～330°。將儀器所檢測的文件導入電腦中即可獲取2#拱圈實測內弧線。將所測曲線導入Auto?CAD（如圖4所示）中，從激光器所在位置O1處逆時針量取角度α右（以豎直向下為0°起算計算），與實測曲線的交點即是右拱腳的位置A；同理逆時針量取α左，即可獲得左拱腳的位置E，將A、E兩點連接起來取AE線段的中點，記作點O，以點O向上作垂線與實測內弧線的交點C即為拱頂位置；由線段OA中點G作垂線即可達到L/4位置B，同理可以得到3L/4位置D。

圖4 凈矢高與凈跨徑計算簡圖

在導入的AutoCAD 實測圖中，通過角度量取可以得到在極坐標下的角度各為：θ右拱腳=90.6°，θL/4=144°，θL/2=172°，θ3L/4=202°，δ左拱腳=269.1°；由激光斷面儀的后處理軟件中，可知在極坐標下的距離為：R右拱腳=7.480m，RL/4=7.0964m，RL/2=6.6844m，R3L/4=6.193m，R左拱腳=5.695m。在圖4 的計算簡圖中記：R1=O1A=7.480m，α1=∠AO1O2=90.6°；R2=O1B=7.0964m，α2=∠BO1O2=144°；R3=O1C=6.6844m，α3=∠CO1O2=172°。

本文使用激光斷面儀從凈矢高、凈跨徑和內弧線偏差三方面對拱圈斷面進行檢測。

3.1 凈矢高

凈矢高是指從拱圈截面下緣至相鄰兩拱腳截面連線的垂直距離，通常用f0來表示。在圖4的計算簡圖中，拱圈的凈矢高即為線段OC的長度。

在△O1AF中中在△O1CK中，CK=

由此可以計算出該拱圈的凈矢高：

同理可以求解出拱腰1/4 跨徑和3/4 跨徑處的凈高h1、h2分別為：

3.2 凈跨徑

拱橋的凈跨徑指每孔拱跨兩個拱腳截面最低點之間的水平距離，通常用L0表示。由于儀器架設點與內弧線圓心點不在同一高度上，因此激光斷面儀在90°和270°時所對應的X坐標值之和并不是拱圈的凈跨徑L0。在上圖4計算簡圖中，2#拱圈的凈跨徑為圖中線段AE的長度。在導入的AutoCAD圖中量取激光器頂部點O1與拱腳連線中點的水平距離：O1K=0.934m。由計算簡圖4中的關系可求解出拱圈凈跨徑L0：

3.3 內弧線偏差

由激光斷面儀的后處理軟件中可知，儀器假設高度：i=1.427m，而由設計圖紙得知：兩拱腳的連線的中點O即為設計內弧線的圓心處。在導入的AutoCAD圖中量取儀器架設點O1與圓心O的水平距離：x=O1O=0.934m。在編輯設計標準內弧線時輸入以下3個參數，圓心坐標：x=0.934m，z=1.427m；半徑：r=6.5m；起始角：90°～270°，由此可生成拱圈的設計內弧線，如圖5所示。

圖5 拱圈設計內弧線與實測內弧線示意圖

圖6所示為實測內弧線上的每一點與設計內弧線的偏差值，圖中顯示出從右拱腳到左拱腳的37個點的偏差值大小。

圖6 拱圈設計內弧線與實測內弧線偏差

4 數據分析與評價

由以上求解出的凈矢高f0和凈跨徑L0，可求出2#拱圈的矢跨比f0/L0=0.499。

從圖5 可看出實測內弧線的偏差。根據規范《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F801—2012）中關于就地澆筑拱圈實測項目中，當跨徑小于30m時，內弧線偏離設計弧線的允許偏差為±20mm。表1 即給出所測量（從右拱腳到左拱腳）的37 個點的偏差值，其中有7 個點的偏差值在允許偏差±20mm 之外，即2#拱圈內弧線偏差的合格率為：81.1%。由表1 中數據內插可得到左、右拱腳、拱頂、L/4、3L/4等5處的偏差值：δ右拱腳=-18mm，δL/4=-18.6mm，δL/2=8.6mm，δ3L/4=-5.2mm，δ左拱腳=17mm，根據《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F801—2012）評定全部“合格”。由此看來，規范中對于拱橋內弧線偏差的評判比較寬泛，而采用激光斷面儀后由于檢測點數增加，評價變得嚴格，而對于拱橋施工監控時則更為可靠和實用。

表1 拱圈斷面極坐標表

表1（續）

5 結論與建議

本文嘗試采用隧道激光斷面儀對拱橋進行檢測，其較為準確地量測了該橋2#拱圈斷面，得出了以下幾點結論與建議：

（1） 拱圈的凈矢高f0=6.541m，凈跨徑L0=13.091m，矢跨比為f0/L0=0.499；

（2）大量地獲得了拱圈截面37 點處的內弧線偏差，較全站儀和水準儀5點處量測更為精確；

（3）成功地將激光斷面儀應用于拱橋的檢測中，在工程實踐中收到了比較好的效果，可為以后類似工程的檢測提供較為準確和便利的方法，較大地提高了檢測評判的準確度和可靠性。

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