三維激光掃描技術在隧道管片加載試驗中的應用

張培培

(上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072)

目前城市盾構隧道結構病害研究主要集中在隧道管片的滲漏水、開裂等局部損傷上[1]，針對襯砌結構的接縫張開、管片錯臺、管片變形等整體變形問題的研究相對較少，針對后期整環加固的研究則更少[2]。近年來，國內研究機構提出復合腔體隧道加固技術，即將復合材料構件與隧道管片混凝土內壁通過特殊工藝粘合形成一種復合材料疊合襯砌結構的加固方法。但由于盾構隧道結構特定的力學行為和破壞機制，復合腔體加固后盾構隧道結構的力學性能和承載性能尚不清晰[3]。

為了研究復合材料疊合襯砌結構在整環加固條件下的力學特性和破壞過程，以復合腔體加固后的1∶1水平襯砌管片環為試驗對象，模擬隧道上覆土層不斷增加的過程開展極限承載能力試驗，通過全面觀察、監測并分析試驗過程中疊合襯砌結構的受力與變形過程以評價該加固方法的有效性。針對地鐵隧道變形監測的研究，除了傳統的人工測量外，主流的自動化監測技術主要有靜力水準儀、測量機器人、巴塞特收斂系統、光纖光柵技術等[4-6]。傳統的人工單點測量模式無法滿足本試驗對整環變形觀測的要求，而自動化監測技術一般需要在被測對象上分布式安裝傳感器，這會破壞復合腔體表面碳纖維，從而影響結構的受力結果。因此，在對管片和加固結構不造成任何破壞影響的情況下，本文利用三維激光掃描技術對盾構隧道襯砌結構極限試驗中不同階段的管片進行現場掃描，全面監測分析管片加固前后整體變形、外表面混凝土裂縫、接縫等情況，描述并驗證復合腔體加固方法不同關鍵受力點下的管片荷載位移關系，為復合材料疊合襯砌設計計算理論提供試驗數據支撐。

1 試驗介紹

本試驗采用襯砌管片1∶1水平半環極限承載力試驗的方法，將試驗單環管片加載至收斂變形120 mm時(加固臨界點)，對已變形管片用復合腔體進行二次加固，繼續加載直至疊合結構黏結失效。利用三維激光掃描技術記錄分析試驗過程中管片各關鍵節點的變形過程，通過分析試驗數據對復合構件加固效果進行評價。

1.1 試件介紹

本次試驗所采用的管片外徑為6.2 m、內徑為5.5 m、管片厚0.35 m、環寬1.2 m。全環分為6塊，包括1個封頂塊(F塊)、2個鄰接塊(L1、L2塊)、2個標準塊(B1、B2塊)和1個拱底塊(D塊)，管片結構如圖1(a)所示。

加固采用復合腔體構件，根據達到加固點的管片內壁精確尺寸預制加工而成。頂部位置選用6根復合腔體構件加固，腰部位置選用4根復合腔體構件加固，復合腔體構件與管片之間用結構膠粘接。整環加固結構如圖1(b)所示。

圖1 復合腔體構件加固管片試驗圖

1.2 試驗階段

通過上海軌道交通盾構隧道整環足尺試驗可知，當盾構隧道收斂變形值達到120 mm 時，管片結構整體產生變形[7]，定義此時為試驗加固臨界點。據此，本實驗分為未加固和加固兩個階段。在未加固階段，將原型承載管片加載至加固點后通過保載裝置鎖死變形；在加固階段，在前一階段基礎上對原型承載管片進行復合腔體構件加固施工，并對加固后的承載管片持續加載直至結構達到破壞狀態，對比分析復合腔體對管片結構的加固效果。

1.3 掃描內容

本次試驗對管片加固前后關鍵節點狀態進行整體掃描，以管片整體變形、內外表面混凝土裂縫、接縫內外側張開變化等破壞過程為量測內容，分析這些變形數據與加載值的關系，以評價加固方法對管片的加固效果。

2 試驗管片數據采集與處理

2.1 掃描設站方案

由于試驗對象體量較小，且最終成果不涉及與國家坐標系或地方坐標系的聯系，因此無須布設掃描控制網，僅利用靶標作為不同掃描站點云數據配準的依據。根據管片對象的大小、形狀確定掃描站點的分布方案，再根據成果精度要求設置掃描分辨率、掃描質量等參數。考慮到管片正中心位置處有圓柱形保載立柱遮擋，本試驗每次作業分2站掃描，布設4個靶標球呈四邊形，現場掃描布置情況如圖2所示。

圖2 現場掃描布置示意圖

2.2 掃描數據預處理

本次試驗共有2站掃描數據，需對掃描點云進行配準、去噪、修補等預處理。數據預處理的流程如下。

① 坐標系的定義。原始點云數據的空間位置信息是以儀器坐標系統作為基準，原點位于激光束發射處，Z軸位于儀器豎向掃描面內，豎直向上為正；X軸、Y軸位于儀器的橫向掃描面內。

② 點云配準。本實驗對象為內徑5.5 m的水平管片環，作業范圍小，為提高拼接效率和精度，掃描試驗全程采用基于靶標拼接的方式進行點云配準。

③ 點云去噪。原始點云數據中包含不屬于管片的點，如管片上的連接螺栓孔、注漿孔、試驗應力計、管線等附屬設備。為保證數據分析時參與計算的點目標都盡可能落在管片內壁上，在變形分析前，需要降低或消除點云數據中除管片外的冗余點和噪聲點。采用基于橢圓柱面擬合的濾波方法，即根據管片形態特點將其橫截面視為橢圓，通過對點云進行橢圓柱面擬合及平差模型的結算，實現管片點云的濾波[8]。

2.3 斷面離散點集提取及斷面構建

沿點云Z軸方向，用目標點Pi處的水平面切割點云，在目標點Pi處對點云進行切片，獲取一個間距2 cm的離散點集Gp，然后投影點集Gp到法平面l上，即可生成點Pi處由序列點組成的斷面[9]，切片結果如圖3(a)所示。

使用雙向最近點搜索法[10-11]取代掃描法對亂序的各平面點云Gp進行排序，生成各點云切片散點外輪廓邊界。關鍵步驟是在切片點云中選擇任一點Ps作為起點，以其最近點Pe為終點生成多邊線，在剩余點中尋找距Ps(Pe)最近的P，分別計算P到Ps和Pe的距離ds、de，若ds

圖3 管片頂、底點云切片及斷面構建

3 管片變形分析

本次試驗共獲取了管片3種狀態下的掃描數據，即原型管片、加固臨界點的管片及復合腔體與管片黏結失效時的管片。為保證實驗數據的完整性，拋棄了傳統的基于變形點以點代面的分析方式，選擇基于整體監測對象模型的方式進行對比分析。通過分析這3個時期下的模型變形情況，為試驗數值模擬提供支撐。

3.1 掃描坐標系轉換

對獲取的3次管片點云進行疊加對比分析，需要將這3次點云數據轉換至統一坐標系下。考慮到保載裝置的對稱穩定性，以保載裝置的中心反力裝置、24個方向的鋼拉力桿為特征完成坐標系的轉換。

3.2 管片變形分析

為進一步分析管片整體變形情況，分別以上一期的掃描數據為參考做對比分析，可獲得未加固階段和加固階段下管片的整體變形信息，即管片變形3D色譜圖，如圖4、圖5所示。圖中暖色代表管片外張變形區域，綠色代表變形微小區域，冷色代表管片內壓變形區域，顏色越深變形幅度越大。通過管片變形3D色譜圖能夠直觀地獲取管片整體的變形趨勢，進而有針對性地制定下一步試驗方案。從圖中可以發現，管片寬度方向上，各處變形趨勢和大小一致；管片環向上，頂部藍色區域、腰部紅色區域變形最為嚴重。為進一步分析管片重點變形區域的變形情況，將從管片變形、管片裂縫和接縫張開[12]這3個角度對隧道結構的整體變形進行討論分析。

圖4 未加固階段管片3D比較偏差色譜圖

圖5 加固階段管片3D比較偏差色譜圖

3.2.1 管片變形

對比3次掃描數據發現，試驗各階段結構整體變形情況不一。在管片Z=0.5 m處，取斷面厚度20 mm，將Z=[0.49 m,0.51 m]范圍內的離散點全部投影至Z=0.5 m的水平面上，構建斷面輪廓線進行斷面變形定量分析。圖6、圖7分別為原型管片、加固臨界點的管片和黏結失效時Z=0.5 m處的管斷面變形圖。

圖6 未加固階段管片的整體變形圖

圖7 加固階段管片的整體變形圖

如圖8(a)所示，未加固階段，管片在荷載作用下(P=454.8 kN)頂部與底部向管片中心變形，腰部向管片外部變形，整體變形呈“橫鴨蛋”狀，頂底位移達120 mm；加固階段至加固鋼板與管片黏結破壞時(P=560.0 kN)，與加固臨界點相比管片整體變形相對變小。

為進一步定量分析管片的形變情況，采用極坐標法對不同時期同一位置斷面疊加后進行變形分析，計算方位角α上各點的位移變化，形變結果如圖8和表1所示。

圖8 加固試驗荷載-位移曲線

表1 兩個階段同一位置斷面各個方位的形變情況單位：mm

圖8(a)為根據點云切片法提取三期斷面的形變曲線，對應表1數據可以看出，加固階段相對于未加固階段，其變形幅度明顯變小，各階段變形最大值均位于水平方向或豎直方向。圖 8(b)為管片位移傳感器數據繪制的0°～180°頂底方向結構荷載與累計位移關系曲線，由圖可見，未加固階段，隨著荷載的增加結構頂底變形迅速擴大；加固階段至黏結失效前，隨著荷載的增加，結構變形緩慢發展，且變形幅度明顯收窄。對比圖8(a)和圖8(b)可知，位移計繪制的頂底累計位移曲線與3次掃描切片數據的整體變形趨勢及情況吻合良好，進一步驗證了三維激光掃描技術及切片法進行變形監測的可靠性。試驗結果證明加固階段鋼板與混凝土管片黏結效果良好，隧道的整體結構剛度相對于未加固階段有顯著提高。

3.2.2 管片裂縫

觀察帶有圖像信息的點云數據，發現第2次掃描時(加固臨界點)，管片內外均已出現裂縫：外弧面裂縫主要分布在標準塊B1、B2和封頂塊F上，且裂縫沿管片寬度方向發展，封頂塊附近裂縫寬度大于2 mm，其他位置裂縫寬度均在0.1～0.2 mm范圍內；內弧面裂縫主要分部在拱底塊D，同樣沿管片寬度方向發展，寬度均在0.1～0.2 mm范圍內。

根據第3次掃描數據(黏結失效)發現，在荷載的作用下原有裂縫沿管片寬度方向延伸，并有新的裂縫出現。外弧面上新增裂縫主要分部在標準塊B1、B2與拱底塊D，沿管片寬度方向發展，標準塊上裂縫寬度大多在0.1～0.2 mm范圍內；內弧面上拱底塊D沿寬度方向出現貫通裂縫，寬度約為0.2 mm。

3.2.3 接縫張開

對比第1次掃描數據和第2次掃描數據發現，加固試驗初期，各接縫張開量均無明顯變化，也沒有明顯破壞現象發生。第3次掃描數據顯示，352°接縫張開量出現明顯變化，內側張開外側壓緊，接縫外側受壓區混凝土開始大面積脫落，8°接縫外側混凝土也已酥化，如圖9所示；73°與287°接縫張開量與之前也發生明顯變化，內側因壓緊已導致弧面嚴重破碎伴隨外側弧面大幅度張開；138°接縫張開量明顯變化，接縫外側受壓區混凝土壓碎，如圖10所示。222°接縫在整個加固過程中張開量無明顯變化，也未出現明顯破壞的現象。

圖9 封頂塊接縫處外側混凝土壓碎

圖10 138°接縫外側混凝土壓碎

4 結束語

以模擬盾構隧道在上部堆載作用下的1∶1單環襯砌管片為研究對象，針對加固前后管片變形分析進行研究?？紤]到焊接應變計對復合腔體表面碳釬維的破壞會影響結構的受力結果，在對管片及加固結構不造成任何破壞影響的情況下，利用三維激光掃描技術高效精準地完成了試驗管片的數據采集，通過對關鍵節點管片的點云數據處理分析，從管片整體變形、裂縫、接縫等角度分析管片加固前后變形的趨勢和范圍。結合變形數據和對應荷載值綜合分析，試驗表明復合腔體加固方法可提高加隧道結構的極限承載力，并可有效提高結構的剛度，從而有效遏制未加固隧道的變形，是一種針對盾構隧道的有效的加固方法。