盾構隧道襯砌管片外形尺寸檢測系統研制與應用

陳志勇 秦守鵬 吳先安 洪江華 郭巖 韓順琪 王勁草

1.中鐵十四局集團房橋有限公司，北京102400；2.中國鐵路設計集團有限公司，天津300308

盾構隧道襯砌管片是城市軌道交通和鐵路建設中的重要構件，采用工廠流水線預制生產。目前國內約有200多家管片預制場。為保證隧道建設期的質量與運營維護期的安全，我國針對盾構隧道管片檢測制定了相應的國家標準和行業標準［1-2］，規定管片的外形尺寸是主控檢測項。管片廠主要采用游標卡尺、內徑千分尺、深度尺、鋼尺等傳統的方法進行尺寸檢測，存在檢測效率低、精度低的缺點，難以滿足越來越高的生產需求與質量要求。

隨著我國工業水平的發展與精密檢測需求的不斷提高，大型構件精密測量技術在基建行業的應用受到了廣泛的重視，出現了各種解決方案。按照測量方式不同，分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類；按照測量原理不同，分為以激光技術為基礎和以計算機視覺為基礎兩大類［3］。在基建行業大型預制件檢測方面，傳統方法是采用大型游標卡尺、千分尺、鋼尺、專用工裝等接觸式測量手段。在國內高速鐵路建設早期，針對CRTSⅡ型、CRTSⅢ型軌道板檢測［4-5］主要采用全站儀和專用工裝測量，屬于激光測距技術。該方法基本滿足軌道板的檢測需求，但是檢測效率較低，完成一塊軌道板檢測需要約50 min。

近年來，相關學者研發了各類檢測系統。范生宏［6］基于數字攝影測量技術，對軌道板快速檢測關鍵技術進行了研究。許磊［7］基于智能光學追蹤3D 掃描儀，研制了CRTSⅢ型無砟軌道板尺寸快速檢測系統。薛峰、凌烈鵬等［8-9］基于3D 相機技術和視覺檢測，研發了軌道板尺寸檢測系統和CRTSⅠ型雙塊式軌枕檢測系統。潘國榮、袁正茂等［10-11］采用激光跟蹤儀對管片模具檢測進行了應用研究，綜合精度能達到0.2 mm。針對模具檢測，目前檢定單位主要采用激光跟蹤儀，而生產廠家主要采用大型龍門式三坐標測量儀。

管片檢測是質量控制的重要工序，發展智能化的檢測技術是必然趨勢。本文介紹一種全新的盾構隧道管片外形尺寸檢測技術，該技術基于高精度光學追蹤3D 掃描儀，可實現全自動、智能化檢測，屬于大型構件精密測量技術在基建行業的應用。

1 檢測系統技術特點

管片生產廠對管片外形尺寸的質量控制主要包括兩方面：一是對管片成品進行抽檢，要求每50 環抽檢1環；二是對管片模具進行定期檢查，要求每套模具生產100 環進行一次全面檢測。檢測項目包括寬度、厚度、弦長、弧長等指標。其中寬度是最重要的檢測項目，管片模具的寬度偏差要求不超過±0.50 mm（部分項目設計要求不超過±0.25 mm），管片成品的寬度偏差要求不超過±1.00 mm（部分項目設計要求不超過±0.50 mm）。

預制管片種類繁多，國內一般管片尺寸為：寬度1.2 ～ 2.0 m，厚度300 ～ 650 mm，弦長3 ～ 5 m。不同類型的管片尺寸差距非常大，同一管片廠生產的管片種類可能多達上百種，管片廠面臨著檢測任務重、精度要求高的難題。

為解決管片廠的實際問題，本文提出的隧道管片外形尺寸檢測系統具有以下技術特點：

1）可檢測不同尺寸的管片。該系統的檢測能力滿足國內最大直徑的襯砌管片（盾構直徑15.4 m，寬2 000 mm，厚650 mm，弦長約5 100 mm）及各類不同尺寸的管片模具與管片成品的檢測需求。

2）可檢測多條生產線。管片成品要求在養護完成之后、出廠之前進行抽檢。該系統安裝在獨立檢測區域，可滿足多種檢測需求。

3）可自動定位。管片成品檢測時，將管片放置在軌道車上，車上的機電設備自動調整管片位置，并自動運輸進入待檢區域，實現管片的精確定位，沿軌道方向定位精度小于10 mm，垂直軌道方向定位精度小于30 mm。管片模具檢測時，參考模具在生產線上的流轉方式，直接將模具放置在檢測區的地軌上，由預設的機械限位實現精確定位，定位精度小于10 mm。

4）可自動檢測。該系統集成智能光學追蹤3D 掃描儀、多軸桁架式機械系統、小型機械臂等硬件，開發了數據采集軟件與數據處理軟件，實現管片成品與管片模具的全自動檢測。

5）可檢測成果的輸出與管理。該系統可自動輸出關鍵點位的檢測成果表格；自動上傳檢測成果至信息化平臺；將三維點云數據與三維模型進行半自動對比分析，輸出完整的尺寸分析報告。

6）檢測效率高。根據管片尺寸不同，完成一塊管片成品或管片模具的自動檢測時間為8 ～12 min。

7）檢測精度高。該系統采用智能光學追蹤3D 掃描儀，其靜態精度為0.078 mm；采用動態跟蹤模式，精度可達到0.1 ～0.2 mm，滿足檢測精度要求。

2 方案實施

襯砌管片外形尺寸檢測系統由四部分組成：①機械系統，包括管片軌道車、小型機械臂、多軸桁架（2個x軸、2 個y軸、1 個z軸）、電氣控制柜等。其中掃描儀沿管片寬度、長度、高度方向的運動軸分別為x1軸、y1軸、z軸；跟蹤儀沿管片寬度、長度方向的運動軸分別為x2軸、y2軸。②智能光學追蹤3D 掃描系統，包括多線結構光掃描儀、光學跟蹤儀、定位標志點等。③上位機軟件，包括數據采集模塊與數據分析模塊。④數據管理平臺，整套系統安裝在獨立檢測區域，通過上位機軟件控制機械系統與3D 掃描系統，自動完成三維掃描與尺寸分析，并上傳檢測成果至數據管理平臺。該系統可同時滿足多條生產線的檢測需求。

2.1 檢測流程（圖1）

圖1 檢測流程

管片成品檢測的流程為：①將管片放置在專用軌道車上；②管片軌道車自動調節管片位置；③管片軌道車自動運輸進入檢測工位，通過限位傳感器自動停止；④啟動檢測系統，使系統回原點；⑤啟動檢測軟件，選擇正確的類型和型號；⑥自動掃描三維點云數據；⑦自動進行數據處理，與設計模型和設計參數對比；⑧輸出檢測成果報表，上傳檢測成果至數據管理平臺。

管片模具檢測的流程為：①將模具和模具臺放置在地軌上；②手動操作使模具進入檢測工位，觸碰機械限位停止；③掀開模具蓋板，確認安全狀態，啟動檢測系統，使系統回原點；④啟動檢測軟件，選擇正確的類型和型號；⑤自動掃描三維點云數據；⑥自動進行數據處理，與設計模型和設計參數對比；⑦輸出檢測成果報表，上傳檢測成果至數據管理平臺。

2.2 機械系統

2.2.1 主體機械框架

根據最大管片的外形尺寸設計自動化的機械方案，整套系統采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，運動機構均采用伺服電機驅動，方案設計如圖2所示。整套系統安裝尺寸8.3 m（長）×5.7 m（寬）×5.0 m（高），在獨立區域和獨立地基上進行安裝。所有支柱均采用化學螺栓固定，機械結構安裝完成并放置一段時間后，在地面上再整體澆筑100 mm 厚混凝土。系統單軸運動精度優于0.1 mm，以保證機械結構與運動機構的穩定性和可靠性。

圖2 機械方案設計

機械結構具有以下特點：①整體采用桁架式機構，跟蹤儀的支架采用鋁型材搭建。②x軸運動部分采用兩個直線行程5 500 mm 的模組，驅動部分采用伺服電機+減速機，兩個直線模組之間通過聯軸器連接。③y軸運動部分采用行程2 500 mm 的直線模組，驅動部分采用伺服電機+減速機。④z軸運動部分采用行程1 000 mm 的直線模組，驅動部分采用伺服電機+減速機。⑤跟蹤儀運動軸運動部分采用行程2 000 mm的直線模組，驅動部分采用伺服電機+減速機。⑥六軸機器人安裝在z軸底座上，掃描儀安裝在六軸機械臂上。⑦靶點支架是安裝3D 掃描系統的標志點，采用高強度鋼焊接制作。

2.2.2 管片軌道車

為滿足整套系統的自動化檢測需求，應實現管片裝載精確定位與自動運輸精確定位。整個管片軌道車由車體、橫向定位塊、調節輪、調節模組等組成，如圖3所示。

圖3 管片軌道車示意

具體操作過程：將管片貼靠橫向定位塊放置在小車上，通過操控面板選擇管片型號，啟動調節模組和激光傳感器，根據示教編程自動調整至合理范圍。觸摸面板顯示管片裝載完成后，啟動軌道車自動運行至檢測區域，檢測區域設置多個激光傳感器，控制小車減速、停止。

2.3 智能光學追蹤3D掃描系統

該系統集成的智能光學追蹤3D 掃描系統由三部分組成：掃描儀、跟蹤儀、定位標志點。掃描儀安裝在六軸機械臂上，通過外部軸和機械臂運動實現大范圍移動和精細掃描。跟蹤儀安裝在系統的頂部，實現最大范圍跟蹤。定位標志點安裝在系統兩側，保證系統的整體空間精度。

智能光學追蹤3D 掃描系統是近年面市的新型三維激光掃描設備，具有精度高、效率高、動態跟蹤、無需貼點等優點，已廣泛用于汽車、航天、模具等精密檢測行業。它是核心測量模塊，直接決定系統方案可行性和測量精度。通過大量的應用測試和對比研究，該系統選擇采用精度高和穩定好的某國產品牌設備。

2.4 上位機軟件

2.4.1 軟件通信控制流程（圖4）

圖4 軟件通信控制流程

上位機軟件包括數據采集控制模塊與數據分析處理模塊。軟件自動控制機械系統與智能光學追蹤3D掃描系統完成數據采集，并自動對獲取的數據進行分析處理。

2.4.2 軟件數據處理流程

數據處理模塊基于點云數據和點云處理算法進行自動處理，流程如圖5所示。

圖5 數據處理流程

1）點云坐標系糾正。①基于管片設計圖與測量坐標系進行粗分割，利用原始掃描點云和初始坐標值，通過Harris 三維角點提取算法自動提取管片或管片模具的四個角點的初始位置。②根據角點初始位置和管片設計參數計算每個角點對應的三個平面上的種子點。以種子點為參考，分割三個平面的點云數據。通過平面擬合獲得三個平面的參數。三個平面相交獲得精確的角點坐標（把弧面作為平面處理）。③以四個精確角點坐標為基準，將原始點云數據轉換到參考坐標系下。

2）點云分類。根據管片的設計參數和設計要求的測量點位計算每個測點的種子點坐標和初始參數，根據種子點坐標分割點云，根據初始參數剔除點云粗差。

3）模型擬合。包括四角平面擬合（弧面擬合）、測量點位平面擬合、內弧線曲線擬合。在進行模型擬合時采用RANSAC 算法，進一步剔除粗差，獲得精確的模型參數。

4）成果輸出。根據模型擬合的參數計算測量值，并且與設計值進行對比，自動輸出檢測報表，如圖6所示。

圖6 輸出成果報表PDF文件示例

2.5 檢測成果數據管理平臺

管片成品與管片模具檢測成果可自動上傳至數據管理平臺，工程管理者可實時遠程查看檢測結果，系統具有查詢、分析、統計、圖形化展示等功能。

3 工程應用

檢測系統已經在中鐵十四局房橋公司成都管片廠、北京管片廠進行了工程應用。成都管片廠應用項目有2個：①成都地鐵17號線2期工程，盾構直徑8.3 m，管片寬度1.5 m，每環管片包含4 個標準塊、2 個連接塊、1 個封頂塊，區分標準環、左轉環、右轉環；②成自宜高速鐵路錦繡隧道，盾構直徑12.4 m，管片寬度1.8 m，每環管片包含 6 個標準塊、2 個連接塊、1 個封頂塊，全部為標準環。成都管片廠的檢測系統適用于環寬1.8 m 及以下的所有類型管片，預留2 m 環寬的改造空間。北京管片廠應用項目為北京東六環改造項目工程，盾構直徑15.4 m，管片寬度2 m，是目前國內最大盾構直徑管片，每環管片包含7 個標準塊、2個連接塊、1個封頂塊，全部為標準環。

隨機抽取一套新出廠的2 m 環寬的合格管片模具進行重復性檢測，對每個模具分別檢測3 次，共計約300 個檢測數據樣本。統計檢測寬度的重復精度，如圖7 所示。可知，重復性精度的最大偏差0.15 mm，平均偏差0.04 mm。這說明本系統的重復性精度非常穩定。

圖7 管片寬度重復精度統計

以模具出廠檢定報告的寬度作為參考值，將本系統的檢測值與參考值進行對比，如圖8所示。可知，計算絕對精度中誤差0.06 mm。這說明該系統的絕對精度可達到0.18 mm。

圖8 管片寬度絕對精度統計

4 結語

通過工程項目應用驗證，本文研發的隧道管片外形尺寸檢測系統能實現管片成品與管片模具的全自動檢測，自動輸出檢測報表，并自動上傳檢測成果，檢測過程無需人工干預。根據管片的不同尺寸，每塊管片檢測效率為8 ～15 min，檢測精度為0.1 ～0.2 mm，具有高效率、高精度的優點，滿足管片成品與管片模具的檢測需求，解決了管片生產過程中的管片成品外觀尺寸控制問題。但是也存在幾點不足：①本系統檢測管片時內弧面向上，吊裝之前須先翻轉管片，耗費一定的人力和時間。下一步將研究外弧面向上的檢測模式。②本系統的檢測成果只提供規范要求的檢測項。下一步將研究自動三維建模技術，提供更加完整、詳細的尺寸偏差報告。③本系統還不能實現管片及模具的線上檢測。在不影響生產的條件下實現管片及模具的生產線上檢測，也是下一步研究的重點。