隧道管片鋼模寬度的數(shù)字化檢測方法

上海隧道工程有限公司構(gòu)件分公司 萬洋

本文結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場對鋼模寬度的精度檢測要求，提出了一種基于數(shù)字化的鋼模合模寬度檢測方法和裝置。

管片制造流程

超深埋調(diào)蓄隧道管片初步設(shè)計(jì)的管片外徑為11300mm，內(nèi)徑為10000mm，環(huán)寬為1500mm，管片厚度650mm。每環(huán)襯砌環(huán)由8塊管片組成（如圖1所示），其中1塊封頂塊（F）、2塊鄰接塊（L1、L2）、5塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B1、B2、B3、B4、B5）。為超深埋調(diào)蓄隧道管片的制造鋼模，鋼模主要由兩塊側(cè)模、兩塊端模和底座等部件組成。側(cè)模與底座、端模與底座直接都有鉸鏈相連接，通過鉸鏈可以將側(cè)模、端模開啟或合上（如圖2所示）。澆筑前先在鋼模中安裝好鋼筋骨架（如圖3所示），再將攪拌好的混凝土澆筑至鋼模中，振動成型。成型后還需進(jìn)行光面、養(yǎng)護(hù)、休整，檢驗(yàn)等步驟。

鋼筋骨架的鋼模

根據(jù)《GB50446盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》對鋼筋混凝土管片模具的精度要求，在鋼模寬度上，允許誤差為±0.4mm。出于成本、精度等多方面考慮，工程應(yīng)用的管片鋼模一般需生產(chǎn)1000環(huán)管片，反復(fù)的開合模、振搗等操作，以及國內(nèi)一般采用蒸養(yǎng)工藝來加快鋼模周轉(zhuǎn)速度，造成十分惡劣的使用環(huán)境。

圖1 隧道管片及拼裝示意

圖2 鋼模外形示意

圖3 安裝鋼筋骨架的鋼模

國內(nèi)外鋼模測量技術(shù)現(xiàn)狀：管片質(zhì)量通常通過精確測量鋼模尺寸來保證。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者對于鋼模尺寸精度測量進(jìn)行了大量研究工作，按測量方法分，主要分為傳統(tǒng)機(jī)械測量方法與現(xiàn)代光學(xué)電子技術(shù)測量方法兩類。

傳統(tǒng)機(jī)械測量方法

目前在生產(chǎn)現(xiàn)場，一般使用超大量程的內(nèi)徑千分尺來測量鋼模的合模寬度是否超差，為減少測量誤差，卡尺的測量臂不能太長，限制了測量范圍在1000mm以下。經(jīng)查表可得，內(nèi)徑千分尺的測量極限誤差在2.1-4.7×10-4數(shù)量級。傳統(tǒng)的機(jī)械測量方法中，大量程內(nèi)徑千分尺體積巨大，測量時(shí)需要耗費(fèi)很大的人力物力，同時(shí)因?yàn)檩^高的精度要求，生產(chǎn)加工困難，造成成本偏高、易損耗、且損耗不易修復(fù)。

現(xiàn)代光學(xué)電子技術(shù)測量方法

除去傳統(tǒng)的機(jī)械測量方法，當(dāng)前國內(nèi)外常見的對于大型構(gòu)件的測量采用的是利用多類型儀器如三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、電子經(jīng)緯儀等獲得三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，獲得其構(gòu)件相應(yīng)的測量值。

三坐標(biāo)測量機(jī)是目前通用的快速精密測量工件幾何尺寸，形狀和位置的設(shè)備。但是其受到量程和直線型導(dǎo)軌運(yùn)動的限制，并不適合管片生產(chǎn)流水線車間。

激光跟蹤測量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測量。但是其對測量環(huán)境要求極高，受大氣溫度、壓力、濕度及氣流流動的影響很大，隧道管片生產(chǎn)流水線車間環(huán)境很難達(dá)到其工作要求。

經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)是以高精度的電子經(jīng)緯儀作為角度傳感器構(gòu)成的工業(yè)測量系統(tǒng)，是目前國內(nèi)外解決大尺寸工件形體測量的有效途徑。它由兩臺高精度經(jīng)緯儀、一把標(biāo)定尺、一臺工業(yè)電腦及后處理軟件組成。兩臺經(jīng)緯儀組成一個(gè)直角坐標(biāo)系。此測量系統(tǒng)可以在生產(chǎn)現(xiàn)場組建，但是其操作復(fù)雜，測量效率低，并不適合流水線現(xiàn)場測量。

相比較于傳統(tǒng)的機(jī)械量具測量，現(xiàn)代光學(xué)電子測量技術(shù)，具有體積小、重量輕、精度高等優(yōu)勢，但是受制于隧道管片生產(chǎn)的特定復(fù)雜環(huán)境，需要利用現(xiàn)代光學(xué)儀器進(jìn)行自主設(shè)計(jì)裝置，使其滿足實(shí)際生產(chǎn)過程中的測量需要，為此下面介紹一種利用工業(yè)相機(jī)及激光測距儀協(xié)同工作的鋼模寬度測量裝置。

裝置介紹

本文介紹的基于數(shù)字化的鋼模合模寬度檢測裝置，不僅測量精度高、操作方便，還能基于測量結(jié)果給出超差判斷和實(shí)時(shí)報(bào)警，為大批量、惡劣環(huán)境下生產(chǎn)隧道管片保證管片鋼模合模精度提供了一種有效的技術(shù)手段。圖4為該測量裝置的外形和組成示意圖。

此裝置主要包括：高像素工業(yè)相機(jī)（圖4中1處）、激光測距模塊（圖4中2處）、電源模塊（圖4中3處）、固定端測桿（圖4中4處）、刻制在鋼模側(cè)壁的十字同心圓。以及后臺基于移動PAD的分析計(jì)算系統(tǒng)和軟件操作界面。

激光測距儀（Laser rangefinder）是利用調(diào)制激光的某個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的距離測量的儀器。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測距儀的五分之一到數(shù)百分之一。采用激光測距傳感器，可以達(dá)到非接觸測量的效果，且精度較高，在如圖4所示的裝置兩端各有一個(gè)。

將高像素工業(yè)相機(jī)與激光測距傳感器集成，利用工業(yè)相機(jī)，識別事先在鋼模指定面上激光雕刻出的標(biāo)識，通過識別出的圖案與標(biāo)準(zhǔn)圖案對比，上傳數(shù)據(jù)到軟件部分，經(jīng)過計(jì)算，得到最終實(shí)際距離。大大提高了實(shí)際測量操作時(shí)的效率，操作人員只需使測量裝置基本到位就可以實(shí)現(xiàn)精密測量，而不需要像采用游標(biāo)卡尺那樣進(jìn)行精確的測量定位。

圖4 基于數(shù)字化的鋼模合模寬度測量裝置

圖5 標(biāo)記在鋼模側(cè)壁上的刻制位置示意圖

圖6 刻制在鋼模側(cè)壁的標(biāo)記

圖7 測量計(jì)算示意

采用固定端測桿的設(shè)計(jì)，因?yàn)椴捎玫氖羌す鉁y距模式，裝置長度只要在一定范圍內(nèi)，對測距沒有影響。并且固定裝置長度有利于減少裝置本身對寬度測距的誤差影響。測桿內(nèi)部中空，用于布置線路，由中間部位的移動電源向兩端傳感器供電。

為了配合鋼模合模寬度測量中測量方向的快速準(zhǔn)確獲取，在鋼模長度方向的內(nèi)壁（如圖5所示），用激光雕制如圖6所示的六處識別十字圖案，該圖案由兩個(gè)同心圓和兩條相互垂直的直線組成。使得豎線AE的底端E點(diǎn)只過內(nèi)圓而不過外圓。由此設(shè)定方向，A點(diǎn)為正上方，B點(diǎn)為正左方，C點(diǎn)為正右方，E點(diǎn)為正下方，D為圓心，由此能準(zhǔn)確的判別方向。工業(yè)相機(jī)拍到該十字圖案后可根據(jù)這幾點(diǎn)自動算出相機(jī)在豎直方向與十字圖案的偏差角，再將拍好的兩個(gè)同心圓根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)十字圖案進(jìn)行比對計(jì)算，計(jì)算出測量機(jī)架上工業(yè)相機(jī)所在的平面與側(cè)模十字圖案所在平面的方位關(guān)系即矢量角度偏差，從而在程序內(nèi)部對激光測距傳感器測出的距離進(jìn)行自動換算與補(bǔ)償。

測量原理及數(shù)據(jù)處理

整個(gè)鋼模合模寬度快速檢測于數(shù)據(jù)處理流程包括：

步驟一：將裝置放置于鋼模寬度方向，裝置兩端面本身設(shè)計(jì)長度為L3。

步驟二：將測桿兩端面對準(zhǔn)鋼模上兩邊事先激光雕刻好的十字標(biāo)識。

步驟三：按下測量按鈕，工業(yè)相機(jī)與測距傳感器同步獲取測量數(shù)據(jù)，其中工業(yè)相機(jī)獲取十字標(biāo)識后進(jìn)行圖像分析，識別出照片中的十字標(biāo)識與變形圓，然后經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算，與標(biāo)識的標(biāo)準(zhǔn)圖6進(jìn)行對比，得出此時(shí)測桿與待測面的方位關(guān)系即測量桿與待測面所成夾角α，同時(shí)激光測距傳感器2發(fā)射激光，得到相應(yīng)方向，裝置端面到達(dá)鋼模待測面的距離L1與L2。

步驟四：參見如圖7所示的計(jì)算示意圖，將L1、L2、L3及α角上傳至軟件部分，定L為鋼模兩待測面間距離，L=（L1+L2+L3）＊sinα即為此時(shí)鋼模寬度間的實(shí)際距離值。重復(fù)同樣的步驟，在三處測量工位各完成一次測量，以獲得數(shù)據(jù)的多樣性。

得到的測量結(jié)果實(shí)際值與相應(yīng)的允許值作對比，如果超差出允許的值，則將會發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員，對鋼模進(jìn)行修正，以保證澆筑的隧道管片達(dá)到設(shè)計(jì)精度，進(jìn)而成功安裝。

實(shí)例操作演示

在PAD端的操作界面上依次排列有測量系統(tǒng)、校準(zhǔn)、鋼模標(biāo)定等選項(xiàng)。需要定期對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，每種鋼模型號都需要在精準(zhǔn)合模后，進(jìn)行標(biāo)定，將精準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為之后流水線生產(chǎn)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

校準(zhǔn)。利用圖8所示的專用校準(zhǔn)裝置對測量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。制作專用的檢測標(biāo)準(zhǔn)器，如圖8所示，在其左右內(nèi)壁上雕刻好圖6所示的標(biāo)識，此標(biāo)識的大小、位置、標(biāo)準(zhǔn)器兩立板之間的距離，均經(jīng)由上級鑒定機(jī)關(guān)矯正鑒定，達(dá)到精確標(biāo)準(zhǔn)。使用本測量裝置，對兩板間距離進(jìn)行三次測量，將測量值與標(biāo)準(zhǔn)值對比，如有需要，進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償ΔL，將該裝置校準(zhǔn)至精確。

圖8 校準(zhǔn)專用標(biāo)準(zhǔn)器

表1 測量數(shù)據(jù)(單位：mm)

表2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：mm）

鋼模標(biāo)定。由于隧道管片采用鋼筋混凝土預(yù)制，長期使用鋼模后，寬度方向內(nèi)側(cè)的表面平面度很低，不適宜采用固定名義值作為流水線測量的標(biāo)準(zhǔn)。因此在確認(rèn)測量裝置已經(jīng)校準(zhǔn)達(dá)到精度要求后，鋼模標(biāo)定采用指定型號已經(jīng)合模達(dá)標(biāo)的鋼模，測量幾何尺寸，作為同型號管片生產(chǎn)的檢測標(biāo)準(zhǔn)。此階段，測量記錄共十個(gè)寬度值作為流水線測量的名義值。

測量系統(tǒng)。對標(biāo)準(zhǔn)鋼模進(jìn)行標(biāo)定完畢后，進(jìn)入測量界面。選擇對應(yīng)的鋼模型號，此時(shí)待測量的十個(gè)寬度位置名義值自動彈出。將測桿放入指定位置，點(diǎn)擊測量鍵，如超過公差規(guī)定，則會高亮預(yù)警，調(diào)整鋼模位置，重新測量，直至滿足寬度要求。

測量數(shù)據(jù)。對寬度為1m的試驗(yàn)鋼模寬度方向十個(gè)位置各進(jìn)行三次測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

測量精度

標(biāo)準(zhǔn)器測量重復(fù)性

在相同的測量環(huán)境下，測量人員在短時(shí)間內(nèi)，利用圖8所示的校準(zhǔn)專用標(biāo)準(zhǔn)器對本測量儀器進(jìn)行測量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)器寬度為900mm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

儀器重復(fù)性即為相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（Relative Standard Deviation， RSD）計(jì)算公式如下：

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）滿足儀器重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)要求。

儀器精度不確定度計(jì)算

因此該裝置的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

此裝置為適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場測量需求而設(shè)計(jì)，對測量質(zhì)量評價(jià)應(yīng)留有一定余量，因此管片鋼模寬度測量裝置的擴(kuò)展不確定度為0.01mm，滿足管片鋼模寬度測量裝置精度需求。