三維激光掃描技術(shù)在隧道結(jié)構(gòu)零狀態(tài)普查中的應(yīng)用

盧其棟，魏賢坤，魏鵬琳

(1.上海勘察設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200093； 2.佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528010)

1 引 言

受軌道交通隧道周邊的地質(zhì)條件、沿線施工及盾構(gòu)推進(jìn)過程施工工藝等因素的影響，隧道貫通后的成型環(huán)片可能存在質(zhì)量缺陷，如管片推進(jìn)過程中的環(huán)片破損，管片推進(jìn)完成后錯臺、錯縫過大導(dǎo)致管片縱環(huán)縫間滲水、漏砂，注漿過量導(dǎo)致的環(huán)片變形等。以上問題均是影響隧道結(jié)構(gòu)使用壽命的風(fēng)險點。為保障城市環(huán)境的穩(wěn)定和市民的公共安全，對軌交隧道零狀態(tài)普查的全面性、高效性、準(zhǔn)確性提出了很高的要求。同時軌道交通隧道竣工期的零狀態(tài)普查也是軌道交通安全評估的一項重要環(huán)節(jié)。

目前隧道結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的獲取主要依靠人工測量和巡查，需投入大量的人員和儀器。工作期間需要重復(fù)進(jìn)場，現(xiàn)存的巡查方法存在工作量大、周期長、人為主觀因素大等缺點，而且采集的僅僅是點狀問題，很難全面掌握隧道內(nèi)的整體初始結(jié)構(gòu)特征。

針對此問題，武漢大學(xué)設(shè)計了一套移動式隧道自動化檢測系統(tǒng)，檢測運(yùn)營期隧道幾何變形和提取隧道表觀病害[1]。廣州地鐵設(shè)計院利用GRP5000系統(tǒng)對隧道管片橢圓度進(jìn)行檢測和隧道病害檢測[2]。國外形成產(chǎn)品的主要是Amberg的GRP5000移動式激光檢測軌道小車[3]，該車每小時可完成 700 m左右的隧道掃描，最終成果為隧道管壁的平面投影圖。由此看到，三維激光掃描地鐵隧道結(jié)構(gòu)檢測還處于一些高校和公司的實驗研究階段，沒有相應(yīng)推廣使用的完整產(chǎn)品。因此，利用先進(jìn)的三維掃描技術(shù)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)零狀態(tài)普查是切合時宜的。

2 三維掃描隧道結(jié)構(gòu)零狀態(tài)普查

傳統(tǒng)普查需配備一個具有豐富經(jīng)驗的測量團(tuán)隊，在測量過程中通常需增加測回數(shù)來保證測量精度，因此工作量較大。在普查環(huán)片收斂值時，需要采用全站儀進(jìn)行斷面掃描，受制于工期和人工成本，未對所有的環(huán)片進(jìn)行普查，而是間隔幾環(huán)甚至幾十環(huán)測量一個斷面。

相比之下，三維激光掃描技術(shù)可以全視場、精確和高效地獲取測量目標(biāo)的三維坐標(biāo)及影像數(shù)據(jù)[4]。如圖1所示，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于零狀態(tài)普查，需一臺掃描儀及若干靶球，2人～3人操作即可；掃描儀器操作相對簡便，對人員能力要求低，新手經(jīng)簡單培訓(xùn)后容易上手，極大降低人員成本；一次掃描能獲取整個隧道的三維點云及逐環(huán)結(jié)構(gòu)特征，覆蓋全線所有斷面，顯著提高測量效率和精度；掃描點云經(jīng)處理后可生成普查要求的成果：軸線偏差、斷面數(shù)據(jù)、限界測量、侵線檢測等[5]。除此之外，可生成傳統(tǒng)測量不具備的成果：錯臺、接縫張開、影像專題圖、結(jié)構(gòu)病害等，為隧道結(jié)構(gòu)安全評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[6]。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)普查技術(shù)流程圖

3 工程實例

本次對佛山市2號線某區(qū)間采用德國Z+F IMAGER 5010C掃描儀靜態(tài)架站的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)普查，利用全站儀輔助測量定位。

3.1 三維激光掃描

三維掃描儀測量成果精度主要受激光到目標(biāo)物體的入射角度、測量距離、激光分辨率、測量對象的反射特性及隧道區(qū)間環(huán)境等因素的影響。測量距離的遠(yuǎn)近直接影響精度，為保證隧道內(nèi)影像的清晰度及數(shù)據(jù)的精確度，各測站之間保證一定的掃描重疊度。

架站時，按每站掃描20環(huán)的跨度，在掃描儀前后10環(huán)內(nèi)按菱形錯落各布設(shè)4個靶球；在臨近隧道地下控制點的管片上貼一組標(biāo)靶點，利用全站儀設(shè)站定向測量標(biāo)靶點的在地鐵絕對坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。掃描儀在獲取隧道三維點云數(shù)據(jù)時，同步獲取靶球及標(biāo)靶點的相對位置。為保證掃描數(shù)據(jù)的精確度，采用精細(xì)掃描模式，每測站掃描用時 4 min。

每測站掃描完成后搬站時，前進(jìn)方向的靶球不動，將另一側(cè)的靶球向前移動，確保每2個掃描測站間具有4個公共的靶球。靜態(tài)三維掃描現(xiàn)場圖標(biāo)靶點示意圖如圖2所示。

圖2 靜態(tài)三維掃描現(xiàn)場圖標(biāo)靶點示意圖

3.2 數(shù)據(jù)處理

(1)點云拼接

每一個測站的掃描數(shù)據(jù)都是獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)。相鄰兩測站間擁有4個公共靶球，通過公共靶球完成站與站的拼接，使兩站坐標(biāo)系統(tǒng)一。在控制靶球的拼接環(huán)節(jié)，通過設(shè)置閾值進(jìn)行精度判定，當(dāng)靶球超出閾值時，去除該靶球，重新利用其余靶球進(jìn)行拼接，以確保控制靶球的拼接精度，如表1所示。

某兩站間(FS180360.zfs-FS180361.zfs)拼接靶球精度表 表1

靶球點位拼接較差在1 mm～3 mm間；點云拼接的精度會隨著測站數(shù)的增加而增加；在測站拼接過程中采用分段拼接，每分段約 200 m左右，避免拼接誤差的累積。

(2)點云校正

標(biāo)靶點的地鐵絕對坐標(biāo)由全站儀測得。隧道內(nèi)的標(biāo)靶點在點云影像中能很容易識別，經(jīng)刺點后得到在自由坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。通過公共標(biāo)靶點建立從自由坐標(biāo)系到地鐵絕對坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而將所有的點云數(shù)據(jù)校正歸算至地鐵絕對坐標(biāo)系中。

(3)點云去噪

剔除隧道內(nèi)影響斷面解算的噪音數(shù)據(jù)，主要是隧道內(nèi)設(shè)施設(shè)備、人員等的點云數(shù)據(jù)[7]。

3.3 成果整理

利用絕對坐標(biāo)系下的隧道點云數(shù)據(jù)，直接提取隧道逐環(huán)的中軸線數(shù)據(jù)、隧道直徑、環(huán)拼接塊間錯臺量；根據(jù)激光反射率經(jīng)正射投影后生產(chǎn)隧道內(nèi)壁正射影像，影像通過解譯得到隧道內(nèi)的表觀病害。

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)三維掃描形成的各類成果，結(jié)合《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》(GB 50446-2017)[8]的驗收規(guī)定，對成型后的隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)狀態(tài)普查分析：

4.1 中軸線

隧道中軸線表示了隧道的實際走向與位置。采用橢圓擬合法求解隧道中軸線，首先按環(huán)提取1個切片，然后對每個切片進(jìn)行橢圓擬合，求解該環(huán)片的橢圓中心，隨后將每個環(huán)片的橢圓中心點集分別投影到水平面(平面)和豎直面(平面)，最后采用多項式擬合函數(shù)對水平面和豎直面上的點進(jìn)行樣條擬合求出平曲線(平面上的樣條線)和豎曲線(平面上的樣條線)。平曲線與豎曲線構(gòu)成隧道中軸線。

根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》(GB 50446-2017)的規(guī)定，成型地鐵隧道軸線平面位置和高程偏差需在 ±100 mm以內(nèi)；從圖3、圖4所示，人工測量數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)的中誤差為 7 mm，符合性較好；無隧道環(huán)片的軸線平面和高程偏差超出驗收控制值。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)中心線高程偏差對比圖

圖4 隧道結(jié)構(gòu)中心線平面偏差對比圖

4.2 隧道內(nèi)徑

在確保掃描斷面垂直隧道中軸線的前提下，每個掃描斷面均為隧道橫斷面。結(jié)合里程信息和影像中的環(huán)號信息，即可提取指定環(huán)號或指定里程的隧道橫斷面。隧道的收斂變形主要集中于襯砌螺栓接縫位置處，收斂變形往往與錯臺變形同步發(fā)展。為保證收斂解算的精度、穩(wěn)定性及與傳統(tǒng)方法的一致性，采用求交法進(jìn)行水平直徑解算。隧道結(jié)構(gòu)水平直徑偏差對比圖如圖5所示。

圖5 隧道結(jié)構(gòu)水平直徑偏差對比圖

隧道外徑為6 m，隧道收斂允許偏差為 36 mm，該段水平直徑偏差滿足規(guī)范要求。

4.3 環(huán)內(nèi)錯臺

本區(qū)段隧道錯臺較為離散，大部分在驗收范圍內(nèi)；在后續(xù)運(yùn)營期間應(yīng)加強(qiáng)對錯臺較大點進(jìn)行觀測，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全，如圖6、圖7所示。

圖6 環(huán)內(nèi)接縫編號規(guī)則示意圖(面向大環(huán)號方向自右上側(cè)逆時針編號)

圖7 隧道結(jié)構(gòu)環(huán)內(nèi)錯臺示意圖

4.4 病害

隧道內(nèi)存在少量濕跡；有少數(shù)管片邊角存在輕微壓損，結(jié)構(gòu)破損已修補(bǔ)，多為施工期管片應(yīng)力集中所致；未發(fā)現(xiàn)評估范圍內(nèi)管片有結(jié)構(gòu)裂縫的存在，如圖8所示。

圖8 隧道內(nèi)影像

4.5 小結(jié)

評估分析統(tǒng)計表 表2

結(jié)合目前分析結(jié)果(表2)，該區(qū)段內(nèi)隧道軸線偏差、管片錯臺量、襯砌環(huán)橢圓度均滿足驗收要求。綜上，通過多指標(biāo)綜合評估，當(dāng)前范圍隧道結(jié)構(gòu)狀況基本完好，但局部存在缺陷，應(yīng)在后續(xù)運(yùn)營過程中定期進(jìn)行隧道的健康監(jiān)測。

5 結(jié) 論

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)普查存在以下優(yōu)勢：確保檢測精度、提高檢測效率、降低人力物力成本、豐富檢測成果。通過檢測成果對盾構(gòu)襯砌常見病害進(jìn)行提取：滲漏、錯臺、裂縫與破損等，方便從實際所處環(huán)境的勘察設(shè)計入手，掌握結(jié)構(gòu)所在工程和水文地質(zhì)環(huán)境，詳細(xì)分析形成內(nèi)因，正確判斷隧道襯砌的損害程度，查明病害原因，因地制宜地采取有效的防治措施，將隧道被動事后修復(fù)變?yōu)橹鲃邮椒雷o(hù)，使得隧道結(jié)構(gòu)更有安全保障。而且能夠為今后運(yùn)營維護(hù)提供更可靠、直觀、全面的隧道結(jié)構(gòu)初始數(shù)據(jù)以及方便地鐵維保的精細(xì)化管理。